山区大口径高强钢管道焊接技术_刘小峰

山区大口径高强钢管道焊接技术 刘小峰 罗顺友 中国石油天然气管道局第三工程分公司 河南 郑州 451450 摘要 西气东输二线 东段 工程管材选用 X80 级高强管线钢 第 18 标段管道沿线地形起伏较 大 受地形限制 弯头 弯管使用量较大 施工作业空间狭小 给施工带来难度 因此管线建设难 度相对较大 由于地形复杂 在焊接技术上 既要满足钢材的可焊性和焊缝的各项性能 又要保证 焊工在山区焊接的可操作性 因此必须采用合适的焊接工艺 焊接材料 焊接设备及注意事项 主题词 山区 大口径 高强钢 焊接 西气东输二线工程作为我国天然气四大进口战略通道中的西北通道 西气东输二线 东段 工 程干线管道为中卫联络站 广州末站段干线 全长约 2477km 设计压力 10MPa 干线管径 1219mm 壁厚范围从 15 3mm 31mm 选用 X80 级高强管线钢 X80 钢是一种超低碳 微合金 的高强钢 中国的 X80 钢从 2003 年开始开发 在西气东输二线上进行了大规模的使用 第 18 标段位于三门峡境内 管道沿线地形地貌主要为河川谷地 阶地 低山 丘陵 黄土丘陵 黄土台塬 其中低山 黄土丘陵地段地形起伏较大 沟壑发育 管线常常要翻越冲沟 沟谷 陡坡 管线在青龙涧 苍龙涧等地穿越数十条冲沟 冲沟陡而深 受地形限制 弯头 弯管使用量较大 施工作业空间狭小 给施工带来难度 因此管线建设难度相对较大 由于地形复杂 在焊接技术上 既要满足钢材的可焊性和焊缝的各项性能 又要保证焊工在山区焊接的可操作性及安全生产 因此 必须采用合适的焊接工艺 焊接材料及焊接设备 1 焊接工艺的选择焊接工艺的选择 1 1 根焊根焊 目前在长输管道施工中一般采用手工电弧焊 STT 半自动焊及自动焊 由于地形复杂 不宜采用自动焊 因此在主线路施工时采用 STT 半自动焊进行根焊 STT 半自动焊通过精确的基值 和峰值电流和电压控制熔滴过渡成型 采用表明张力进行过渡 线能量输入较小 飞溅较少 焊接 过程稳定 单面焊双面成型 焊接速度快 焊道光滑 焊接完成后清根方便 而在连头和返修时由 于组对尺寸或坡口不规则 所以采用手工电弧焊上向焊 以大的熔深和宽度取得良好的接头 1 2 填充和盖面焊填充和盖面焊 目前 半自动下向焊接工艺在国内应用已经非常成熟 因此 对于主线路和连头 均采用半自动下向焊方法进行 而对于返修焊 则采用手工焊下向焊进行 1 3 焊接工艺参数焊接工艺参数 1 3 1 主线路 STT 根焊 GMAW 自保护药芯焊丝下向焊 FCAW S 焊接工艺参数 焊道 工艺 焊丝直径 mm 电流 极性 电 流 A 电 压 V 焊接速度 cm min 送丝速度 in min 气体流量 L min 根焊 STT GMAW 1 2 直流 反接 峰值电流 350 450 基值电流 50 65 14 1818 35 130 160 20 35 填充焊 FCAW S 2 0 直流 正接 200 28018 2215 28 85 120 盖面焊 FCAW S 2 0 直流 正接 180 24018 2012 26 80 95 注 保护气体为 100 CO2 纯度 99 5 含水量 0 005 1 3 2 连头 手工电弧焊 SMAW 自保护药芯焊丝下向焊 FCAW S 焊接工艺参数 焊道 工艺 焊材直径 mm 电流 极性 电 流 A 电 压 V 焊接速度 cm min 送丝速度 焊接方向 根焊 SMAW 3 2 直流 正接 90 12018 248 12 上向 填充焊 FCAW S 2 0 直流 正接 200 28018 2225 35 85 120 下向 盖面焊 FCAW S 2 0 直流 正接 180 24018 2020 30 80 95 下向 1 3 3 返修 焊条电弧焊 SMAW 焊接工艺参数 焊道 工艺 焊材直径 mm 电流 极性 电 流 A 电 压 V 焊接速度 cm min 焊接方向 根焊 SMAW 3 2 直流 正接 90 12018 246 12 上向 填充焊 SMAW 4 0 直流 反接 180 24019 278 16 下向 盖面焊 SMAW 4 0 直流 反接 170 24018 267 15 下向 2 主要焊接及附属设备的选择主要焊接及附属设备的选择 2 1 电力供给设备电力供给设备 由于是在野外施工 并且是在山区 因此采用所选用的移动电站要求性能可靠 维护方便及操 作简便 同时需要具有良好的通过性 灵活性及制动性 自载的发电机可以提供 80 或 100KVA 的 优质电源 可以满足 2 4 台焊机或中频加热器及提供动力 照明使用 其提供的恒电压和电流 在 其中的电焊机起弧 短弧时其它点焊机不会受波动影响 为了满足山区施工安全需要 应选用履带式 液压驱动底盘的移动电站 从而提高电站在坡道上的制动能力 能更好的适应山地等复杂作业环境 底盘采用全钢性船底形结构 液压双回路驱动 2 2 焊接电源的选择焊接电源的选择 2 2 1 STT 根焊时采用的设备应具有 STT 表面张力过渡 特性的直流焊接电源 目前一般使用的 是美国林肯公司生产的 Invertec STT 焊接电源 配相应的送丝机为该公司的 LN 742 四轮驱动 送丝机 2 2 2 自保护药芯焊丝填充盖面焊的设备应具有平外特性的直流焊接电源 目前一般采用美国林肯公 司的 Invertec DC 400 该焊机性能优良 具有平外特性和下降特性 广泛应用于 MIG 焊接 药芯 焊丝焊接 埋弧焊 手工焊以及直流氩弧焊工艺 采用多功能开关即可在相互功能间进行转换 配 相应的送丝机为该公司的 LN23P 2 2 3 手工焊的设备应具备下降外特性 林肯 DC 400 即可满足要求 2 3 附属设备的选择附属设备的选择 2 3 1 中频加热器 采用管道三公司自行研制的大口径 IGEBT 管道管口中频加热设备 该管道感应 加热成套设备由管道感应加热电源装置 安装在自行电站内 桥架式感应加热器及管道软加热带 组成 此设备在西二线西段使用中 性能稳定 加热质量高 在管口加热过程中升温速度快 升温 能力达每分钟 50 摄氏度 2 3 2 环形火焰加热器 作为中频加热器的补充 在移动电站不能近距离到达的地方使用 3 焊接材料的选用焊接材料的选用 3 1 根焊根焊 STT 焊材焊材 选用国产的锦泰焊丝 焊丝标准为 ER70S G 采用牌号为 JM58 该焊丝由于 加入了适量的 Ti 适用于大电流焊接下飞溅小 熔敷效率高 同时细化晶粒 增加冲韧性 3 2 根焊手工焊焊材根焊手工焊焊材 低氢型焊条 E7016 牌号采用日本神钢低氢型焊接低碳钢及 490N MM2 级高 强钢的材料 LB52U 可实现单面焊双面成型 3 3 填充药芯半自动焊焊材填充药芯半自动焊焊材 使用低氢型药芯焊丝 E81T8 Ni2 E81T8 G 采用牌号为 HOBART FABSHIELD X80 该焊丝电流通过密度大 熔敷速度快效率高 综合成本低 焊丝的焊接工艺性能 优良 电弧稳定 全位置成型好 抗风能力强 适宜野外施工 在长输管道施工中是一种成熟的焊 接材料 3 4 填充盖面手工焊焊材填充盖面手工焊焊材 E10018 G BOLE BOHLER FOX BVD100 4 主线路焊接施工的技术要求主线路焊接施工的技术要求 4 1 施工方法 施工方法 本标段很大部分地段在山区段进行施工 施工难度大 管线焊接以沟下半自动焊接为 主 手工焊配合连头与返修 可选用外对口器或内对口器进行施工 对于管线横切山坡施工 采取 开挖修筑作业带 沟下焊接的施工方法 对于纵坡小于 10 的山区施工 采取吊管机在作业带内布 管 焊接的施工方法 对于纵坡大于 10 小于 20 的山区施工 采取吊管机在管沟内边布管边焊 接的施工方法 4 2 组对坡口尺寸及清理组对坡口尺寸及清理 4 2 1 坡口组对尺寸 4 2 2 坡口的清理 组对的管口应完好无损 管端 100mm 进行清理 要求无铁锈 油污 油漆 毛 刺 管端螺旋焊缝或直缝余高打磨 并平缓过渡 错边量沿周长均匀分布 错边量不大于壁厚的 1 8 且小于 3mm 4 3 预热预热 整个焊口预热能减缓焊后的冷却速度 这样 一方面降低了焊接应力 另一方面 降低了 焊接应变速率 有利于焊缝金属中扩散氢的逸出 避免产生氢致裂纹 同时也减少焊缝及热影响区 的淬硬程度 提高了焊接接头的抗裂性 为确保管口加热均匀和方便施工 一般地段采用环型火焰 加热器或中频加热器进行预热 管口预热温度为 100 200 温度测量采用数字显示红外线测温仪 预热完成后应立即进行根焊道的焊接 4 4 焊接焊接 4 4 1 焊接层次 根据管道壁厚 确定不同壁厚管道的焊接顺序见下表 壁厚 mm 根焊 填充焊 立填焊 盖帽焊 15 3 1 3 0 或 1 1 18 4 1 4 1 1 22 0 1 5 6 1 1 4 4 1 焊接施工 1 每层焊道由两名焊工 根焊可由三名焊工进行焊接 在管口两侧对称同时起弧自管顶向管底施焊 起弧时为防止电火花击伤母材 应采取专用地线卡与管道接触 焊道的起弧或收弧处应相互错开 30mm 以上 严禁在坡口以外的钢管表面起弧 必须在每层焊道全部完成后 才能开始下一层焊道 的焊接 2 根焊道焊接后 禁止校正管子接口的错边量 使用内对口器时 应在根焊完成后拆卸移动对口器 移动时 管子应保持平衡 使用外对口器 撤离前完成根焊的 50 以上 且焊完的焊道沿管周长均 匀分布 3 根焊完成后 由专职砂轮工用电动砂轮机修磨清理根焊道表面的熔渣 飞溅物 缺陷及焊缝凸高 修磨时不得伤及钢管外表面的坡口形状 4 焊接时根焊必须保证熔透 背面成型良好 根焊结束后立即采用半自动进行热焊 第一层填充 焊 其它层间间隔也不宜过长 使用直接短路引弧法进行引弧 填充焊接时 由于坡口宽度的增 加 焊丝要作适当的摆动 为避免发生熔池满溢 气孔和夹渣等缺陷 焊接速度要控制适当以保持 熔池前移 每遍焊完后认真清渣 清除缺陷后再进行下一道工序 盖面焊前坡口应填满 剩余坡口 深度不应大于 1 6mm 5 盖面焊 根据实际情况可以单道焊也可以采用多道焊 焊后余高不超过 1 6mm 当日焊口当日完 成 如果因特殊原因焊口不能一次性完成时 焊口焊缝填充金属厚度不得小于管子壁厚的 2 3 并 且未完成焊口应用防潮保温带盖好 重新开始焊接前 应加热焊口至规定预热温度 该焊口焊接作 业应在 24 小时内完成 4 6 焊后保温 4 6 焊后保温 4 6 1 焊后先不打药皮 这样可起到焊道缓冷的作用 待焊道完全冷却后再敲掉药皮 把焊道清理 干净 4 6 2 当环境温度低于焊接工艺规程的要求时 应采取焊后在焊道上加盖保温被的措施以防止焊道 急骤降温 采用石棉被保温被进行焊道保温缓冷 4 7 焊缝的外观检查焊缝的外观检查 管道对接焊缝焊接完毕后 均进行 100 外观检查 其外观检查符合下列规定 4 7 1 焊缝外观成型均匀一致 焊缝及其附近表面上不得有裂纹 未融合 气孔 夹渣 飞溅等缺 陷 4 7 2 焊缝与母材平滑过渡 焊缝表面余高 0 1 6mm 局部不大于 2mm 超标部分进行打磨 打磨 后与母材圆滑过渡 打磨时不得伤及母材 4 8 焊接环境要求 焊接环境要求 焊时应保持焊接区不受恶劣天气影响 下列情况下如果未采取有效保护措施 不得进行焊接作业 4 8 1 雨天或雪天 4 8 2 大气相对湿度超过 90 允许施焊的环境湿度应小于 90 当环境湿度较大时 应采取必要的 加热措施将管口烘干 具体方法同管口预热方法 4 8 3 风速超过 2m s 气体保护焊 风速超过 8m s 药皮焊条手工电弧焊 风速超过 11m s 药 芯焊丝自保护焊 风速超过焊接要求时 对于半自动焊接 如 STT 根焊亦采用与全自动焊相同的防 风棚 对于药芯焊丝半自动填充 盖面焊接时 由于药芯焊丝半自动焊抗风能力达到 8m s 故采用 轻型简易防风棚 4 8 4 环境温度低于焊接工艺规程中规定的温度时 不但要对管口进行预热 还应对焊道进行焊后 保温 冬季施工环境温度低 焊件散热快 如果不进行层间加热 焊接所形成的氧化物 熔渣将阻 碍金属间的充分熔合 形成未熔合或夹渣缺陷 因此施工中 应对每道焊口采取层层加热 保证层 间温度 还必须进行焊后保温 结束语结束语 安全安全 西气东输二线东段工程第 18 标段的线路工程部分在黄土塬山区施工没有出现任何安全事故 焊 接 RT 一次合格率为 98 78 UT 一次合格率 100 圆满实现了制定的质量目标 同时三个半自动焊 接机组创下了 1219mm 管径日焊接 95 道口的全线同类地段焊接记录 单个半自动焊接机组在不同 时期先后创下日焊接 38 道口 40 道口 45 道口 一次合格率 100 的全线纪录 第 18 标段在工程 施工的各个领域共获得了 16 项全线第一 焊接质量 速度领跑西二线东段 达到了国际先进水平 为西气东输二线东段全线各项工作的开展与提速起到了领军和