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国内外油气管道焊接技术发展综述中国石油天然气管道局科学研究院 薛振奎 隋永莉0 引言我国的油气资源大部分分布在东北和西北地区，而消费市场绝大部分在东南沿海和中南部的大中城市等人口密集地区，这种产销市场的严重分离使油气产品的输送成为油气资源开发和利用的最大障碍。管输是突破这一障碍的最佳手段，与铁路运输相比，管道运输是运量大、安全性更高、更经济的油气产品输送方式，其建设投资为铁路的一半，运输成本更只有三分之一。因此，我国政府已将“加强输油气管道建设，形成管道运输网”的发展战略列入了“十五”发展规划。根据有关方面的规划，未来10年内，我国将建成14条油气输送管道，形成“两纵、两横、四枢纽、五气库”，总长超过万公里的油气管输格局。这预示着我国即将迎来油气管道建设的高峰期。我国正在建设和计划将要建设的重点天然气管道工程有：西气东输工程，全长4176公里，总投资1200亿元，今年9月正式开工建设，2004年全线贯通；涩宁兰输气管道工程，全长950公里，已于2000年5月开工建设，目前已接近完工，天然气已送到西宁；忠县至武汉输气管道工程，全长760公里，前期准备工作已获得重大进展，在建的11条隧道已有4条贯通；石家庄至涿州输气管道工程，全长202公里，已于2000年5月开工建设，目前已接近完工；石家庄至邯郸输气管道工程，全长约160公里；陕西靖边至北京输气工程复线；陕西靖边至西安输气管道工程复线；陕甘宁至呼和浩特输气工程，全长497公里；海南岛天然气管道工程，全长约270公里；山东龙口至青岛输气管道工程，全长约250公里；中俄输气管道工程，中国境内全长2000公里；广东液化天然气工程，招商引资工作已完成，计划2005年建成。在建和将建的输油管道有：兰成渝成品油管道工程，全长1207公里，已于去年5月开工建设；中俄输油管道工程，中国境内长约700公里；中哈输油管道工程，中国境内长800公里。此外，由广东茂名至贵阳至昆明长达2000公里的成品油管线和镇海至上海、南京的原油管线也即将开工建设。除主干线之外，大规模的城市输气管网建设也要同期配套进行。面对如此巨大的市场，如此难得的发展机遇，对管道施工技术提出了新的挑战。在同样输量的情况下，建设一条高压大口径管道比平行建几条低压小口径管道更为经济。例如一条输送压力为7.5MPa，直径1400mm的输气管道可代替3条压力5.5MPa，直径1000mm的管道，但前者可节省投资35%，节省钢材19%，因此，扩大管道的直径已成为管道建设的科学技术进步的标志。在一定范围内提高输送压力可以增加经济效益。以直径1020mm的输气管道为例，操作压力从5.5MPa提高到7.5MPa，输气能力提高41%，节约材料7%，投资降低23%。计算表明，如能把输气管的工作压力从7.5MPa，进一步提高到1012MPa，输气能力将进一步增加3360%。美国横贯阿拉斯加的输气管道压力高达11.8MPa，输油管道达到8.3MPa，是目前操作压力最高的管道。管径的增加和输送压力的提高，均要求管材有较高的强度。近年来，在保证可焊性和冲击韧性的前提下，管材的强度有了很大提高。由于管道敷设完全依靠焊接工艺来完成，因此焊接质量在很大程度上决定了工程质量，焊接是管道施工的关键环节。而管材、焊材、焊接工艺以及焊接设备等是影响焊接质量的关键因素。1 我国石油天然气管道建设初期焊接工艺应用情况我国在70年代初开始建设大口径长输管道，著名的“八三”管道会战建设了大庆油田至铁岭、由铁岭至大连、由铁岭至秦皇岛的输油管道，解决了困扰大庆原油外输问题。该管道设计管径720mm，钢材选用16MnR，埋弧螺旋焊管，壁厚611mm。焊接工艺方案为：手工电弧焊方法，向上焊操作工艺；焊材选用J506、J507焊条，焊前烘烤400、1小时，3.2打底、4填充、盖面；焊接电源采用旋转直流弧焊机；坡口为60V型，根部单面焊双面成型。东北“八三”会战所建设的管道已运行了30年，至今仍在服役，证明当年的工艺方案正确，并且施工质量良好。80年代初开始推广手工向下焊工艺，同时研制开发了纤维素型和低氢型向下焊条。与传统的向上焊工艺比较，向下焊具有速度快、质量好，节省焊材等突出优点，因此在管道环缝焊接中得到了广泛的应用。90年代初开始推广自保护药芯焊丝半自动手工焊，有效地克服了其他焊接工艺方法野外作业抗风能力差的缺点，同时也具有焊接效率高、质量好且稳定的特点，现成为管道环缝焊接的主要方式。管道全位置自动焊的应用已探索多年，现已有了突破性进展，成功地用西气东输管道工程，其效率、质量更是其他焊接工艺所不能比的，这标志着我国油气管道焊接技术已达到了较高水平。2 管道施工用钢管2.1 管线钢的发展历史早期的管线钢一直采用C、Mn、Si型的普通碳素钢，在冶金上侧重于性能，对化学成分没有严格的规定。自60年代开始，随着输油、气管道输送压力和管径的增大，开始采用低合金高强钢（HSLA），主要以热轧及正火状态供货。这类钢的化学成分：C0.2%，合金元素35%。随着管线钢的进一步发展，到60年代末70年代初，美国石油组织在API 5LX和API 5LS标准中提出了微合金控轧钢X56、X60、X65三种钢。这种钢突破了传统钢的观念，碳含量为0.1-0.14%，在钢中加入0.2%的Nb、V、Ti等合金元素，并通过控轧工艺使钢的力学性能得到显著改善。到1973年和1985年，API标准又相继增加了X70和X80钢，而后又开发了X100管线钢，碳含量降到0.01-0.04%，碳当量相应地降到0.35以下，真正出现了现代意义上的多元微合金化控轧控冷钢。我国管线钢的应用和起步较晚，过去已铺设的油、气管线大部分采用Q235和16Mn钢。“六五”期间，我国开始按照API标准研制X60、X65管线钢，并成功地与进口钢管一起用于管线敷设。90年代初宝钢、武钢又相继开发了高强高韧性的X70管线钢，并在涩宁兰管道工程上得到成功应用。2.2 管线钢的主要力学性能管线钢的主要力学性能为强度、韧性和环境介质下的力学性能。钢的抗拉强度和屈服强度是由钢的化学成分和轧制工艺所决定的。输气管线选材时，应选用屈服强度较高的钢种，以减少钢的用量。但并非屈服强度越高越好。屈服强度太高会降低钢的韧性。选钢种时还应考虑钢的屈服强度与抗拉强度的比例关系屈强比，用以保证制管成型质量和焊接性能。钢在经反复拉伸压缩后，力学性能会发生变化，强度降低，严重的降低15%，即包申格效应。在定购制管用钢板时必须考虑这一因素。可采取在该级别钢的最小屈服强度的基础上提高40-50MPa。钢材的断裂韧性与化学成分、合金元素、热处理工艺、材料厚度和方向性有关。应尽可能降低钢中C、S、P的含量，适当添加V、Nb、Ti、Ni等合金元素，采用控制轧制、控制冷却等工艺，使钢的纯度提高，材质均匀，晶粒细化，可提高钢韧性。目前采取方法多为降C增Mn。管线钢在含硫化氢的油、气环境中，因腐蚀产生的氢侵入钢内而产生氢致裂纹开裂。因此输送酸性油、气管线钢应该具有低的含硫量，进行有效的非金属夹杂物形态控制和减少显微成份偏析。管线钢的硬度值对HIC也有重要的影响，为防止钢中氢致裂纹，一般认为应将硬度控制在HV265以下。2.3 管线钢的焊接性随着管线钢碳当量的降低，焊接氢致裂纹敏感性降低，为避免产生裂纹所需的工艺措施减少，焊接热影响区的性能损害程度降低。但由于焊接时管线钢经历着一系列复杂的非平衡的物理化学过程，因而可能在焊接区造成缺陷，或使接头性能下降，主要是焊接裂纹问题和焊接热影响区脆化问题。管线钢由于碳含量低，淬硬倾向减小，冷裂纹倾向降低。但随着强度级别的提高，板厚的加大，仍然具有一定的冷裂纹倾向。在现场焊接时由于常采用纤维素焊条、自保护药芯焊丝等含氢量高的焊材，线能量小，冷却速度快，会增加冷裂纹的敏感性，需要采取必要的焊接措施，如焊前预热等。焊接热影响区脆化往往是造成管线发生断裂，诱发灾难性事故的根源。出现局部脆化主要有两个区域，即热影响区粗晶区脆化，是由于过热区的晶粒过分长大以及形成的不良组织引起的，多层焊时粗晶区再临界脆化，即前焊道的粗晶区受后续焊道的两相区的再次加热引起的。这可以通过在钢中加入一定量的Ti、Nb微合金化元素和控制焊后冷却速度获得合适的t8/5来改善韧性。2.4 西气东输管道工程用钢管西气东输管道工程用钢管为X70等级管线钢，规格为1016mm14.626.2mm，其中螺旋焊管约占80%，直缝埋弧焊管约占20%，管线钢用量约170万吨。X70管线钢除了含Nb、V、Ti外，还加入了少量的Ni、Cr、Cu和Mo，使铁素体的形成推迟到更低的温度，有利于形成针状铁素体和下贝氏体。因此X70管线钢本质上是一种针状铁素体型的高强、高韧性管线钢。钢管的化学成分及力学性能见表1和表2。表1 西气东输管道工程X70管线钢典型化学成分厂家CSiMnCrMoNiNbVTiCuPSPcmCeq宝钢0.050.201.560.0260.210.140.0450.0320.0160.180.0140.00290.170.39武钢0.050.211.550.0210.270.230.0470.0380.0180.210.0100.00220.180.41住友0.070.151.620.020.010.200.0350.050.0220.280.0110.0010.180.39德国0.080.271.570.060.010.030.040.070.0130.030.0110.0010.190.37要求值0.090.351.650.250.300.300.080.060.0250.300.0200.0050.210.42注：Mn的允许最大含量在C含量每减少0.01%可以增加0.05%，但在产品分析中Mn含量不得超过1.75%。Cr+Mo+Mn的总含量不应超过Mn的最大允许含量+0.20%。表2 西气东输管道工程X70管线钢典型力学性能生产厂壁厚（mm）取样位置屈服强度（MPa）抗拉强度(MPa)伸长率(%)冲击韧性屈强比宝钢14.6横向52564437341J-200.82武钢14.6横向53965942402J-200.82日本住友21横向53262740.9297-200.85德国21横向50760740.5267-200.84要求值485-620570与壁厚有关140-200.903 焊接工艺3.1 现场焊接的特点由于发现和开采的油气田地处边远地区，地理、气候、地质条件恶劣，社会依托条件较差，给施工带来很多困难，尤其低温带来的麻烦最大。现场焊接时，采用对口器进行管口组对。为了提高效率，一般是在对好的管口下放置基础梁木或土堆，在对前一个对接口进行焊接的同时，开始下一个对接准备工作。这将产生较大的附加应力。同时由于钢管热胀冷缩的影响，在碰死口时最容易因附加应力而出问题。现场焊接位置为管水平固定或倾斜固定对接，包括平焊、立焊、仰焊、横焊等焊接位置。所以对焊工的操作技术提出了更高、更严的要求。当今管道工业要求管道有较高的输送压力和较大的管线直径并保证其安全运行。为适应管线钢的高强化、高韧化、管径的大型化和管壁的厚壁化出现了多种焊接方法、焊接材料和焊接工艺。3.2 管道施工焊接方法国外管道焊接施工经历了手工焊和自动焊的发展历程。手工焊主要为纤维素焊条下向焊和低氢焊条下向焊。在管道自动焊方面，有前苏联研制的管道闪光对焊机，其在前苏联时期累计焊接大口径管道数万公里。它的显著特点就是效率高，对环境的适应能力很强。美国CRC公司研制的CRC多头气体保护管道自动焊接系统，由管端坡口机、内对口器与内焊机组合系统、外焊机三大部分组成。到目前为止，已在世界范围内累计焊接管道长度超过34000Km。法国、前苏联等其他国家也都研究应用了类似的管道内外自动焊技术，此种技术方向已成为当今世界大口径管道自动焊技术主流。我国钢质管道环缝焊接技术经历了几次大的变革，七十年代采用传统焊接方法，低氢型焊条手工电弧焊上向焊技术，八十年代推广手工电弧焊下向焊技术，为纤维素焊条和低氢型焊条下向焊，九十年代应用自保护药芯焊丝半自动焊技术，到今天开始全面推广全位置自动焊技术。手工电弧焊包括纤维素焊条和低氢焊条的应用。手工电弧焊上向焊技术如图1所示，它是我国以往管道施工中的主要焊接方法，其特点为管口组对间隙较大，焊接过程中采用息弧操作法完成，每层焊层厚度较大，焊接效率低。手工电弧焊下向焊如图1所示，是八十年代从国外引进的焊接技术，其特点为管口组对间隙小，焊接过程中采用大电流、多层、快速焊的操作方法来完成，适合于流水作业，焊接效率较高。由于每层焊层厚度较薄，通过后面焊层对前面焊层的热处理作用可提高环焊接头的韧性。手工电弧焊方法灵活简便、适应性强，其下向焊和上向焊两种方法的有机结合及纤维素焊条良好的根焊适应性在很多场合下仍是自动焊方法所不能代替的。图2所示为下向焊流水作业平面布置图。自保护药芯焊丝半自动焊技术是九十年代开始应用到管道施工中的，主要用来填充和盖面。其特点为熔敷效率高，全位置成型好，环境适应能力强，焊工易于掌握，是目前管道施工的一种重要焊接工艺方法。随着管道建设用钢管强度等级的提高，管径和壁厚的增大，在管道施工中逐渐开始应用自动焊技术。管道自动焊技术由于焊接效率高，劳动强度小，焊接过程受人为因素影响小等优势，在大口径、厚壁管道建设的应用中具有很大潜力。但我国的管道自动焊接技术正处于起步阶段，根部自动焊问题尚未解决，管端坡口整形机等配套设施尚未成熟，这些都限制了自动焊技术的大规模应用。a 手工电弧焊下向焊 b 手工电弧焊上向焊图1 手工电弧焊下向焊、上向焊示意图123456789101112H1H2H33H4H55H6H77H8修口对口检查预热根部焊清理予热焊清理填充焊清理盖面焊清理检查P1P2P3P4P5P6图2 下向焊流水作业平面布置图目前自动焊根焊主要采用STT半自动焊。STT半自动焊属于CO2气体保护焊，它是通过精确的基值和峰值电流和电压控制，使熔滴过渡更利于成型，焊接过程稳定，解决了飞溅问题和大口径管道根部焊环节单面焊双面成型的难题。3.3 西气东输管道工程中应用的焊接方法由于西气东输线路工程用钢管的强度等级较高，管径和壁厚较大，所以线路施工以自动焊和半自动焊为主，手工焊为辅。所涉及的主要焊接方法有熔化极气体保护电弧焊（GTAW）,自保护药芯焊丝电弧焊（FCAW）和手工电弧焊（SMAW）。自动焊方法包括：内焊机根部焊+自动外焊机填充、盖面；STT气保护半自动焊部根焊+自动外焊机填充、盖面；纤维素焊条手工电弧焊根部焊+外焊机自动焊填充、盖面。这几种焊接方法的区别在于根部焊方法的不同。图3所示为自动焊焊接过程。针对管道局自动外焊机PAW-2000、英国自动外焊机NOREAST，集团公司工程技术研究院自动外焊机APW-分别进行了焊接工艺性能试验。试验结果表明，对于大口径、厚壁钢管，采用自动焊的方法焊接具有十分明显的优势，劳动强度大大降低，焊接效率显著提高。试验还表明，自动外焊技术对坡口形状及管口组对要求严格，现场施工必须具备内对口器、管端坡口整形机等配套机具。另外，采用手工焊或半自动焊方法进行根部焊时，由于管口组对间隙不同造成坡口形状、尺寸不一致，自动外焊机填充、盖面时就极易形成坡口边缘未熔合，从而制约了自动外焊机优势的发挥。半自动焊方法为纤维素型焊条手工下向根部焊，自保护药芯焊丝半自动焊填充、盖面。手工电弧焊方法为纤维素型焊条下向焊根部焊，低氢型焊条下向焊填充、盖面。 a 自动内焊机根焊过程 b 自动外焊机填充、盖面过程图3 自动焊焊接过程4 焊接材料及焊接设备管道焊接施工中采用的焊接材料有纤维素型焊条、低氢型焊条、自保护药芯焊丝和CO2气保护实芯焊丝。纤维素型下向焊条的药皮中含有30%-50%的有机物，具有极强的造气功能，在保护电弧和熔池的同时增加了电弧吹力，适合于全位置单面焊双面成型。低氢型下向焊条的药皮中含有铁粉，可增加熔敷效率，提高焊接接头力学性能，适用于山区、水网等地形复杂或焊接自动化程度要求不高的场合。自保护药芯焊丝由药芯高温分解释放出的大量气体对电弧及熔池进行保护，同时通过熔渣对熔池及凝固焊缝金属进行保护，是管道施工的一种重要的焊接材料。CO2气保护实芯焊丝主要用于STT半自动焊和全位置自动焊。过去管道焊接施工中采用的纤维素型焊条和低氢型焊条主要依靠进口，如美国LINCOLN焊材，奥地利BOHLER焊材，瑞典ESAB焊材，日本KOBE焊材，法国SAF焊材，以及美国HOBART焊材等，目前四川大西洋、天津金桥等公司也相继开发了管道下向焊用纤维素型焊条焊条。管道施工中采用的自保护药芯焊丝主要为美国LINCOLN和HOBART的产品。适合的CO2气保护实芯焊丝主要来源于台湾锦泰，四川大西洋，法国SAF，日本神钢、助友等焊材生产厂家。为保证西气东输线路工程环焊接头的强韧性，经工艺试验选择使用了表3所示的焊接材料。表3 西气东输线路工程试验段使用焊材情况焊材类别焊材标准号用途纤维素型焊条AWS A 5.1 E6010手工电弧焊根焊AWS A 5.5 E8010-G手工电弧焊热焊低氢型焊条AWS A 5.5 E8018-GAWS A 5.5 E8018-Pl手工电弧焊填充焊、盖面焊自保护药芯焊丝AWS A 5.29 E71T8-K6AWS A 5.29 E71T8-Ni2半自动焊填充焊、盖面焊CO2气保护实芯焊丝AWS A 5.18 ER70S-6AWS A 5.18 ER70S-GSTT半自动根焊或内焊机根焊AWS A 5.18 ER70S-GAWS A 5.18 ER80S-G自动外焊机用填充、盖面使用一般的直流焊机进行纤