长输管道建设与焊接设备

长输管道建设与焊接设备中国石油天然气管道局科学研究院焊接技术中心副主任隋永莉等 1 我国长输管道工程建设概况 目前，我国正经历着一个管道建设的高峰期，从2000年至今，已建成的或正在兴建中的管线有：哈萨克斯坦至中国原油管线、兰州至善鄯原油成品油管线、靖边至北京天然气复线、西气东输天然气管线、西气东输冀宁支线天然气管线、涩北至西宁至兰州天然气管线、兰州至成都至重庆成品油管线、茂名至昆明成品油管线、忠县至武汉天然气管线、宁波至上海至南京进口原油管线、环珠江三角洲液化天然气管线、镇海至萧山成品油管线以及平湖至上海的海底天然气管线等。正准备兴建的管道还有哈萨克斯坦至中国天然气管线、中俄天然气管线、中俄原油管线，远景规划可能有土库曼斯坦至中国的天然气管线、西西伯利亚至中国天然气管线，等等。 管道作为运输行业中一个单独的系统，一旦建成、投产，就是连续运行的。由于管道深埋于地下，运行中不易发现潜在的危险，因而对地面建筑物或区域长期构成威胁，尤其是天然气、煤气、LPG等易燃气体管道，其威胁程度更大。所以，确保管道建设质量对其安全运行和使用寿命是非常重要的。 2 长输管道建设特点对焊接设备应用的影响 长输管道建设的特点主要表现在施工现场不固定，施工环境复杂多变，施工固定条件不稳定，全位置焊接操作，和应用的焊接工艺种类多等几个方面。这些特点影响着焊接施工用焊接设备的选型。 2.1 管道建设属于野外施工，其作业点沿着管道的走向不断迁移，焊接采用流水作业或单兵作业的方式。因此，焊接设备也需要随着作业地点的改变而不断移动，这就对焊接设备的质量、体积、抗震等方面有所要求。 2.2 一条长输管道的建设过程中可能会遇到多种人文环境、地形地貌和气候环境。因此，焊接设备将会面临着各种各样的地质条件和气候环境考验。 2.3 为提高管道建设速度，需要尽量缩短管口组对和根部焊接的时间，即在前一道焊口完成根部焊接进行热焊的同时，进行下一道焊口的管口组对，这样管子的固定是不稳定的，会产生一定的附加应力。因此，选择根焊焊接设备和焊接工艺的原则就是尽量快速地实现单面焊双面成型，并保证根焊层的厚度。 2.4 由于钢管是水平固定的，管道焊接施工都是全位置的焊接操作。这对焊接设备、焊接材料和焊工操作水平都提出了较高的要求。 2.5 在不同地形地貌、不同气候条件，不同管径、不同壁厚和不同施工技术能力等条件下，管道施工的焊接工艺选择是多种多样的。目前管道建设过程中采用的焊接工艺主要有纤维素型焊条下向电弧焊（SMAW），低氢焊条下向电弧焊（SMAW），自保护药芯焊丝半自动电弧焊，高性能焊机的CO2气体保护半自动焊或自动焊。现场应用的焊接设备应能够适应上述一种或多种焊接工艺。 3 长输管道建设对焊接设备的要求 长输管道建设大多地处偏远地区，社会依托条件较差。图1所示为长输管道山区施工，图2所示为长输管道水网施工，图3所示为长输管道戈壁无人区施工，图4所示为长输管道寒冷地区施工。 图1 长输管道山区施工 图2 长输管道水网施工 图3 长输管道戈壁无人区施工 图4 长输管道寒冷地区施工 为了能够满足各种条件下管道焊接施工的要求，保证焊接质量，节约施工成本，要求焊接设备具备下列特点： 3.1 环境适应能力强，可靠性高 我国西部地区多为戈壁和荒漠，冬季严寒，夏季炎热，风沙大，昼夜温差大；西北部地区多为高原和丘陵，大气压力低、空气密度小；中部地区主要为山脉、黄土和山间平原，山势陡峭，河谷弯曲，地形起伏大；东、南部地区则是高温、多雨、潮湿的气候条件。因此，焊接设备应具备良好的环境适应性，抗严寒，耐高温，抗颠簸，防潮，耐风沙，耐高原缺氧等。 野外施工时，每天的焊接时间长达10-12小时，焊接设备一旦发生故障，将极大地影响施工成本，尤其是流水作业方式的施工，会发生大面积的窝工现象。因此，管道现场焊接施工更愿意选择功能简单，可靠性高的专机类设备组合成为一套的施工设备和机具。 目前，焊接设备的发展趋于多功能化和数字化，一机多用，智能调节，但这类设备却常常因为可靠性达不到野外施工的要求而搁置不用。 3.2 工艺适应性好 针对长输管道建设常用的几种焊接工艺，焊接设备应具有良好的工艺适应性，保证引弧和再引弧容易，电弧燃烧稳定，焊接规范稳定，具有足够宽的焊接规范调节范围。对于纤维素型焊条焊接，还应保证小电流全位置焊接操作时引弧容易，飞溅小，有足够大的电弧推力利于单面焊双面成型。对于自保护药芯焊丝半自动焊，应保证送丝平稳，飞溅小。对于CO2或富氩气保护自动焊，焊接电源应具有热起弧和电流衰减功能，应能保证每台焊接电源的外特性曲线一致，整套设备操作方便，焊接规范易于修改。 3.3 控制面板简单易懂，调节方便 管道焊接施工既有平原大机组流水作业，也有山区小机组流水作业，还有沟下或水网地带单兵作业。在这些不同的作业方式中，有的焊工需要完成一道焊口从根焊到盖面的全部焊接操作，有的则需要完成其中某几层的焊接操作，还有的只需要完成其中一层的焊接操作。由于施工作业面宽，焊接点分散，技术人员不可能对每一台焊接设备进行调节，为此，焊接设备的控制面板应易于理解，方便调节。 4 长输管道建设中焊接设备的使用情况 目前，管道焊接施工中使用的焊接设备主要为适合于纤维素焊条、低氢焊条和自保护药芯焊丝的逆变式直流电源和适合于CO2焊的脉冲直流电源。 4.1 纤维素焊条用焊接设备 纤维素焊条的焊接电流值较小（60-120A），电压值较大（30-35V）。使用一般的直流焊机进行焊接，在小电流时易出现断弧、粘条、电弧不稳等问题。目前，针对纤维素焊条焊接而研制开发的焊接电源种类很多，有国内的，也有国外的，但在长输管道建设中得到成功应用的并不多。管道焊接施工中常用的焊接电源有美国林肯公司的DC-400，济南奥太集团的ZX7-400ST，另外美国MILLER公司的XMT-304，北京时代集团公司的ZX7-400B(PE21-400)等焊接电源也有应用。 4.2 低氢型焊条用焊接设备 与其它几种管道焊接设备相比，低氢型焊条对弧焊设备的要求较低，一般的直流弧焊设备即可满足要求。在长输管道建设中，一般采用与纤维素焊条焊接相同的焊接电源。 4.3 自保护药芯焊丝用焊接设备 自保护药芯焊丝的焊接电流值较大（150-260A），电压值较小（17-21V），焊接过程中要求送丝速度平稳。管道焊接施工中使用较多的焊接设备有美国LINCOLN公司的DC-400直流电源匹配LN-23P送丝机，四川熊谷D7-500电源匹配XG-90系列送丝机，另外可以选择MILLER公司的XMT304直流电源匹配S-32P送丝机。 4.4 CO2气保护焊用焊接设备 CO2气保护半自动焊常常用来完成焊口根部的单面焊双面成型，自动焊则用来完成从根焊到盖面的全部焊接过程。在半自动焊的情况下，具有脉冲功能的焊接电源匹配送丝平稳的送丝机构，更容易保证全位置的焊接操作和焊缝成型。自动焊的情况下，则还要求焊接电源的外特性曲线能够与控制系统的控制特性相协调。 目前使用较多的半自动焊设备为美国LINCOLN公司的STT型逆变电源匹配LN-742送丝机。自动焊设备中，PAW2000自动焊机配备的是ULTRA FLEX PULSE 350和LINCOLN DC400焊接电源，NOREAST、RMS和CRC自动焊机配备的是LINCOLN DC400焊接电源。 5 长输管道用焊接设备的发展 （1）我国长输管道建设以纤维素焊条下向焊和自保护药芯焊丝半自动焊为主。与国外相比，这两种工艺相对应的焊接设备技术国内已比较成熟，但在现场应用的工艺适应性和可靠性方面还有很多的工作要做。 （2）随着管道建设用钢管强度级别的不断提