长输油气管道焊接方法选用原则

1、2014 年 8 月 第 33 卷 第 8 期设计与施工文章编号：1000-8241（2014）08-0885-06长输油气管道焊接方法选用原则樊学华 庄贵涛 李向阳 于勇 陈丽娟 柯特中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京 100085摘要：管道工程建设对焊接质量、焊接效率和焊接技术水平的要求越来越高，合理选择焊接方法至 关重要。系统梳理了目前长输油气管道建设常用的焊接方法，包括焊条电弧焊（SMAW）、钨极氩弧 焊（GTAW）、半自动焊、自动焊，总结了其性能特点、优势不足和适用条件，参考国内重要管道工程 的实际应用案例，考虑管材等级、直径、壁厚、输送介质、施工环境等因素，提出了长输

2、油气管道焊接 方法选择的一般性原则，为长输油气管道的建设施工提供了有价值的参考。（图 1，表 2，参 26） 关键词：长输油气管道；焊接方法；焊材；选用原则中图分类号：TE53文献标识码：Adoi：Selection principle for welding process of long-distance oil and gas pipelineFAN Xuehua, ZHUANG Guitao, LI Xiangyang, YU Yong, CHEN Lijuan, KE TeChina Petroleum Engineering Co. Ltd. Beijing Company, Be

3、ijing, 100085Abstract: Pipeline construction increasingly calls for higher welding quality, efficiency and technology. Therefore, it is essential to choose a reasonable welding process. In this paper, common welding processes of long-distance oil and gas pipelines are systematically coalesced, inclu

4、ding shielded metal arc welding (SMAW), gas tungsten arc welding (GTAW), semi-automatic welding, and automatic welding, and their characteristics, advantages and applicable conditions are summarized. Moreover, based on practical applications in some major pipeline projects in China, and considering

5、the material grade, diameter, wall thickness, transmission medium, construction environment and other factors, general principles for selecting welding process of long-distance oil and gas pipeline are proposed, which provide a valuable reference to the construction of long-distance oil and gas pipe

6、lines. (1 Figure, 2 Tables, 26 References)Key words: long-distance oil and gas pipeline, welding process, welding material, selection principle随着世界经济的高速发展，各国对石油和天然气 的需求不断增长，在此背景下，油气管道以其安全、经 济、专能、高效等优势而得到蓬勃发展。今后 10 年， 世界管道长度预计将以年均 7 的速度递增，管道 建设整体处于高峰期。“十二五”期间，中国石油集 团公司拟建管道长度是“十一五”期间的两倍，达到 5.4104 km，到

7、 2015 年，中国油气管道总长度预计达到 14104 km。 长距离、大管径、高强度、耐腐蚀以及高压力输送正逐步成为陆上长输油气管道的发展方向，我国管线 钢逐渐从 X42 发展至 X80，而焊接是长输油气管道建 设工程的关键工序之一，其制约着管道建设的质量、效 率和安全。焊接方法的合理选择，对于提高管道建设 效率和质量具有极其重要的意义。1长输油气管道主要焊接方法1.1 焊条电弧焊（SMAW）焊条电弧焊1-12是利用电弧放电产生的热量将焊 条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝的过程。该方 法适应性强、设备简单、操作灵活、移动方便，同时对现 场操作的要求较低，是长输管道焊接中最常见的焊接 工艺1

8、，4，8。依焊接方向和焊条不同，可分为纤维素焊 条下向焊、低氢焊条下向焊、低氢焊条上向焊、组合焊 接 4 种方法。1.1.1 纤维素焊条下向焊纤维素焊条下向焊是目前国内长输管道普遍采用 的焊接工艺，其根焊适应性强，具有单面焊双面成型的 特性，普遍用于混合焊接工艺中的根焊，也可用于填充网络出版时间：2014-3-31 17:41:00网络出版地址：885设计与施工2014 年 8 月 第 33 卷 第 8 期和盖面，其采用的典型焊条为 E6010、E7010 等。该焊 接工艺主要适用于材质等级在 X70 以下的薄壁大口 径管道焊接，具有优异的熔透和填充间隙能力，且熔敷 速率高，根焊速率可达 10

9、15 cm/min ；缺点是纤维素弧熔化母材和填充焊丝的焊接工艺。该焊接工艺优点 在于：获得的焊缝洁净度高、质量好，且背部无焊渣，根 焊渗透能够得到有效的控制，能够提高焊缝根部耐腐 蚀和抗开裂性能9；其缺点在于：对焊前坡口的清理要焊条的含氢量较高，可达 40 mL（/100 g），且焊缝的低求较高，焊接速率低于焊条电弧焊，且抗风性能较差温韧性和抗裂性较低氢焊条差2，5，9。在寒冷地区焊接 高强度管道时，应采取必要的焊前预热和层间保温措 施，以防止产生裂纹。1.1.2 低氢焊条下向焊低氢焊条下向焊采用低氢型焊条药皮，含氢量较（风速需低于 2 m/s），对野外施工环境要求较高。该焊 接工艺主要用于

10、场站、阀室等管径较小、壁厚较小的碳 钢、低合金钢或不锈钢工艺管道的焊接（如山东天然气 管网淄博支线工程），以及连头口、碰死口的根焊（如宁 夏石化成品油外输管道工程）。低，一般小于 10 mL（/100 g），代表性焊条为 E7015、1.3 半自动焊E8018 等。该焊接工艺获得的焊接接头具有优良的低 温韧性和抗断裂性能，主要适用于材质等级高、大壁 厚、焊缝韧性要求高、输送酸性气体或高含硫油气介 质、在寒冷环境中运行的管道焊接，其焊接速度与纤维 素焊条相当；缺点是根焊的速度较纤维素下向焊相比 较慢，根焊适应性差，易出现未融合、未焊透、内咬边等 根部缺陷，多用于管道的填充和盖面焊接5-6，10。

11、1.1.3 低氢焊条上向焊低氢焊条上向焊具有优良的抗冷裂性能，即使焊 接接头存在较大错边量，仍然具有较高的 RT 合格率， 但焊接速度相对较慢，仅为 812 cm/min10-11，采用的 代表性焊条为 E7016、E8016 等。该焊接工艺多用于 小口径管道的焊接，长输管道连头口、碰死口的焊接， 以及焊缝的返修。1.1.4 混合型焊接（1）根焊采用纤维素焊条下向焊，填充和盖面采用 低氢焊条下向焊的焊接工艺，其优点在于：纤维素下向 焊的根焊速度快、焊口组对要求低、根焊质量好，低氢 下向焊填充和盖面速度快，层间清渣容易，盖面成型美 观。该混合型方法多用于焊接韧性要求高、材质级别 较高、输送酸性介

12、质、在寒冷环境中运行的管道5，10-11。（2）根焊采用纤维素焊条下向焊，填充和盖面采用 低氢焊条上向焊的焊接工艺，主要用于焊接壁厚超过 16 mm 的管道9。（3）根焊采用纤维素焊条上向焊，填充和盖面采用 低氢焊条下向焊。上向焊工艺对坡口的精度要求低于 下向焊工艺，故该混合型焊接工艺多用于连头口、碰死 口和返修口的焊接。1.2 钨极氩弧焊（GTAW） 钨极氩弧焊是利用焊接熔池和钨极之间产生的电半自动焊是指送丝机构控制焊接电弧电压和送丝 速度，焊机自动调节焊接电流，焊工手动控制焊接速度 和焊丝伸出长度的一种半自动焊接方法，其具有劳动 强度低、焊接质量好、效率高、经济性好等优点，主要应 用于管道

13、的填充和盖面焊13。半自动焊接主要包括： 活性气体保护半自动焊和自保护药芯焊丝半自动焊（FCAW-S）。1.3.1 STT 型 CO2 气体保护半自动焊目前长输油气管道应用的 STT 型 CO2 气体保护 半自动焊，采用实心焊丝，以 100 CO2 作为保护气体， 通过数字芯片控制基值/峰值的电流和电压，由液体表 面张力实现熔滴过渡，焊接过程稳定，有效解决了飞 溅问题和大口径管道根焊单面焊双面成型的难题13。 该方法具有电弧燃烧稳定、坡口适应性强、焊丝熔敷速 率高（焊接速率高达 1520 cm/min）、根焊成型好、焊 缝含氢量低、低温冲击韧性好、飞溅极少等优点，但其 抗风性较差，一般要求风速

14、不大于 2 m/s，多用于全位 置单面焊双面成形的根焊，与 FCAW-S 焊接工艺相匹 配，也用于自动焊工艺的根焊。目前 STT 根焊技术 已成熟地应用于西气东输二线东段 B26 标段14、第 31 标段15等管道建设工程。自保护药芯焊丝半自动焊（FCAW-S） 自保护药芯焊丝半自动焊通过利用药芯高温分解产生的大量气体对电弧和熔池进行保护，以及利用少 量熔渣对熔池和凝固焊缝金属进行保护的焊接方法， 其采用的代表性焊丝为 E71T8-Ni1J、E81T8-Ni2 等12。 该焊接方法具有电弧稳定、性能优良、焊接效率高、成 形美观，适用于全位置管道焊接。此外，该方法适宜野 外作业，对于温度高于 5

15、 、湿度低于 90、风速小于 8 m/s 的环境，不需要采取任何的防护措施，但一般不886樊学华，等：长输油气管道焊接方法选用原则设计与施工用于根焊（易出现未熔合缺陷），多用于管道焊接的填 充、盖面15。1.4 自动焊图 1 法国 SERIMAX 双机头全位置自动 GMAW 焊机随着油气管道建设用管道等级的提高和管径、壁 厚的不断增大，自动焊在长输油气管道焊接施工中不 断被推广应用16。自动焊接是焊接操作工借助设备 进行焊接，设备负责全过程焊接。该焊接方法可实现 全位置多机头同时工作，可从管道内部和外部实现根焊（图 1）。该焊接工艺操作简单、焊接质量高、焊接速 度快、焊缝成型美观，多用于大口径

16、、大壁厚管道焊接， 但自动焊对接头坡口加工的精度、管口组对及焊接环 境要求较高17。其适用于地形平坦地段的管道焊接施 工，尤其是在自然环境条件比较恶劣的地区，如戈壁、 沙漠、无人区等，自动焊技术具有不可替代的应用空间 和优势10-12。自动焊技术主要包括实芯焊丝气体保护 焊（CO2 或 CO2+Ar 等）和药芯焊丝自动焊两种。1.4.1 实芯焊丝气体保护自动焊实芯焊丝气体保护自动焊是熔化极气体保护焊（GMAW）的一种，其原理是利用可熔实芯焊丝与被焊 金属间形成的电弧熔化焊丝与母材形成焊缝。此种焊 接工艺对焊工的要求较低，广泛应用于大口径、大壁厚 的管道焊接领域，但是在野外作业时，应该配备相应的

17、 防风设施，并且全位置焊接对焊接装备及控制系统要 求较高16。自保护药芯焊丝自动焊（FCAW-G） 自保护药芯焊丝自动焊具有自动化程度高、焊材利用率高、焊接熔敷量大、焊接质量好、焊渣薄、脱渣容 易等优点，减少了层间清渣时间，其熔化速度比纤维素 手工下向焊提高 1520，一般用于大管径、厚壁 管的填充和盖面12。2长输油气管道焊接方法的选用原则长输油气管道焊接方法的选择主要依据管道的 材质、直径、壁厚、输送压力、介质性质及施工现场状 况等因素，进行综合分析、考虑（表 1、表 2，在表 2 中， SMAW 为焊条电弧焊；FCAW-S 为自保护药芯焊丝半 自动焊；FCAW-S 为自保护药芯焊丝自动焊

18、；GMAW 为熔化极气体保护焊；SAW 为埋弧焊。焊条、焊丝采 用标准均为 AWS 标 准，AWS A5.1：E6010、E7015、 E7016、E7048；AWS A5.5：E7010、E8018、E10018； AWS A5.18：ER70S-G、ER70S-3、ER70S-6、E70C- 6M、E80C-Ni1；AWS A5.28：ER80S-G、ER80S-Ni、 ER90S-G ；AWS A5.29：E71T8-Ni1、E81T8-Ni1、 E91T1-K2、E101T1-GM）。表 1 管道焊接方法性能对比5，9-11，13焊接方法操作难度 根焊 其余焊道 焊接速度 适用壁厚 接

19、头性能 抗裂性 气孔敏感性 缺陷率 抗风能力 风速限值/mm（/ m s-1纤维素下向焊一般较好好快617一般一般不敏感一般一般8低氢下向焊偏难较差较好快617优良优良敏感较大较低5低氢上向焊较难较好好慢 17优良优良敏感较小较低5钨极氩弧焊一般较好一般慢 6优良优良敏感较小差2STT 型气体保护半 自动焊较易较好一般快 6优良优良敏感较小差2药芯焊丝半自动焊较易一般好快 8较好较好一般较小较强8气体保护自动焊较易较差好快 8优良优良敏感较小差2药芯焊丝自动焊较易较差好快 8优良优良一般较小较强8）887设计与施工2014 年 8 月 第 33 卷 第 8 期表 2 国内长输油气管道工程焊接方

20、法应用案例13-15，17-21，25-26工程案例管材管径/mm主线路焊接方法/焊材返修根焊填充、盖面根焊填充、盖面山东管网日照406.46.3联络线工程X52406.48406.410纤维素焊条下向焊/E6010FCAW-S/E71T8-Ni1J纤维素焊条上向焊 低氢焊上向焊/E6010/E7015山东天然气5087.1管网淄博支X605088.8线工程50810纤维素焊条下向焊/E6010FCAW-S/E71T8-Ni1J纤维素焊条上向焊 低氢焊上向焊/E6010/E7015涩宁兰输气管道复线工程X656608.7纤维素焊条下向焊/E6010FCAW-S/E71T8-Ni1J、E71T8

21、-K6纤维素焊条上向焊 低氢焊上向焊/E6010/E70151 01614.9山东管网工程1 01617.5纤维素焊条上向焊 低氢焊上向焊（泰安青岛） X701 01621纤维素焊条下向焊/E6010FCAW-S/E71T8-Ni1/E7016/E8018-G1 01626.21 01614.9STT 半自动焊/R70S-GGMAW 自动焊/ER80S-G纤维素焊条上向焊 低氢焊上向焊/E6010/E7015纤维素焊条下向焊/E6010FCAW-S/E71T8-Ni1西气东输1 01617.5一线工程X701 01621纤维素焊条下向焊/E6010GMAW 自动焊/ER80S-G纤维素焊条下向

22、焊/E6010纤维素焊条下向焊/E8010-G1 01626.2STT 半自动焊/R70S-GFCAW-S/E71T8-Ni1西气东输1 01615.3冀宁支线工程 X801 01621GMAW 自动焊/ER70S-6低氢焊条上向焊/E7016低氢焊条下向焊/E9018-G低氢焊条上向焊 低氢焊条下向焊/E7016/E8018-G西气东输1 21918.4二线工程X801 219221 21927.5低氢焊条上向焊/E7016低氢焊条下向焊/E10018-G低氢焊条上向焊 低氢焊条下向焊/E7016/E10018低氢焊条上向焊/E7016FCAW-S/N81T8-Ni2、E81T8-GGMAW

23、 半自动焊/ER70S-G、E70C-6M、FCAW-S/E81T8-Ni2、 E80C-Ni1N81T8-GSTT 半自动焊FCAW-S/E81T8-Ni2、/ER70-GE81T8-GGMAW 半自动焊FCAW-G/E81T8-Ni1、/ER70S-G、E70C-6M、E80C-Ni1E91T1-K2、E101T1-GMGMAW 半自动焊/E70C-6M、E80C-Ni1、GMAW 自动焊/ER90S-G、ER70S-GER80S-G、E80C-Ni1GMAW 自动焊GMAW 自动焊/ER80SG、/ER70S6、ER70SGER90S-G宁夏石化成品油外输管 L360 219.1273.

24、1道工程L245纤维素焊条下向焊低氢焊条上向焊/E7015/E6010纤维素焊条上向焊 低氢焊条上向焊/E6010/E7015四川龙岗气田 L360 406.416QCSGTAW/ER70S-3低氢焊条下向焊/E7015四川普光气田 L360 50822.2MCSGMAW 半自动焊低氢焊条上向焊/E7016/E70C-6MH4低氢焊条上向焊 低氢焊条上向焊/E7048/E7016合理可靠的管道焊接方法，对于保证焊接质量、提 高管道建设效率、节省工程投资具有重要意义。通过总 结工程经验，建立了长输油气管道焊接方法的一般性 选用原则。（1）管道材质因素：随着管道等级的增高，焊接接 头热影响区的脆化

25、倾向性增大，根部焊道冷裂倾向及 对介质的腐蚀敏感性增强，焊接接头的韧性下降。对 于材质为 X70 以下的管线钢，多采用纤维素焊条下向 焊、混合型手工下向焊，也可采用半自动焊和全自动 焊。而对于 X70 以上的管线钢，一般选用混合型手工下向焊、半自动下向焊或全自动焊。对于输送高含硫、 Cl- 的石油天然气管道，若采用双相不锈钢、INCONY 合金，精确控制焊接时的热输入量对焊接质量至关 重要，如对于 S31803 双相不锈钢，铁素体含量应在 4060，同时需严格控制热输入量和层间温度，否 则将严重影响管道的耐蚀性能。自动焊因焊接线能量 可以精确控制而使其成为高强度长输油气管道焊接的 首要选择。（

26、2）管道直径和壁厚因素：对于直径小于 323 mm的管道，一般多采用手工焊条电弧焊；对于直径大于888樊学华，等：长输油气管道焊接方法选用原则设计与施工323 mm 的管道，且多层焊接时，从工程进度考虑，一般 采用纤维素焊条下向焊（根焊）+药芯焊丝自保护半 自动焊（填盖）的焊接方法。对于大口径、大壁厚管道， 自动焊应作为优先选择，即直径大于 610 mm、壁厚大 于 8 mm 的长输管道，为提高焊接效率和质量，首先考 虑熔化极气体保护自动焊，如西气东输二线冀宁支干 线 X80 管线钢（管径 1 01615.3 mm）即采用该焊接方 法18，其次考虑手工电弧焊 + 自动焊或手工电弧焊+ 半自动焊

27、混合型焊接，如西气东输二线涩宁兰输气管道 工程（全长 953 km）19X70 管线钢（管径 66010.3 mm） 采用两种先进工艺：纤维素焊条（根焊）+气体保护自 动焊（填盖）和纤维素焊条下向焊（根焊）+药芯焊丝半 自动焊（填盖）。小口径薄壁管则考虑采用氩弧焊打底， 氩弧焊或焊条电弧焊填充、盖面的方法。（3）输送介质因素：管道用于输送酸性介质，或者 对焊缝有较高的韧性要求时，可采用熔化极气体保护 焊（GMAW）或低氢焊条电弧焊，因该焊接工艺含氢 量较低，焊接高强度管线钢可获得稳定的焊接质量。 四川普光高含硫油气集输管道工程 L360MCS（管径 50822.2 mm）管线钢采用金属粉芯气体

28、保护半自动 下向焊（根焊）和手工电弧焊上向焊（填盖）组合式焊接 方法20-21，而四川龙岗高酸性气田管道工程 L360QCS（管径 406.416 mm）管线钢采用钨极氩弧焊（根焊） 和手工焊条电弧焊（填盖）组合式焊接方法22。（4）地形环境因素：不同地形特征下的施工现场选 择的焊接方法差异较大，如在山区、水网等地形条件比 较恶劣的地区，因场地限制，自动、半自动焊接设备无 法进场，一般采用手工焊条电弧焊；在平原等场地条件 较好的地区，比较适于采用半自动焊或自动焊。（5）气候环境因素：风、湿度等气候环境同样会影 响焊接方法的选择，如在风力较大、自然气候条件较恶 劣的地区，自保护药芯焊丝半自动焊（

29、FCAW-S）因其 具有良好的抗风性能而被广泛应用22-23，而在阀室、站 场等施工现场，由于场地相对密闭，受风速等自然条件 影响较小，具备良好的焊接环境，多采用钨极氩弧焊（根焊）+手工焊条电弧焊焊（填盖）的焊接方法。3结论针对目前国内长输油气管道发展对焊接接头质量 和性能的要求，依据现有焊接技术、焊接设备和焊材的研究和发展现状，系统介绍了目前国内长输油气管道 焊接方法的特点和性能，并结合现场工程实际和应用 案例，对国内长输油气管道焊接方法进行归纳总结和 分析，提出了合理选择焊接方法的依据，为长输油气 管道工程焊接技术的发展和焊接质量的提高提供了参 考，具有较强的工程实际指导意义。参考文献：1

30、 李建军. 管道焊接技术M. 北京：石油工业出版社，2007.2 陈学武. 长输管道焊接方法及其选择J. 油气储运，2000，19（7）：28-31.3 贾永亮，李建民. 天然气管道施工焊接技术的探讨J. 中国新技 术新产品，2009（17）：146.4 李铜，钱莉，王文杰. 管道焊接技术J. 电焊机，2007，37（12）：32-35.5 刘成玉，许先果，赵建华. 长输管道焊接方法的选择与应用J. 电焊机，2007，37（11）：56-59.6 张振永. 长输油气管道焊接方法及焊材选用J. 焊管，2004，27（2）：37-42.7 薛振奎，隋永莉，黄福祥. 长输管道焊接施工工艺J. 焊接，

31、2002（8）：28-30.8 隋永莉，王福柱，李广民. 长输管道建设中焊接设备的应用现状 与发展趋势J. 电焊机，2006，36（12）：1-3.9 陈杨，杨兴. 长输天然气管道焊接方法综述J. 管道技术与设 备，2010（6）：37-39.10 苏欣，袁宗明，范小霞，等. 管道焊接工艺方法综述J. 管道技 术与设备，2005（6）：35-40.11 颜爱政，刘华，刘雷，等. 长输油气管道焊接技术的应用J. 油 气储运，2008，27（8）：40-43.12 薛振奎，隋永莉. 焊接新技术在我国管道建设中的应用J. 焊 管，2010，33（4）：58-61.13 鲍云杰，朱志明，郭爱东，等.

32、STT 型 CO2 半自动焊在管道焊接 中的应用J. 焊接技术，2000，29（3）：16-17.14 姜俊荣，宋文革. 西气东输 B26 标段管道焊接工艺探讨J. 石 油化工建设，2005，27（6）：44-48.15 王韶智，马云军，汤海东，等. 西气东输二线 X80 高强钢长输管 线焊接工艺J. 焊接技术，2011，40（2）：58-60.16 于英姿，郑照东，张占辉. 自动焊技术在长输管道焊接中的应 用J. 焊管，2001，24（2）：47-55.17 高云清，王纪，李颂宏. X80 级管线钢全自动焊焊接工艺J. 焊 接技术，2010，39（1）：69-70.889设计与施工2014

33、年 8 月 第 33 卷 第 8 期18 高云清，王纪，李颂宏，等. 西气东输冀宁支线 X80 管线钢焊接 工艺J. 石油工程建设，2006，32（4）：52-54.19 靳红星，张帆. X70 钢输气管道下向焊接工艺J. 压力容器，2001，18（2）：49-52.20 朱好林，李秀芹，张长征，等. 普光气田耐高压高含硫酸气管道 的焊接机热处理工艺J. 石油化工建设，2010，36（1）：119-121.21 张红权，张义斌，袁剑平，等. 金属粉芯+E7016 焊条组合焊接 技术在普光气田管道工程上的应用J. 中国高新技术企业， 2011（6）：39-40.22 杨祥海. L360QCS 高

34、酸性气田管线钢焊接工艺研究J. 焊接 与切割，2009（16）：40-42.23 冯成功，孟献强，王纪，等. 高温高湿地区的管线焊接施工J. 焊接技术，2009，38（12）：59-61.24 孟庆丽，王义，张林琳. 油气管线用 X65 钢潮湿环境的焊接工 艺J. 焊管，2007，30（5）：39-41.25 隋永莉，薛振奎，杜泽峪. 西气东输二线管道工程的焊接技术 特点J. 电焊机，2009，39（5）：18-21.26 高云清，王纪，李颂宏. X80 级管线钢焊条电弧焊焊接工艺J. 工艺与新技术，2005，34（6）：39-40.（收稿日期：2013-10-09；修回日期：2014-02-

35、28；编辑：关中原）作者简介：樊学华，工程师，1985 年生， 2011 年硕士毕业于北京科技大学材料学 专业，现主要从事油气田地面工程材料选择、腐蚀防护、管道焊接技术的研究和工程 管理工作。FAN Xuehua, MS.D, engineer, born in 1985, graduated from University of Scienceand Technology Beijing, materials science, in 2011, engaged in the research and engineering management of material selection, corrosion prevention and pipe welding technol