国内外油气管道焊接施工现状与展望

国内外油气管道焊接施工现状与展望

摘要：管道输送具有经济、安全和不间断的特点。管道建设是一项大规模的焊接工程。本

文结合西气东输工程介绍了国内外管道的焊接现状，并对未来的管道焊接方法进行了展望。

关键词旨鳍道、管戋钢、焊接I艺、焊接i殳备

一、弓I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4176km,

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

950km,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760km,前期准备工作已获得重大进展，在建的11条隧道已有N条贯通；

石家庄至涿州输气管道工程，全长202km,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160km;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497km;海南岛天然气管道工程，

全长约270km;山东龙口至青岛输气管道工程，全长约250km;中俄输气管道工程，中国境

内全长2000km;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1207km,己于去年5月开工建设；中俄输

油管道工程，中国境内长约700km;中哈输油管道工程，中国境内长800km。此外，由广东

茂名至贵阳至昆明长达2000km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。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。

・作者单位：中国石油天然气管道科学研究院。

二、管道施工用钢管

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20世纪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：C<

0.2乐合金元素W3%〜5机随着管线钢的进一步发展，到20世纪60年代末70年代初，

美国石油组织在API5LX和API5LS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W0.2%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，而后乂开发了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，过去己铺设的油、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。20世纪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.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(I)1016mmX14.6〜26.2mm,其

中螺旋焊管约占80%,直缝埋弧焊管约占20%,管线钢用量约170X10”。

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］西气东输管道工SX70管线钢典型化学成分

生产厂CSMnCrMoNiNbVTiCuPSPC

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

□本住友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机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X7噌线钢典型力学性能

屈服强度抗拉强度

生产厂壁厚，mni取样位置伸长率，%冲击韧性厢强比

MPaMPa

宝钢14.6横向52564437341J@-204C0.82

武钢14.6横向53965942402J@-20℃0.82

日本住友21横向53262740.9297@-20℃0.85

德国21横向507•60740.5267@-20℃0.84

要求值485-620570与壁厚有关140距20cW0.90

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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，根焊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I手工电弧焊下向焊、上向焊示意图

目前自动焊根焊主要采用STT半自动焊。STT半自动焊属于COz气体保护焊，它是

通过精确的基值和峰值电流却电压控制，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焊环节单面焊双面成型的难题。

2.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：(1)内焊机根焊+自动外焊机填充、盖面。(2)STT气保护半自动

焊根焊+自动外焊机填充、盖面。(3)纤维素焊条手工电弧焊根焊+外焊机自动焊填充、盖

面。这几种焊接方法的区别在于根焊方法的不同。图2所示为自动焊焊接过程。

(a)自动内焊机根焊过程

图2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-II分别进行了焊接工艺性能试验。试验结果表明，对于大口径、

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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焊时，山于管

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焊，低氢型焊条下向焊填充、盖面。

四、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C02

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得大量

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LIN-

8LN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，目前天津金桥、四川大西洋等公司也相继开发了管道下向焊用

纤维素型焊条和低氢型焊条。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C（〕2气保护实芯焊丝主要来源于四川大西洋，台湾锦泰，法国

SAF,日本神钢等焊材生产厂家。

为保证西气东输线路工程环焊接头的强韧性，经工艺试脸选择使用了表3所示的焊接

材料八

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

AWSA5.1E6010手工电弧焊根焊

纤维素型焊条

AWSA5.5E8010-G手工电弧焊热算

低氢型焊条AWSA5.5E8018-G手工电弧焊填充焊、盖面焊

AWSA5.5E8018-P1

自保护药芯焊丝AWSA5.29E71T8-K6半自动焊填充焊、盖面焊

AWSA5.29E71T8-Ni2

AWSA5.18ER70S-6SFT半自动根焊或内焊机根焊

AWSA5.18ER70S-G

C2气保护实芯焊丝

AWSA5.18ER70S-G自动外焊机用填充、盖面

AWSA5.18FR80S-G

使用一般的直流焊机进行纤维素型焊条焊接，在小电流时易出现断弧、粘条、电弧不稳

等问题。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。管道施工

中手工电弧焊可供选择的焊机有美国LINCOLN公司的DC-400,美国MILLER公司的

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XMT-304,北京时代集团公司的ZX7-400B,济南奥太公司的ZX7-400ST等。

自保护药芯焊丝焊接时，美国LINCOLN公司的DC-400直流电源+LN-23P送丝机

是较好的选择，