长输油气管道的焊接技术

长输油气管道的焊接技术

张振永3　赵海宴　时效众　刘　林　高晓飞

(中国石油天然气管道工程有限公司)

张振永　赵海宴等:长输油气管道的焊接技术,油气储运,2004,23(2)29～32。

　　摘　要　介绍了国内外输油气管道的三种主要焊接方法,重点分析了国内近几年新建管道不同焊接方法的使用情况,同时对不同焊接方法的选用和管材与焊接材料的选用匹配进行了探讨和研究。

　　主题词　长输管道　　焊接　　方法　　焊接材料　　选择

一、前　言

　　焊接工序是管道建设的重要环节,施工中管口焊接的时效性和安全可靠性均对在建管道的质量有着很大的影响。从20世纪50年代我国建成第一条长输管道至今,管道施工管口焊接方式已经历了手工电弧焊上向焊、手工电弧焊下向焊、半自动焊和自动焊四个发展过程。其中手工电弧焊下向焊技术是20世纪80年代从国外引进的,是目前管道建设中最常用的一种焊接方式。90年代末,随着国内管道建设步伐的加快,半自动焊接技术被引进并广泛应用。例如,已建成的苏丹输道、涩宁兰输气管道以及兰成渝成品道中大都采用了半自动焊接技术,尤其在STT半自动焊中还首次采用了国产的气保焊丝。目前,在我国起步较晚的自动焊技术也已在西气东输工程中得到了成功的应用。

二、管口焊接的特点及要求

　　1、　管口焊接的特点

(1)焊接场地不固定,流动性强。现场焊接作业点是随着施工地点的不同而变化的。

(2)管道所处的地形、地貌直接影响管口焊接的方法与焊接质量,管口焊接方法需与管道所处的地理环境相适宜。

(3)自然环境对焊接质量影响严重。长输管道管口焊接为野外作业,直接受到风、雪、雨、温度、湿度等自然环境因素的影响。

(4)管口焊接的自动化程度低于工厂内管口焊接,且焊接质量直接受焊工技能的影响。

2、　管口焊接的要求

(1)采用的焊接方法应满足全位置焊接(横、平、立、仰)工艺要求,以便能完成整个环焊缝的焊接。

(2)对外界自然影响因素有较强的适应性。

(3)焊接效率高、速度快。

(4)能够获得高质量的焊接接头。

三、管道常用的焊接方法

　　1、　手工电弧焊

手工电弧焊是利用焊条和工件间的稳定电弧,使焊条和工件熔化,以获得牢固的焊接接头的一种方法,具有设备简单、移动便利、操作灵活等特点,是野外管道焊接施工中最常用的一种方法。按管道焊接的施焊方向,该方法可分为上向焊和下向焊两种方式。上向焊是从管道环焊缝的管底起弧,向上运条焊接到管顶的一种自下而上的焊接方式。下向焊则是沿管顶起弧,向管底焊接的一种方式。下向焊与上向焊相比,不仅焊接速度快,薄层多焊,而且焊

　3065000,河北省廊坊市金光道22号;电话:(0316)2075949。

・

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2

・接质量也优于上向焊。

为满足管口环焊缝全位置焊接的要求,国内外一般采用两种具有全位置焊接性能的焊条,即高纤维素焊条和低氢焊条。按焊接方向和焊条类型划分,手工电弧焊主要有纤维素焊条下向焊、低氢焊条上向焊、低氢焊条下向焊、组合焊接四种方法。

(1)纤维素焊条下向焊　纤维素下向焊接是目前国内长输管道普遍采用的一种焊接工艺方法,适宜于钢级在X60以下、管径不小于254mm、厚壁为7～16mm管道的焊接。其优点是大电流、高焊速(根焊速度达到20～50cm/min)、焊接效率高,但由于纤维素焊条的溶解氢含量要求达到30～40mL/100g,所以焊缝的低温韧性和抗裂性比低氢焊条差。因此,如果焊接高强度钢管或在寒冷地区焊接,需进行焊前预热和层间加热,以防止出现焊接裂纹。国内部分新建管道应用该焊接法的情况见表1。

表1　国内部分管道纤维素焊条下向焊应用情况

管道名称管径

(mm)

设计压力

(MPa)

管道长度

(km)

管子钢级焊条型号建设年份

靖边—银川输气管道义马—郑州输气管道中宁—银川输道426.0

426.0

273.1

6.27

2.50

6.27

300

198

112

X52

SM400C

L360

E6010

E6010

E6010

1996～1997

1998～1999

2000

　　(2)低氢焊条下向焊　该方法采用低氢型焊条,焊缝熔合金属含氢量低于5mL/100g,具有优良的低温韧性和抗断裂性能,适宜焊接易受H2S 腐蚀和在寒冷环境中运营的管子。在填充和盖面焊中,焊接速度与纤维素焊条速度相当,但在根焊过程中,焊接速度低于纤维素的焊条速度。对于根焊时的焊口组对和坡口尺寸的精度要求,低氢焊条高于纤维素焊条,并易出现未焊透、未融合和内咬边等根部缺陷,因此该焊接方法在油气长输管道中不单独采用。

(3)低氢焊条上向焊　主要适用于小口径管道钢的焊接。具有优良的抗冷裂性能,在接头尺寸不规格、出现大错边的情况下仍具有良好的X射线合格率,因此这种方法常应用于工艺厂站内的一些重要管件和接头。与其它焊接方法相比,低氢焊条上向焊的焊接效率较低。

(4)组合焊　该焊接方法是利用不同的焊接方法共同完成一道环焊缝,以取得最佳的焊接效果。在长输管道中,该组合焊法主要有如下三种形式。

①根焊和热焊用纤维素焊条下向焊,填充、盖帽用上向焊　在壁厚为7～16mm管口焊接中,宜选用下向焊。当管壁太厚时,焊接层数也相应增加,焊接的高效性也随着焊接燃弧时间因素对整个焊接时间的影响降低而降低,因此,对于壁厚超过16mm的管道钢,常采用下向焊和上向焊两种方法的组合。

②根焊用上向焊,填充和盖帽用下向焊　对于根焊,下向焊要求的坡口精度要高于上向焊。在一些对接死口的焊接中,宜用上向焊打底根焊,下向焊填充、盖帽。

③纤维素焊条下向根焊、热焊,其余焊道用低氢下向焊　这种焊接方法是国内近十年管道建设中最常用的一种方法,纤维素的根焊速度快,组对质量要求不高,非常适宜于机械化流水线焊接作业。填充、盖面采用低氢下向焊,不但速度快、层间清渣容易、盖面成型美观,而且焊缝具有优良的低温韧性和抗裂性能。该方法一般应用在高于X56级钢的管道焊接中。国内部分新建管道应用该焊接方法的情况见表2。

表2　国内部分新建管道组合焊应用情况

输气管

道名称

管径

(mm)

设计

压力

(MPa)

管道

长度

(km)

焊条

型号

建设

年份

陕京　

660

6.27

840

E6010

E8010—G

E8018—G

1996～1997

涩宁兰660 6.27940E6010

E8010—G

E8018—G

2000～2001　注　表中两条管道均采用X60级钢。

・

3

・　油　气　储　运　　　　　　　　　　　　　　　　　　2004年　手工电弧焊条选用情况见表3。

表3　手工电弧焊焊条选用情况

钢管级别API25L 焊道

名称

下向焊

高纤维

素焊条

低氢

焊条

低氢焊条+

纤维素焊条

上向焊

低氢

焊条

X42 X46 X52根焊

热焊

填充、盖帽

E6010

E6010

E6010

E7016

E7018

E7018

X56 X56 X56根焊

热焊

填充、盖帽

E6010

E6010

E70102G

E7016

E7018

E7018

X60 X60 X60根焊

热焊

填充、盖帽

E6010

E6010

E70102G

E80182G

E80182G

E80182G

E6010

E80102G

E80182G

E7016

E7018

E7018

X65 X65 X65根焊

热焊

填充、盖帽

E6010

E6010

E70102G

E80182G

E80182G

E80182G

E70102G

E80102G

E80182G

E7016

E80182G

E80182G

X70 X70 X70根焊

热焊

填充、盖帽

E70102G

E70102G

E80102G

E80182G

E80182G

E80182G

E70102G

E80102G

E80182G

E90162G

E90182G

E90182G

　　2、　半自动焊

管道半自动焊是采用电焊工手持半自动焊施

焊,由送丝机构连续送丝的一种焊接方式。该焊接

方法可节省更换焊条等辅助作业的时间,具有熔敷

速度快、焊接接头少、焊接收弧及引弧产生的焊接

缺陷少等优点,焊接合格率明显高于手工电弧焊。

国内采用半自动焊接技术始于1995～1997年

建成的库鄯输道,在1999年苏丹输道建

设中得到了大规模应用,实践证明,该焊接法的应

用效果较好。半自动焊在部分新建管道上的应用情

况见表4。

目前,国内在管道主体焊接中应用比较成熟的

半自动焊工艺为纤维素焊条打底,自保护药芯焊丝

或CO2气体保护焊丝进行填充、盖面。药芯焊丝

半自动焊抗风能力强,在风速为8m/s的环境中施

焊,仍可获得性能优异的焊缝,而CO2气体保护

焊丝的抗风能力较差,当风速大于2m/s时,需采

取有效的防风措施。

半自动焊焊接设备较手工电弧焊设备复杂,适

宜在地形较好的平原、低矮丘陵和坡度较缓的山区

地段机械化流水线作业上应用。半自动焊的焊接材

料选用情况见表5。

表4　半自动焊在部分新建管道上的应用情况

管道名称

管径

(mm)

设计压力

(MPa)

管道长度

(km)

采用

钢级

焊条型号

建设

年份

库鄯输道610 6.27450X65E6010

E71T82K6

1995～1997

苏丹输道　7119.701500X65E6010

E71T82K6

1999～2000

涩宁兰输气管道660 6.27　10X70E6010

ER70S2G

2000～2001大港—永清输气管道711 6.27　20X60E6010

ER70S26

1999表5　半自动焊焊接材料选用情况

钢管钢级根焊药芯焊丝气保焊丝

X42、X46、X52 X56、X60

X65、X70E6010

E6010

E6010

E61T82K6

E71T82K6

(E71T82Ni1)

E81T12Ni1

ER70S24

ER70S26

ER70S2G

ER80S2G

　　由于全位置打底焊的自保护药芯焊丝(如Lin2 coln NR204)性能不稳定,焊缝组织和力学性能达不到规范要求,因此国内外很少使用。但近几年,特别是在苏丹输道工程中,将STT型CO2半自动焊接技术用于双连管工艺的打底焊,为完善长输管道主体管道半自动工艺提供了新的思路〔1〕。

STT半自动焊接工艺具有电弧燃烧稳定、飞溅少、根焊焊道成型好、无需打磨、焊缝接头少、焊丝熔敷率高(可达95%)、焊缝含氢量低、低温冲击韧性好的优点,通过在大港—永清输气管道和涩宁兰输气管道试验段的施工实践,用于主体管道

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1

3

・

第23卷第2期　　　　　　　　　　　　　张振永等:长输油气管道的焊接技术　　　　根焊已经比较成熟,现已作为一种主要的焊接方法用于在建的西气东输工程中。

3、　全自动焊

全自动焊是借助于机械和电气的方法使整个焊接过程实现自动化。目前国外用于管道焊接比较成熟的自动焊技术主要有实芯焊丝气体保护焊和药芯焊丝自(气体)保护焊技术。

(1)实芯焊丝气体保护自动焊接技术　自动焊接技术减少了人为因素对焊接质量的影响,减轻了工人劳动强度,容易保证焊接质量,同时具有焊接速度快、焊接材料成本较低(比同条件下药芯焊丝成本低20%)、对焊工的技术水平要求较低等优点,在国外已广泛应用于大口径、大壁厚的管道焊接领域。但由于管道环缝为全位置焊接,对焊接装备及控制系统要求较高,且全自动气体保护焊设备目前还存在造价高、维修难度大等缺陷。

(2)药芯焊丝自动焊接技术　该焊接技术包括药芯焊丝自保焊和药芯焊丝气保焊(CO2或CO2十Ar等)两种方法,其焊接基本原理与实芯焊丝气体保护焊相似。

药芯材料主要有矿物材料、钛合金透气剂、稳弧剂、造渣剂及还原剂等,与实芯焊丝相比,药芯焊丝的优点有熔敷速度快,焊接质量好,冲击韧性好,对各种管材的适应性好,设备投资成本比全自动气体保护焊少等〔2〕。

目前,国内管道应用全自动焊技术正处于起步阶段,先后在大港—永清输气管道和涩宁兰输气管道的施工中,采用STT打底焊,NOREAST全自动填充、盖面。应用效果表明,焊缝表面成型规则、饱满,内在晶体组织较好,且与母材过渡圆滑;在涩宁兰输气管道试验段4.2km范围内,X 射线拍片350道焊口,一次合格率达到97%,且每道焊口的电弧燃烧时间为35min,全自动焊比手工焊效率提高30%～40%。

考虑到全自动焊设备较为复杂,尤其是采用实芯焊丝气保焊时,防风棚必不可少,全自动焊接一般应用于平原、微丘等地形较好施工地段的大口径、高壁厚管道。西气东输工程中全自动焊接应用程度高,主要集中于中部地段的黄淮平原和西部地段的戈壁、沙漠地段,采用焊丝为AWS ER80S-G。

4、　管道环缝焊接工艺方法比较

根据试验和实际应用情况,将五种管道环缝焊接工艺方案进行比较,见表6。

表6　管道环缝焊接工艺方案比较

焊接工艺操作

技术

适应性

(根焊)

其余

焊道

焊接

速度

使用

壁厚

(mm)

接头

性能

抗裂性

气孔敏

感性

缺陷率

抗风

能力

环境风

速限值

(m/s)

纤维素下向焊低氢下向焊

低氢上向焊

药芯焊丝半自动全自动气保焊药芯焊丝自动焊

一般

偏难

较难

较易

较易

较易

一般

较差

较好

较好

较差

较差

好

较好

好

好

好

好

快

快

慢

快

快

快

6～17

6～17

≥17

≥8

≥8

≥8

一般

优良

优良

较好

优良

优良

一般

优良

优良

较好

优良

优良

不敏感

敏感

敏感

一般

敏感

一般

一般

较大

较小

较小

较小

较小

一般

较低

较低

较强

差

较强

8

5

5

8

2

8四、结束语

　　手工焊、半自动焊和全位置焊作为管道焊接的三种方式,在管道焊接中各具特点,互为补充,目前半自动焊技术是国内管道焊接中最常用的一种方法,全自动焊接也已从试验阶段进入到工程实用阶段,并将在以后的大型管道工程建设中得到广泛的应用,手工电弧焊作为一种传统的焊接方法,在管道焊接中的主导地位将逐渐被替代,但因其设备简单,操作方便,在管道焊接中仍将被广泛采用,尤其是在小口径管道工程建设上。因此,在管道焊接中,应根据焊接的实际情况,综合分析管径、壁厚、钢管级别及管道沿途的地理和自然环境,选择合适的焊接工艺,以取得最佳的技术经济效果。

参　考　文　献

1,　鲍云杰　朱志明等:STT型CO2半自动焊在管道焊接中的应用,焊接技术,2000,29(3)。

2,　继　库:药芯焊丝自保护半自动下向焊在突尼斯天然气管道工程的应用,石油工程建设,1996,22(1)。

(收稿日期:2002210208)

编辑:仇　斌

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・　油　气　储　运　　　　　　　　　　　　　　　　　　2004年　

作　者　介　绍

梁　　　工程师,1972年生,1995年毕业于西北工业大学航空动力与热力工程系飞行器动力工程专业,

现在中国石油天然气管道工程有限公司工艺室从事管道设计工作。

宋　飞　助理工程师,1979年生,2000年毕业于石油大学(华东)油气储运工程专业,现在中国石

道分公司科技研究中心从事油气储运工艺研究工作。

费爱华　工程师,1967年生,19年毕业于天津师范大学物理专业,现在中石化管道储运分公司潍坊输

油处从事技术管理工作。

王善珂　高级工程师,1966年生,1987年毕业于华东石油学院储运专业,现在中国石油天然气管道工程

有限公司从事管道设计工作。

余建星　教授,博士生导师,1958年生,1984毕业于天津大学,1990年获天津大学硕士学位,1993年获

上海交通大学博士学位,现任天津大学建工学院院长,美国土木工程学会会员,国际船舶与海洋结构委员会委员等。

李　关　助理工程师,1976年生,1998年毕业于吉林大学应用数学专业,现在中石化管道储运分公司黄

岛油库从事生产技术管理工作。

康新生　工程师,1956年生,1994毕业于中国人民空军后勤学院企业管理专业,现任中石化管道

储运公司华东管道工程有限公司总经理。

刘　刚　在读博士生,1975年生,1998年毕业于石油大学(华东)储运专业,现正在该校攻读博士,主

要从事油气长距离管道输送技术研究。

种浩辰　助理工程师,1977年生,1998年毕业于哈尔滨工业大学工业电气自动化专业,现在中国石油天

然气管道工程有限公司从事HSE 管理工作。

高建国　高级工程师,1963年生,1986年毕业于中国石油天然气管道职工学院管道线路工程专业,现任

中国石油天然气管道第四工程公司经理。

张振永　工程师,1971年生,1995年毕业于石油大学(华东)焊接工艺与设备专业,现在中国石油天然

气管道工程有限公司从事线路工程设计工作。

王可中　高级工程师,1956年生,1983年毕业于中国石油天然气管道职工学院油气储运专业,现在中石

化管道储运公司从事输油生产管理工作。

楼群华　工程师,1963年生,1999年毕业于中国人民工程兵指挥学院经济管理专业,现在中国石

化股份公司管道储运分公司从事企业能源管理工作。

高发光　高级工程师,1961年生,1982年毕业于同济大学工测专业,现任中油朗威监理有限责任公司总

经理助理兼市场开发部。

张伟东　工程师,1972年生,1998毕业于抚顺石油学院石油储运专业,现在兰州润滑油厂从事技术生产

管理工作,任生产技术部。

郭忠明　工程师,1972年生,1996年毕业于石油大学(华东)石油天然气储运专业,现在中国石油天然

气股份有限公司吐哈分公司销售事业部从事油气储运工作。

乔国发　在读博士生,1975年生,1998年毕业于石油大学(华东)石油工程专业,2001年毕业于石油大

学(华东)油气井工程专业,获硕士学位,现正在石油大学(华东)储建学院储运工程系攻读博士。

樊建春　副教授,工学博士、博士后,19年生,1995年毕业于武汉理工大学,1996～1998年在清华大

学精仪系从事博士后科研工作。现在石油大学(北京)机电学院从事教学和研究工作。

鲍　宇　工程师,1968年生,1995年毕业于中国石油天然气管道职工学院腐蚀与防护专业,现任中国石

油天然气管道工程有限公司副总经理兼中油朗威有限公司经理。

王福众　高级工程师,1963年生,1985年毕业于石油大学石油储运专业,现任中石化管道储运公司邹城

输油处副。

韩国金　工程师,1968年生,1991年毕业于江汉石油学院自动化仪表专业,现在吐哈油田丘陵采油厂从

事油田自动化系统维护与开发应用工作。

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16・第23卷第2期　　　　　　　　　　　　　　　　　油　气　储　运

The experiment on the anti-gouging property of FB E coating for buried pipeline is made.The authors cal2 culate the reliable thickness and available reliability of FB E coating to anti-gouging,predict the theoretical thickness value and development tendency of FB E coating of buried pipeline.

Subject Headings:pipeline,FB E coating,anti-gouging property,experiment

・CONSTRUCTION TECHNlQU E・

G AO Jianguo:Management and Practice on Mountain Pipeline Construction in West-to-East G as Pipeline Project.O GS T,2004,23(2)27～28,35.

Take the construction of the19th pipeline section in West-to-East G as Pipeline Project as an example, the author describes the overall construction program of the section,the construction scenario and procedure in different areas as well as the organization and cooperation relationship between different constrUction proce2 dures.To accord with the safety and the quality insurance system in pipeline construction,a new construction scenario,the welding over ditch in plain area and welding in ditch in mountain area,is made.

Subject Headings:long distance pipeline,construction technique,management,practice

ZHAN G Zhenyong,ZHAO Haiyan et al:Welding Technique of Long Distance Oil and G as Pipeline,O GSI, 2004,23(2)29～32.

3kind of welding techniques for oil and gas pipelines commonly used worldwide are introduced.The au2 thors analyze the characteristics of different welding techniques used in recent years,discuss and study the selec2 tion of welding techniques as well as the match between pipe material and welding material.

Subject Headings:long distance pipeline,welding technique,welding material,selection and application

・EN ER GY SAV IN G&ENV IRONM EN TAL PRO TECTION・

WAN G Kezhong and ZHU Y ifei:Energy Saving Analysis on Crude Oil Blending Transportation for Eastern Pipeline Networks.O GS T,2004,23(2)33～35.

The Eastern Pipeline networks consist of14pipelines,including Donghuang Parallel Pipeline,GuangQi Pipeline,JiaoQing Pipeline(in shut down),DongLin Parallel Pipeline,LuNing Pipeline,Y iJin Pipeline, LinJi Pipeline,CangLin Pipeline,Cang-Sinopec Pipeline,CangHe Pipeline,HeShi Pipeline,CangJin Pipe -1ine。LinPu Pipeline and ZhongLuo Pipeline.According to the operation actualities of the networks,the feasibility on blending transportation of crude oils(domestic crude oil and imported crude oil)with the partial pipeline of the network is analyzed.Take the LuNing and CangLin Pipeline as an example,analysis and com2 parison on the profits of blend transportation are carried out.It is pointed out that the blend transportation is not only feasible in energy saving,but also bright and wide application for the technology itself with the increas2 ing demand for imported crude oil in domestic oil market.

Subject Headings:oil pipeline,pipeline network,blend transportation,energy saving,economic analysis

LOU Qunhua:Energy Consumption Analysis and Energy Saving of Oil Pump Station,O GS T,2004,23(2) 36～38.

In allusion to the power consumption characteristics of pump station,the exergy loss rate of heater and pump are analyzed with exergy analysis method.The energy saving measures to increase the productivity of ・

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