長輸管道焊接技術發展

趙連學(山東萊克工程設計有限公司，山東 東營 257000)

0 引言

當前，我國處于一個油氣管道建設的高峰時期，從2000年至今，我國已經建成或開工的長輸管道有：西部管道(油)、西氣東輸一線(氣)、西氣東輸二線(氣)、西氣東輸三線西段和東段(氣)、川氣東送管道(氣)、陜京一線(氣)、陜京二線(氣)、陜京三線(氣)、陜京四線(氣)、澀寧蘭管道及復線(氣)、蘭成渝管道(成品油)、蘭鄭長管道(油)、忠武線(氣)、中緬管道(油、氣)、中俄東線(氣)、中俄原油管道(油)、新疆煤制天然氣外輸管道(氣)、榆濟管道(氣)、冀寧線(氣)、青寧管道(氣)、日濮洛管道(油)及沿海LNG配套外輸管道(氣)等；以及近遠期規劃建設的還有川氣東送二線天然氣管道(氣)、西氣東輸三線中段(氣)、西氣東輸四線(氣)、沿海大通道(氣)、中俄中線通道(氣)、中俄遠東管道(氣)、中俄原油復線(油)等國家干線油氣管道。

長輸油氣管道運輸作為運輸行業一個獨立的運輸系統，一旦建成、投產會日益凸顯出運營成本低、安全環保、受外界生產活動影響小、不間斷運行等優勢。管道百分之九十九的部分均處于埋地狀態，運行中不易受到外界干擾，安全性較高。同時長輸油氣管道因百分之九十九的部分埋在地下，管線工作中的潛伏隱患、危險被發現非常難，潛藏的隱患對管線周圍的設施、自然環境造成長期威脅，尤其是長距離油氣運輸管線主要輸送易燃易爆的天然氣、原油、成品油、煤氣等介質。因此，確保管道工程的本質安全和管道建設質量對管道安全運行、延長管道使用壽命是非常重要的[1]。管道環焊縫的焊接作為長管道建設中最重要的一環，管道焊接技術選擇和發展將從根本上影響長管道建設的本質安全，同時對管道運輸的安全性有著至關重要的作用。結合國內長輸管道建設現狀和發展趨勢，長輸管道焊接技術的應用與發展趨勢研究將會凸顯出重要地位。

1 我國長輸管道發展

我國長輸管道事業發展的歷程最早可以追溯至公元前二百多年的秦漢時代[2]。在1949年以前，我國長輸管道建設里程寥寥無幾，幾乎可以用“0”來形容。直到1863年，成品油在我國仍然是采用汽車公路運輸；1942年，我國在新疆獨山子建設了第一條長度為2.5 km的原油管道；四川盆地為配合四川油氣田開發建設了部分輸氣管道，修建總長不超過30 km。第二次世界大戰太平洋戰爭爆發后，1943年8月同盟國加拿大魁北克首腦會議決定沿新建中印公路建設中印成品油管道，為亞洲戰場上的中國、美國、印度等部隊提供油料保障，扭轉亞洲戰場態勢。直到1946年1月中印成品油管道投產的7個月中，累計向中國輸送成品油10萬噸，中印成品油管道的建設對中國抗日戰爭乃至整個亞洲戰場均產生了重大意義。1949年以后，隨著我國不斷發現和開發大型油氣田，帶動了我國長輸管道的建設和發展。2004年，西起新疆東至上海，管徑D1 016 mm，設計壓力10.0 MPa、每年輸量170億立方米的西氣東輸管道建成投產，干線管道采用X70鋼級，是中國第一條橫貫東西的長距離、高壓力、大口徑天然氣輸送管道。西氣東輸管道的建成，使我國管道的建設技術水平、設計水平、施工水平等提升到了國際先進水平。2011年，西氣東輸二線工程建成投產，管徑D1 219 mm，設計壓力12.0 MPa，每年輸量300億立方米，干線管道材質采用X80鋼級，標志著我國高壓力、高鋼級管道建設技術達到國際領先水平[3]。自2010年至2020年間，我國還開工建設了西氣東輸三線輸氣管道西段和東段、中俄東線輸氣管道北段、中俄原油管道等大型長輸管道工程。

2 長輸管道焊接技術

隨著我國社會主義市場經濟蓬勃發展，國家科學技術水平不斷進步，國家建設步伐進一步加大，資源供給保障已成為社會經濟發展中不可或缺的一部分，安全穩定的資源供給是可持續發展的有力保障。同時，我國具有幅員遼闊、資源分布不均勻的特點，為合理調配、保障資源調配，解決資源分布不均問題，長輸管道擔任著流體資源的運輸調配任務，因此，長輸管道的運行安全是管道建設的重中之重。結合長輸管道輸送距離長、管道材質為鋼管、埋設于地下隱蔽性好、運行壓力高，帶壓修復困難大，危險性高、輸送介質易燃易爆、安全隱患發現困難等特點，并通過國內外管道建設和運行過程中總結的經驗，焊縫質量直接影響管道運輸效率和運輸安全。管道環焊縫的焊接作為長管道建設中最重要的一環，管道焊接技術選擇和發展將從根本上影響長管道建設的本質安全，同時對管道運輸的安全性有著至關重要的作用。

2.1 長輸管道焊接技術的發展過程

從長輸管道焊接技術應用發展至今，管道焊接工藝隨著管道建設技術水平、設計技術水平的提高，經歷了從板材、焊材、管材、焊接工藝、焊接設備、焊接環境要求等多方面的發展。焊接學科技術發展涉及焊接材料、焊接工藝技術、焊接設備、焊接人才培養等全產業的發展與進步。焊接材質的變化主要由焊條到藥芯焊絲，藥芯焊絲到實心焊絲的轉變與應用。焊接工藝的變化主要由從手工焊到半自動焊，半自動焊到組合自動焊、組合自動焊到全自動焊的發展；焊接設備由手工焊接到半機械化的自動焊接到全機械化的自動焊接；焊接人才培養從單一的師傅帶徒弟到規模化的專業技術培訓，使得長輸管道焊接技術發展為高效環保、安全可靠、經濟效益、社會效益均得到提高。同時，結合長輸管道焊接位置、環境、條件等影響，在使用中依然是焊條電弧向上焊、焊條電弧向下焊、自保護藥芯半自動焊，組合自動焊、全自動焊相結合的方式在工程中應用。

2.1.1 焊條電弧向上焊技術

20世紀70年代至80年代，我國的長輸管道焊接工藝大多采用的是低氫焊條電弧向上焊技術。低氫焊條電弧向上焊工藝具有應用靈活、可控性強，同時也具有受焊工技術水平及焊接環境影響大的特點。因此低氫焊條電弧向上焊工藝雖然在管道建設中應用廣泛，但焊接過程中容易產生夾渣、氣孔等焊接缺陷，且具有焊接效率低，焊接質量差的缺點。

2.1.2 焊條電弧向下焊技術

20世紀80年代，陜京一線、澀寧蘭管道、京津航煤管道的建成投產標志著焊條電弧向下焊技術在我國油氣管道建設中大規模應用。焊條電弧向下焊技術的發展從全纖維素型發展到混合型，從混合型發展到復合型，經歷了以上三個階段的發展，推動了焊條電弧向下焊技術的進步。

(1)全纖維素型向下焊接技術。全纖維素型向下焊接工藝由于焊材采用纖維素成分，其焊水濃度較低，熔解率高、焊接速度快，提高了管道環焊縫焊接效率，降低了管道建設過程中的焊接成本。

(2)混合型向下焊接技術。混合型的向下焊接工藝在陜京一線開始廣泛應用，但根據實際使用情況此焊接工藝體現出了其對長距離管道長距離焊接安裝、使用的環境復雜、氣候條件惡劣的管道上的優勢。混合型向下焊接技術采用的是焊縫多層焊接，即采用全纖維素型向下焊打底，接著再進行填充焊接和蓋面焊接來完成焊接工作，極大改善了焊縫質量，同時減少了每道環焊縫的焊接時間，從而大大提高了管道環焊縫焊接效果和焊縫質量，也減少了焊縫焊接過程中缺陷的產生。

(3)復合型向下焊接技術。復合型向下焊接技術應用廣泛，從西氣東輸管道的大口徑高鋼級干線管道到入戶城市管網均可采用，以其靈活便捷、適應能力強的特點，在長輸管道行業中得到了廣泛應用。復合型向下焊接技術將打底焊填充向下焊與蓋面向上焊結合的一種焊接工藝，發揮了不同焊接技術的優點，補齊了不同焊接技術的短板，大幅度提高了焊接質量。

2.1.3 自保護藥芯半自動焊

自保護藥芯半自動焊是我國特有的油氣管道焊接技術，該技術雖自國外引進，但國外無長輸管道焊接應用基礎。自保護藥芯半自動焊是指在焊接過程焊絲自帶藥芯燃燒產生的保護氣體將管道環焊縫焊接環境與空氣進行了隔絕，有效保護了焊接過程中的焊縫成型，避免了焊接缺陷的產生。自保護藥芯半自動焊具有自身抵抗風險環境能力強、焊縫成型好、焊接接頭的應力水平好、焊縫質量高、設備簡易等優點。

2.1.4 全自動焊

全自動焊是將管道置于相對固定的狀態下，采用機械帶動焊槍沿固定路徑和管道圓周進行運動，從而實現對管道環焊縫進行自動焊接。全自動焊技術從輸出電流、焊接速度、熱量輸入、坡口尺寸等方面最大程度上進行了數字化控制，提高了管道環焊縫焊接質量、焊接效率及焊接穩定性，降低了焊接技術工人的焊接作業勞動強度。缺點是：對管道管口橢圓度、坡口形式、焊接環境等的外部條件處理要求高。

2.1.5 組合自動焊

組合自動焊是對手工焊焊條焊或半自動焊根焊和全自動焊填充蓋面的組合使用方式的稱謂，組合自動焊的發展使全自動焊接在整個焊接過程中提高了使用率，具有使用條件相對全自動焊要求低的優點。

2.2 長輸管道運行中反應的焊接問題

隨著國內管道運行里程的增加，管道發生了多起爆燃事故。事故原因不一，其中也凸顯了管道環焊縫存在的問題，如：中緬天然氣管道、泰青威天然氣管道、西二線東段樟樹—湘潭聯絡線事故調查結果均反應焊縫存在一定的問題。結合上述管道事故反應的環焊縫問題分析得知：長輸管道受地形條件、施工環境等影響，環焊縫易產生的缺陷主要包括裂紋、燒穿、夾渣、氣孔、未焊透、未熔合等。因此提高管道環焊縫質量，降低管道事故率勢在必行。

2.2.1 中緬天然氣管道

依據中石油中緬天然氣管道黔西南州晴隆段“6.10”泄漏燃爆較大事故調查報告，事件的直接起因是由于管線環焊縫脆性斷裂，由此造成了管線內的大量天然氣泄漏，與空氣混合產生了超過爆炸極限的爆炸性混合氣體，爆炸性混合氣體遇到天然氣氣流與管道斷裂處因為強烈摩擦產生的靜電，引起了管道燃燒爆炸。經過調查發現以下幾方面問題：(1)現場焊接質量不符合有關標準規定；(2)管道環焊縫在復雜的組合載荷作用下，出現了脆性斷裂；(3)管道環焊縫現場焊接作業時執行項目焊接工藝規程不到位；(4)施工階段對無損檢測合格標準要求較低；(5)施工現場工程質量管控不嚴。

2.2.2 泰青威天然氣管道

根據泰青威管道“3.20”泄漏著火事故調查報告，事故最直接的原因是事故段管道環焊縫斷裂，主要表現在環焊縫出現了未熔合、氣孔等原始缺陷，管道環焊縫焊接質量較差。運行過程中，在組合載荷作用下，管道破裂，導致天然氣泄漏著火事故。

2.2.3 西二線東段樟樹—湘潭聯絡線

西二線東段樟樹—湘潭聯絡線XTGE052-XTGE053樁間天然氣管道。管道失效的原因為外部原因和內部原因共同作用所致。外部原因為工業園區管道沿線原始地貌為水稻田和魚塘，地基濕軟，工業園在高填方作業時，未對埋地管道進行任何保護，直接回填大量的填方并進行碾壓，使得管道所在地段周圍的土體發生沉陷和側向擠壓，管道上部和測向形成巨大載荷施加在管道上，造成管道受外力過大。內部原因為環向焊口存在缺陷，雖然缺陷處于可接受范圍內，但強度不夠高。

2.3 長輸管道焊接設計

近幾年川氣東送管道、泰青威天然氣輸氣管道、中緬天然氣管線、新大一線、西二線東段樟樹—湘潭聯絡線等長距離輸送管線均出現過管道爆燃事件，根據有關調查報告，產生爆燃事故的原因有：環焊縫存在未熔合缺陷問題、環焊縫存在氣孔缺陷問題、施工管理混亂、焊縫應力集中、第三方災害因素導致管道焊縫斷裂等問題，側面證明了管道焊接過程中現場焊縫焊接質量不滿足相關標準和焊接過程中執行焊接工藝規程不嚴等問題，管線環焊縫在管線所受到的組合載荷的的影像下發生了脆性斷裂，不等壁厚焊接存在強力對口焊接等。

根據長距離油氣輸送管道設計制造有關標準的要求，長輸管線設計內容應包括壁厚相同的直管段焊接、壁厚不同的直管段焊接、壁厚不同的直管段與彎管焊接等多種環焊縫焊接組合，按照類型分為等壁厚焊接和不等壁厚焊接[4]。結合管道焊接施工過程中的焊接實際劃分有以下幾種環焊縫需要特別設計：固定口連頭、返修口、不等壁厚焊口[5]。

2.3.1 固定口連頭焊接

固定口連頭，俗稱碰死口，受管道的連頭位置和不允許回填長度要求，兩側未回填直管段熱脹冷縮對連頭口的影響也很大，在焊接過程中隨著連頭位置環境變化也可能會引起坡口形狀的改變。固定口連頭環焊縫在整個焊接過程中，受到了很大的約束應力，即應力集中。固定口連頭焊接可以采用手工焊、半自動焊、組合自動焊等焊接工藝，根據管道建設環境特點，選取最優的焊接工藝方案，有利于提高固定口連頭焊接質量。

2.3.2 返修口焊接

返修，是針對開展過無損檢驗但不合格的金屬焊縫進行返修焊作業的俗稱。主要考慮返修工藝要求具有對焊接作業環境的適應能力較強，返修作業技術比較靈活，返修焊接產品質量穩定安全等優勢，可以更好地適應不同返修位置的焊接作業。

2.3.3 不等壁厚焊口焊接

不等壁厚環焊縫焊接技術主要表現在隨管道地區等級而發生變化的對焊、管道變向時直管段與熱煨的對焊、大中型穿跨越與一般線路段的連接對焊等。不等壁厚焊接接頭的焊接，一般面臨著以下困難：(1)由于焊接口兩端的鋼管壁厚差異，工人必須具備相當嫻熟的操作技術方可確保薄壁側與等壁厚側環焊縫同時完成；(2)在生產過程中對熱煨彎管和直管的管端橢圓度的要求并不相同，從而造成了熱煨彎管和直管組對焊接時產生了很大的焊接口錯邊量；(3)薄壁鋼管上的射線檢測底片黑點過大，不同限度遮擋了焊趾部位的缺欠，從而形成了錯誤的檢驗結果；(4)薄壁鋼管側的焊趾處，由于在焊口處形成的突變造成了很大的應力集中。因此，不等壁厚焊口的設計影響焊接工藝選擇和焊縫質量。

2.4 長輸管道焊接技術發展方向

隨著國家石油天然氣管網集團有限公司的成立，我國管道建設將迎來新的變化，管道建設的管徑、壓力、鋼級均穩步提升，管道建設水平也正在邁向數字化、智能化。同時隨著社會經濟發展的需要，能源安全的地位將會越來越高，因此管道建設的安全性將是管道建設的重中之重，管道焊接技術水平也將向著自動化方向發展，以提高管道建設水平和管道焊接的穩定性，減少人為因素導致的各類缺陷和問題。

近年來，我國在石油天然氣管道輸送、制造、建設、運營管理等方面均有較大突破。目前已經掌握了易凝高黏原油運輸關鍵技術，并開展了高壓輸送油氣管線斷裂控制技術的研究，研發了使用大口徑高壓高鋼級管道工程建造關鍵技術，并提出了管線的全生命周期及完整性管理和全國油氣管線集中控制等技術。陸上已經建成了西北、東北、西南地區油氣進口通道，因此管道的安全與有效運營成了我國油氣管道的核心主題。但管道的建設與運營管理仍存在著許多挑戰，且相關科技水平還有著很大的提升空間[6]。由此我國長輸管道焊接技術將以安全為前提，向著高鋼級管道焊接、焊接自動化、焊接可靠性和焊接數字化方向發展。

3 結語

我國長輸管道已經建成以陸上油氣管道為主，海底管道為輔的相對完善的能源輸送網絡。我國將在未來一定時期內持續加大長輸油氣管道建設力度，按照國家規劃盡快完善全國骨干管網建設，構建成以海上、陸上相結合，調配靈活合理、安全可靠的長輸管道運輸體系。帶動我國長輸管道焊接技術以安全為前提，向著高鋼級管道焊接、焊接自動化、焊接可靠性和焊接數字化方向發展。