管道工程管道焊接技术基础知识

1、管道焊接技术基本知识 中国石油管道焊接培训中心 吕向阳,第一部分、基础知识 一、管道工程的发展趋势及其对管线的要求 铁路、公路、航空、水运与管道运输统称为五大运输业。管道运输是最为经济、简单的一种运输方式。特别是对于石油、天然气等流体来说更为有效，其特点是经济、安全和不间断。由于管道运输的有效性，目前它还作为煤、矿浆和其它固体物质的重要输送手段。由于管线运输具有运量大、距离长、成本低、安全性高等优点，因此，管道运输业在国际上得到迅速的发展。目前全世界石油、天然气管道的总长度已超过230 x104 km，并以每年3%的速度增加，全世界将建设数百条油气长输管线，石油工业的巨大市场有利地促进了管线钢

2、、焊接材料、焊接工艺及焊接设备的发展。,从最初的工业管道至今，油气管线建设经历了一个多世纪的发展。早期建设的管线，离中心城市较近，地理环境和社会依托条件都较优越。如今新发现的油田大都在边远地区或地理条件恶劣的地带，如美国的普鲁德霍湾、欧洲的北海油田、俄罗斯的西伯利亚以及我国的西部油田等。随着海上油田、极地油气田的开发，对新时期的管道建设提出了更高的要求。目前管道工程的发展趋势有如下特点： 1、大口径、长距离、高压输 2、高寒和腐蚀的服役环境 3、海底管线的厚壁化,二、 常用金属材料的物理、力学性能,一） 常用金属材料的物理性能 1 密度 某种物质单位体积的质量称为该物质的密度。 2熔点 3 导

3、热性 4热膨胀性 5导电性 6磁性,二） 常用金属材料的力学性能,力学性能是指金属在外力作用时表现出来的性能，包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。 1 强度 ：在静载作用下，抵抗变形和断裂的能力。 1） 屈服强度 2） 抗拉强度 2 塑性：在静载作用下产生永久变形而不破坏的能力。 1） 延伸率 2） 断面收缩率 3 硬度：金属表面抵抗变形的能力。 HBS HR HV 4 冲击韧性：在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力 5 疲劳强度：,三 常用金属材料的性能和用途,一）碳素结构钢的牌号、性能和用途 碳素钢简称碳钢，是指含碳量小于2.11%的铁碳合金 1分类 （1）按钢的焊碳量分类 1） 低碳钢(

4、含CO25) 2） 中碳钢(含C为o25060) 3） 高碳钢(含co6) （2）按钢的质量分类 以含硫磷量划分 1）普通质量钢 含P0045 ，SO05； 2）优质钢 含P、S均 0035 3） 高级优质钢 含Po035 ，S003 混入的杂质含量则限制得更严 （3）按钢的用途分类 1）强度用钢：根据强度选用 2）特殊用钢：耐热、耐蚀、低温用钢,2、强度用钢,s294Mpa的叫高强钢，由 s及热处理状态分：热轧及正火钢、低碳调质钢和中碳调质钢、微合金控轧钢、 CF 、 Z向钢、大线能量钢等 （1）热轧正火钢 热轧或正火状态下供货，非热处理强化钢，s=294-490N/mm。 ex: 16Mn

5、 15MnV 15MnVN 18MnMoNb 另 CF 微合金控轧、Z向纲等。 （2）低碳调质钢 调质状态下供货，热处理强化钢，s=441-980N/mm2 塑韧性好。 ex: 14Mn MoVN 14MnNbB 调质状态下焊接，焊后不热处理 （3）中碳调质钢 c0.3% 强度 热处理钢， 韧性差。s=880-1176N/mm ex: 40Cr 35CrMoA。退火状态下焊接，焊后热处理。,（4）微合金控轧钢 高强度 、高韧性,加入少量Nb V Ti + 控轧 通过控轧使A晶粒变形破碎-细化 加入Nb V Ti 控制A晶粒长大，变形A再结晶形成极细F Nb V Ti的碳氢化合物质点在铁素体中析

6、出强化 C S P杂质形态，强化韧性 ex: X60 X70 X80 X100,3、常用管线性能,在国内管线钢的主要标准是GB9711, 主要有：L210、L245、L290、L320、L360、L390、L415、L450、L485、L555。 在国外管线钢的主要标准是API Spec 5L，主要有：A25、A、B、X42、X46、X52、X56、X60、X65、X70、X80、X100,第二部分、新建管道焊接技术,一、焊接技术 焊接施工是长输管道建设过程中重要的工艺之一，它制约着管道建设的质量和效率，随着石油及天然气资源的开发，管线钢的级别、性能的提高，焊接材料、焊接技术也随之提高和发展。

7、 我国钢质管道环缝焊接技术经历了几次大的变革： 1、20世纪70年代采用传统焊接方法，低氢型焊条电弧焊上向焊接工艺 特点：管口组对间隙较大，根焊过程采用熄弧操作方法，焊层厚度大，焊接效率和焊接质量低。目前这种工艺方法在管线焊接中已经基本不用，但是在小口径管线建设和站场焊接中的填充、盖面使用，目前在管线的返修和维修时的主要焊接方法。 2、20世纪70年代开始采用氩弧焊工艺 特点：焊接质量优异，焊后管道内较为洁净，但由于其焊接速度慢，抗风能力差，不适宜在大口径的长输管道建设中应用，而适宜在固定场所的站场建设中使用，另外在一些小口径管线中用于打底焊。,3、20世纪80年代管道局引进的欧美的手工下向焊

8、工艺，并逐步推广到大部分施工企业，主要为纤维素型焊条和低氢型焊条下向焊： 1）纤维素下向焊 纤维素下向焊接显著特点是，根焊适应性强，根焊速度快，工人容易掌握，焊接质量好，射线探伤合格率高，普遍用于混合焊接工艺的根焊。该工艺的另一特点是，有较大的熔透能力和优异的填充间隙性能，对管子的对口间隙要求不很严格，焊缝背面成形好，气孔敏感性小，容易获得高质量的焊缝。但由于焊条熔敷金属扩散氢含量高，焊接时应注意预热温度和层间温度的控制，以防止冷裂纹的产生。是目前主线路工程中主要的根焊方法。,2）低氢下向焊 低氢下向焊接的显著特点是,焊缝质量好，适合于焊接较为重要的部件，焊接过程采用大电流，多层、快速焊的操作

9、方法来完成，焊层的厚度薄，焊接效率高。但工人掌握的难度较大，根焊适应性较纤维素焊条差，焊接合格率难以保证， 多用来进行填充盖面焊接。主要应用于半自动焊和自动焊难以展开的地形中施工以及管线连头的施焊。,4、20世纪90年代管道局从美国引进了自保护半自动焊设备和工艺 该工艺于1995年首次在突尼斯工程中应用，在以后的库鄯线、鄯乌线、苏丹工程及涩宁兰、兰成渝、西气东输等管道工程中是主要的焊接方法。其焊接合格率按焊口统计，可以达到95%以上。其优点是连续送丝、生产效率高、焊接质量好、特别是自保护药芯焊丝的焊接工艺性能优良，电弧稳定，成形美观，能实现全位置（下向）焊接，抗风能力强，尤其适宜于野外施工。是

10、目前管道焊接施工的主要方法 自保护药芯焊丝以其特有的优越性在长输管道中广泛应用，全位置操作性能好，熔敷速度快，同时焊缝金属韧性好，但焊缝金属在焊态下粗大的柱状晶组织的出现，使得其焊缝金属冲击韧性在焊态与热处理之间，多层焊和单道焊之间有很大的差别。因此采用自保护焊丝焊接时，应严格控制焊接工艺参数、热输入量、焊接道次以及每道焊层的厚度等。,5、20世纪90年代管道局从美国引进STT根焊技术 STT焊机是通过表面张力控制熔滴短路过渡的。STT焊接工艺焊接过程稳定（焊丝伸出长度变化影响小），以柔和的电弧、显著地降低了飞溅，减轻了焊工的工作强度，良好的焊缝背面成形、焊后不用清渣及使用纯CO2气体和实心焊

11、丝为主要特点，其根焊质量和根焊速度都优于纤维素焊条，是根焊的优良焊接方法。但设备投资大，焊接要求严格，由于STT焊是气体保护焊，一般焊接环境的风力不得超过2米/秒，在野外施工应有防风设施。,6、自动焊工艺 随着我国管道建设高峰期的到来，增大管道的直径，在一定范围内提高管道输送压力已成为管道建设的科学技术进步的标志。管道建设用钢管强度等级的提高，管径和壁厚的增大，管道运行压力的增高，这些都对管道环焊接头的性能要求更高，这就需要研发高质量的焊接材料和高效率的焊接方法与之匹配。借助于机械和电气的方法使整个焊接过程实现自动化，即为自动焊。管道自动焊工艺具有焊接效率高，劳动强度小，焊接过程受人为因素影响

12、小等优势，在大口经、厚壁管道建设中具有很大潜力。 自动焊的主要优点是：a焊接质量高而稳定。b焊接速度块。c经济性好。d对于焊工的操作水平要求低。,二、管线焊接工艺,随着管线钢性能的提高，焊接材料、焊接技术在不断的进步，管线焊接工艺也随之变化。不同的钢级、不同的直径和壁厚、不同的项目、不同的输送压力及介质，甚至施工单位的队伍及设备状况，将会采用不同的焊接工艺。就目前长输管道常用的焊接工艺如下：,一）主干线焊接工艺,1、全纤维素型焊条电弧焊工艺 根据管线开裂方式不同，考虑其止裂性能，输油管道和低压力、低级别输气管道可选用纤维素型焊条电弧焊工艺，是世界范围内管道施工中使用最广泛的工艺。 纤维素焊条易

13、于操作，具有高的焊接速度，约为碱性焊条的两倍。有较大的熔透能力和优异的填充间隙性能，对管子的对口间隙要求不很严格，焊缝背面成形好，气孔敏感性小，容易获得高质量的焊缝，并适用于不同的地域条件和施工现场。但在采用此种工艺时，由于扩散氢含量较高，为防止冷裂纹的产生，应注意焊接工艺过程的控制。,采用的主要焊条有E6010、E7010、E8010、E9010等，采用直流电源，电源特性为下降外特性，一般为管道专用的逆变焊机或晶闸管焊机。电流极性为根焊直流正接，保证有足够大的电弧吹力，其它热焊、填充盖面采用直流反接,2、纤维素型焊条根焊+低氢型焊条电弧焊工艺,对于输气管道和高压力、中高级别输气管道，根据管线

14、开裂方式不同，考虑其止裂性能，选用纤维素型焊条根焊+低氢型焊条电弧焊工艺，保证其良好的止裂性。 纤维素型焊条下向焊接显著特点是根焊适应性强，根焊速度快，工人容易掌握，射线探伤合格率高，普遍用于混合焊接工艺的根焊。低氢下向焊接的显著特点是焊缝质量好，适合于焊接较为重要的部件，如连头、返修等，但工人掌握的难度较大，根焊适应性较纤维素焊条差，多用来进行填充盖面焊接。,采用的主要纤维素型焊条有E6010、E7010、E8010、E9010等，低氢型焊条有E7018、E8018、 E9018、 E10018采用直流电源，电源特性为下降外特性，一般为管道专用的逆变焊机或晶闸管焊机。电流极性为根焊直流正接，

15、保证有足够大的电弧吹力，热焊也采用纤维素型焊条采用直流正接，增大焊缝厚度，防止被低氢焊条烧穿，填充盖面采用低氢型焊条，采用直流反接，提高热效率和降低有害气体气体的浸入。,3、自保护药芯焊丝半自动焊工艺,（1）纤维素型焊条根焊+自保护药芯焊丝半自动焊填盖工艺 对于强度级别高，输送介质压力高、管径、壁厚大的管道，由于采用低氢焊条的效率较低，焊接合格率难以保证，对焊工技术水平要求高等，跟不上管线建设的速度，采用 低氢型的自保护药芯焊丝，提高韧性，采用半自动工艺提高生产效率，得到了广泛的应用，尤其是在发展中国家得到快速发展，是我国大口径、大壁厚长输管线的主要工艺。,根焊采用纤维素型焊条，利用其根焊适应

16、性强，根焊速度快，工人容易掌握，射线探伤合格率高等特点，提高焊接速度；填充盖面采用自保护药芯焊丝，药芯焊丝与焊条相比具有十分明显的特点优势，但药芯焊丝价钱较高。主要是把断续的焊接过程变为连续的生产方式，从而减少了接头的数目提高了生产效率，节约了能源。再者电弧热效率高，加上焊接电流密度比焊条电弧焊大，焊丝熔化快，生产效率可为焊条电弧焊的35倍，又由于熔深大，焊接坡口可以比焊条电弧焊小，钝边高度可以增大，因此具有生产效率高，周期短，节能综合成本低，调整熔敷金属成分方便的特点。,根焊采用的主要纤维素型焊条有E6010、E7010等，自保护药芯焊丝主要有E71T8-K6、E71T8-Ni1等型号，采用

17、直流电源，根焊电源特性为下降外特性，一般为管道专用的逆变焊机或晶闸管焊机。电流极性为根焊直流正接，保证有足够大的电弧吹力，填充盖面的自保护药芯焊丝，采用平外特性直流电源+相匹配的送丝机。,（2）STT根焊+自保护药芯焊丝半自动焊填盖工艺,STT焊机是通过表面张力控制熔滴短路过渡的 ，焊接过程稳定，电弧柔和，显著地降低了飞溅，减轻了焊工的工作强度，良好的焊缝背面成形、焊后不用清渣等，其根焊质量和根焊速度都优于纤维素焊条，是优良的根焊焊接方法。但设备投资大，焊接要求严格，焊工不易掌握。,4、自动焊工艺,随着管道建设用钢管强度等级的提高，管径和壁厚的增大，管道运行压力的增高，这些都对管道环焊接头的性

18、能要求更高，利用高质量的焊接材料，借助于机械和电气的方法使整个焊接过程实现自动化， 管道自动焊工艺具有焊接效率高，劳动强度小，焊接过程受人为因素影响小，对于焊工的技术水平要求低，焊接质量高而稳定等优势，在大口经、厚壁管道建设中具有很大潜力。， （1）纤维素型焊条根焊+自动焊外焊机填盖工艺 （2）STT根焊+自动焊外焊机填盖工艺 （3）自动焊外焊机根焊+自动焊外焊机填盖工艺 （4）自动焊内焊机根焊+自动焊外焊机填盖工艺,二）连头工艺,管线建设中，经常出现两长段无法移动管口连接问题，即为连头碰死口，管道动火抢修也属于这类问题，这些部位通常由于管线不能移动造成应力德的存在，拘束度较大，容易产生裂纹，

19、因此，对于连头碰死口问题，必须重视，加强焊接工艺的控制。目前主要采用的方法有四种：,1、纤维素型焊条根焊+低氢型焊条电弧焊工艺 在连头工艺中，纤维素型焊条电弧焊采用上向焊，低氢型（E8018）焊条电弧焊采用下向焊，具体要求及设备与主干线相同 2、纤维素型焊条根焊+自保护药芯焊丝半自动焊填盖工艺 在此工艺中，纤维素型焊条电弧焊采用上向焊，自保护药芯焊丝半自动焊采用下向焊，具体 要求及设备与主干线相同,3、低氢型焊条根焊+自保护药芯焊丝半自动焊填盖工艺 在此工艺中，低氢型焊条电弧焊采用上向焊，自保护药芯焊丝半自动焊采用下向焊，具体 要求及设备与主干线相同 4、低氢型焊条根焊+低氢型焊条填盖工艺 在

20、此工艺中，低氢型焊条电弧焊根焊采用上向焊，低氢型焊条电弧焊采用下向焊或上向焊。,三）返修工艺,1、纤维素型焊条根焊+低氢型焊条电弧焊工艺 在返修工艺中，对于穿透型返修，纤维素型焊条电弧焊采用上向焊，低氢型焊条电弧焊也采用上向焊，纤维素型焊条型号与主线路相同具体要求及设备与主干线相同，填盖的低氢型焊条常用的为E5015（GB/T 5117）和E7018或E8018（AWS A5.5） 2、低氢型型焊条根焊+低氢型焊条电弧焊工艺 在返修工艺中，对于穿透型返修，低氢型焊条（E7016）电弧焊采用上向焊，低氢型焊条电弧焊也采用上向焊，填盖的低氢型焊条常用的为E5015（GB/T 5117）和E7018

21、或E8018（AWS A5.5） 3、纤维素型焊条根焊+自保护药芯焊丝半自动焊填盖工艺 在此工艺中，纤维素型焊条电弧焊采用上向焊，自保护药芯焊丝半自动焊采用下向焊。,根据我国管道施工企业的经济实力、人员的技术水平、设备情况和环境状况，目前长输管道工程采用的焊接方法有： 手工焊条上向焊； 手工焊条下向焊； 自保护药芯焊丝半自动焊； STT气体保护半自动焊； 管道全位置自动焊； 埋弧自动焊(双管联焊)。,1 手工焊条上向焊焊接工艺简介,1.1 用途 主要用于中小管径和焊缝的返修焊接。 1.2 工艺特点 焊接设备简单，只需要一台手工弧焊电源； 焊接材料：根焊道采用E6010焊条(在外部返修根焊道缺陷

22、时用)， 其它焊道采用E5015 (CHE507GX)焊条； 操作难度较大； 焊缝无损检测合格率较低； 焊缝力学性能较好，特别是具有较高的塑韧性和抗裂性； 焊接效率低。,2 手工焊条下向焊焊接工艺简介,2.1 用途 主要用于中等管径的焊接，也用于较大管径，山区等地形较复杂，自动焊和半自动焊设备无法进入的地段或连头焊口的焊接。 2.2 工艺特点 焊接设备简单，只需性能优良的手工弧焊直流电源； 根焊道焊接采用E6010纤维素焊条，此焊条的操作性能良好，具有中等操作水平的焊工就可焊出合格的焊缝；, 热焊道采用E8010-G纤维素焊条，此焊条同样具有良好的操作性能； 填充、盖面焊道采用E8018-G低

23、氢下向焊焊条，此焊条的操作性能较差； 焊缝无损检测合格率比手工上向焊高，但比纤维素焊条下向焊和药芯焊丝下向焊低； 焊缝力学性能较好，具有较高的塑韧性和抗裂性；,3 自保护药芯焊丝半自动下向焊焊接工艺简介,自保护药芯焊丝半自动下向焊，目前采用了3种根焊焊接方法，分别是纤维素焊条下向焊、低氢焊条上向焊、STT半自动焊。,3.1 用途 药芯焊丝半自动下向焊，目前是我国长输管道工程的主要焊接方法之一。,3.2 工艺特点 3.2.1 焊条电弧焊(根焊)+自保护药芯焊丝半自动焊(填充、盖面焊)的工艺特点 焊接设备比较简单，只比手工焊增加一台送丝机； 焊接材料：根焊道采用E6010纤维素焊条，其它焊道采用E

24、71T8-Ni1药芯焊丝；, 此焊接方法具有较强的抗风能力，在风力不大于10m/s的情况下，风速对焊接质量无明显的影响； 焊缝无损检测合格率高； 焊缝的力学性能较好，但焊缝的塑韧性值(特别是低温韧性)具有较大的分散性；,3.2.2 STT半自动焊(根焊)+自保护药芯焊丝半自动焊(填充、盖面焊)工艺特点,由于填充、盖面焊用的焊接方法与3.2.1相同，这里主要介绍STT半自动焊的工艺特点。, 电弧燃烧稳定； 操作容易； 飞溅极小； 焊缝成形美观；, 焊接烟尘和噪声小； 焊接成本较低； 与手工焊相比焊接效率较高； 抗风能力较差。 由于STT根焊焊道的厚度一般可达4mm，且不需用砂轮机进行清理，所以在

25、焊接药芯焊丝半自动焊后续焊道时，不易产生烧穿现象。,4 管道全位置自动焊焊接工艺简介,目前我国采用的管道自动焊设备主要有PAW2000、NOREAST、CRC、PWT等自动焊设备。,焊接工艺组合如下： STT半自动焊+PAW2000管道外焊自动焊； STT半自动焊+ NOREAST管道外焊自动焊； STT 半自动焊+CRC管道外焊自动焊；,CRC自动焊的坡口形式,是典型的窄坡口设计，实际应用中可节省焊接填充材料和保护气，确保焊接的高效率。另外焊缝接头受热范围小，力学性能更好。,外焊机（P600）,P600型双焊枪自动焊设备适用于管道外自动焊，其主要优点是焊接成形好、质量稳定、速度快，且操作简便

26、、结实耐用，是管道安装施工的有利工具。,焊接电源,送丝装置,P600的机头, CRC管道内外自动焊； NOREAST自动内焊焊+PAW2000管道外焊自动焊； NOREAS自动内焊焊+NOREAST管道外焊自动焊； NOREAST自动内焊焊+CRC管道外焊自动焊； PWT外焊自动焊(根焊)+PAW2000管道外焊自动焊； PWT外焊自动焊(根焊)+NOREAST管道外焊自动焊,4.1 根焊焊接工艺 4.1.1 管道内焊自动焊 管道内焊自动焊设备是一种专门用于管道内焊根焊道的焊接设备。1016管道内焊机，有6个焊接机头，左右两侧各三个。每个机头分别焊接60+5mm范围焊道的焊接。左(或右)侧的三

27、个机头同时焊接，左(或右)侧焊接完成后，右(或左)侧的三个机头同时开始焊接，焊接方向都是下向焊。 1219管道内焊机，有8个焊接机头，左右两侧各4个。每个机头分别焊接45+5mm范围焊道的焊接。左(或右)侧的4个机头同时焊接，左(或右)侧焊接完成后，右(或左)侧的4个机头同时开始焊接，焊接方向都是下向焊。,此焊接设备的最大优点是焊接速度快，焊接一道根焊焊道的纯焊接时间只需100s左右。但此焊接设备通常只能适用一种管径钢管的焊接以及对管口的组装质量要求较高，这是此焊接设备的两个缺陷。,4.1.2 PWT管道自动焊 PWT管道自动焊设备是一种从管外部焊接根焊焊道、填充焊道和盖面焊道的管道自动焊设备

28、。PWT管道自动焊设备在西气东输管道工程主要用于根焊道的焊接。 PWT管道自动焊设备主要由柴油机驱动的焊接电源、焊接电流控制系统、焊接小车控制系统、供气系统、冷却系统、焊接小车、编程器和焊接小车轨道等部分组成。,表1 PWT焊接系统与内焊机焊接系统比较,PWT焊接系统与内焊机焊接系统的主要区别见表1。,4.2 填充盖面焊焊接工艺 4.2.1 PAW2000管道自动外焊机 PAW2000管道自动焊设备是由管道特种机械研究所研制的，全套设备由焊接小车、焊接小车轨道、计算机自动控制柜、手持操作盒、笔记本电脑、气体配比器、气瓶和电源等组成。 PAW2000管道自动焊设备是用计算机精确控制各焊接位置的焊接工艺参数，自动控制的工艺参数有：送丝速度、焊接速度、摆动幅度、摆动速度、两侧停留时间。只要参数设定准确、焊工操作得当，可焊接出除根焊道外的各种