浅谈油气管道焊接工艺方法、应用及发展前景

朱新昭

摘要：介绍了国内油气长输管道焊接的发展状况及常见的焊接工艺和方法，重点介绍了国内的半自动焊和自动焊系统，说明了选择焊接的方法，最后分析了焊接工艺方法的发展趋势，指出了半自动焊和自动焊技术的应用将越来越广泛。

关键词：长输管道 焊接工艺方法 手工下向焊 半自动焊 自动焊

1.引言

管道运输是一种大规模而经济的石油、天然气的输送方式。随着石油和天然气工业的发展，管道输送油气以其安全、经济、专能、高效而飞速发展。长距离、大管径、高压力已占据陆上油气输送管道的重要地位。管道不只是用来输送石油和天然气，还有氧气、CO₂等、液氨、乙烯、矿浆等介质。据经济学家测算，在公路、铁路、海运、空运和管道这五大运输方式中，管道运输被认为是最为经济、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。由于油气管线飞速建设的需要，管道焊接工艺方法、焊接设备、焊接材料也相应得到了很大发展。

2.国内油气管线常用的焊接工艺

2. 1目前管道焊接的施工工艺

2.1.1手工电弧焊。由于手工焊的灵活性以及焊接设备要求不高等原因，目前，对于室外管线的焊接，手工电弧焊的工作量仍约占一半。

2.1.2纤维素下向焊接工艺。纤维素下向焊接工艺是国内外普遍采用的一种焊接工艺，应用于包括钢材为X70 以下的所有薄壁大口径管道焊接。焊接速度快，根焊性能好，焊缝射线探伤合格率高，经济性优良。

2.1.3低氢型立下向焊条焊接。该工艺与纤维素下向焊接工艺相比，根焊速度较慢，主要用于气候条件极端恶劣，输送酸性气体及高含硫油气介质，对低温韧性要求较高的管道或者厚壁管的焊接。

2.1.4立下向纤维素焊条打底焊，CO₂气保焊填充盖面。由于CO₂焊生产率高、成本低，不断得到推广和应用，但对油气管道要实现全位置焊接，必须在较小的电流范围内，用短路过渡形式完成，而短路过渡方式用于打底焊易出现未焊透等缺陷。因此，采用立下向纤维素焊条打底实现单面焊，背面成型，然后再用效率高的CO₂气保焊填充面。

2.1.5自保护药芯焊丝半自动焊。自保护药芯焊丝半自动焊靠药芯产生的气体保护，抗风性好，可用于X70、X80 等管道的高熔敷率的全位置焊。但该方法在打底焊时，焊根易出现未熔合的缺陷。

2.1.6高性能焊机的CO₂气体保护半自动或全自动焊。目前，国外相继生产了对焊接电流和电压波形进行适时控制或对输出特性进行电能控制的高性能电源。基于焊接设备性能的提高，使得管道半自动及全自动CO₂气保焊得以很好实现，这就大大提高了焊接效率和焊接质量。此外，在工厂内进行管道焊接也采用自动TIG焊，该方法质量好，但生产效率低。

2. 2长输管道焊接方法

2.2.1国内外长输油气管线常用焊接工艺

随着社会技术进步，长输管道焊接技术也在逐步提高。二十世纪七、八十年代我国管线的焊接主要以传统手工焊上向焊、下向纤维素焊条手工焊为主，由于这些方法为手工操作，因此效率低，且焊接质量也受到了人工技能水平的制约。八十年代中期，由于电力、电子技术和计算机技术的不断发展，焊接设备的控制技术进入智能化时代，因此为管道焊接自动化新设备、新工艺的成功实施创造了条件，相继出现了半自动焊和全自动焊，使管道的焊接效率和焊接质量有了很大提高。

2.2.2下向焊条电弧焊

20世纪80年代初，由管道三公司在秦京线林南仓煤矿改线工程试验下向焊工艺成功后，在以后的中沧输气管线、内蒙的达哈线、突尼斯工程的前半期、鄯乌线、陕京线、西气东输、甬沪宁管线、西南成品油管线等工程上使用了此工艺数十年。手工下向焊接方法的焊接特点:在管道水平放置固定不动的情况下，焊接热源从顶部中心开始垂直下向焊接，一直到底部中心。下向焊条以其独特的药皮配方设计，与传统上向焊焊条相比，具有电弧吹力大，焊接熔深大，打底焊时可以单面焊双面成型，焊条融化速度快，熔敷效率高等优点。不足之处是根焊难以看到熔池，频繁起弧和熄弧，在起和熄弧点易产生未焊透、未熔合等缺陷；施焊中间需要换焊条，耽误时间。但相对于自动焊，克服了在野外较差的自然条件下使用设备复杂、操作不便的不足。因此，下向焊以其焊接质量好、焊接速度快等优点，已经广泛地应用于焊接工程，尤其是大直径薄壁长输管道的焊接。

2.2.3自保护药芯焊丝半自动焊

20世纪90年代初，管道局从美国引进了自保护半自动焊设备和工艺。经过培训，将该工艺于1995年首次在突尼斯工程中应用，在以后的库鄯线、涩宁兰、兰成渝、西气东输、苏丹输油管道等工程和正在施工的川气东送管道工程、西气东输二线、榆济输气管道等工程中均采用了纤维素型焊条手工下向焊根焊，自保护药芯焊丝半自动焊填充、盖面的焊接方法。目前，国内一般和该工艺组合使用的根焊工艺：采用纤维素焊条下向焊或STT完成根焊。该工艺主要适用于管径较大的油气管道，管径愈大愈能发挥半自动焊的优点。半自动焊借助于设备进行焊接，但设备只负责填充金属的供给，焊接速度由焊工控制。半自动焊的优点是劳动强度低，工作效率高，焊接质量优，综合成本低。焊接熔敷效率高，全位置焊接成型好，环境适应能力强，是目前管道施工的一种重要的焊接工艺方法。

2.2.4全位置自动焊

20世纪60年代，国际上就开始在管道工程中应用自动焊技术，自动焊技术适用于大口径、大壁厚管道。自动焊技术在国内大规模应用是在西气东输管道工程中。该工艺主要是采用自动焊机头以实芯焊丝为焊材，利用CO₂气体或CO₂和Ar气的混合气体做保护气体的一种焊接工艺方法。本工艺优点：大机组流水作业，焊接质量稳定，操作简便，焊缝外观成型美观；减少焊工的劳动强度；焊接施工效率比半自动焊高。缺点：对管道坡口、对口质量要求高；坡口型式要求严格；受外界气候的影响较大，要求风速<2m/s，这也是气体保护焊的普遍问题；边远地区气源运输困难；由于设备结构复杂，自动化程度高，辅助设备比较多，搬迁较为困难；在管道施工过程中设备故障较多，设备需要配备备件和高技术水平的维修人员。该工艺主要适用于管径大、管壁厚的油气管道焊接，目前，正在施工的西气东输二线工程也使用了该焊接工艺。

3.焊接方法的选择

3.1焊接方法的选择原则:就是选择一种费用最低而又能最大限度地提高生产率，并且能满足质量要求的焊接方法，其指标包括焊接方法的技术可行性、与施工预定速度的一致性、项目组织方案实现的可能性、焊接方法的能量效益和经济效益，这些指标在管道施工中的差别很大，在施工中就是要选择一种经济有效的焊接方法。

3.2选择焊接方法应考虑的因素包括管子直径、壁厚、管子级别、设计条件、管道长度以及施工地点等。

3.3直径和壁厚主要影响长输管道手工下向焊和(半) 自动焊方法的选择。当管径达到某一范围时，可以考虑从手工焊改为(半) 自动焊。对大口径管道而言，壁厚同样在很大程度上影响着焊接方法的选择。对于大口径、大壁厚的管道而言，自动焊应该作为优先的选择。

3.4如果管道设计用于输送酸性介质，或者对焊缝质量有较高的韧性要求，需要认真考虑焊接方法，采取的焊接工艺要得到允许。

3.5一般认为，手工下向焊可用于焊接X70 等级以下的管道，并且实践证明也是成功的。对于X70 等级以上的管道，为了保证焊接质量和较高的韧性条件，需要考虑其他的焊接方法。

3.6在野外施工中，管道自动焊能够使焊接工人从野外铺设管道比较繁重、恶劣的工作条件中解脱出来。

4.焊接技术的发展

受管道设计条件及国内制管机组等的限制，国内建设的长输管道焊接方法以往绝大部分选用手工下向焊。目前，国内的手工下向焊焊接技术工艺非常成熟，焊工资源充足。随着西气东输、川气东送、西气东输二线等大型管道工程的建设，传统的焊接工艺已不能适应长距离输运管道施工的需要，已被半、全自动焊焊接工艺所代替。目前药芯焊丝半自动焊以焊接合格率和生产效率高等优势，在我国大、中型直径长距离输运管道建设中得到广泛应用。由于市场对长距离、大口径、重壁厚管线的施工需求的增加，必然驱动自动焊系统的发展。随着自动焊系统的频繁应用，熟练劳动力队伍不断扩大，启动费用将减少，工时减少、效率增加、质量提高、操作简化等特点将增加人们对各种自动焊的兴趣与使用。随着电力供应的改善以及电脑系统不断适应现场焊接，自动焊将成为管线施工的主要焊接方式。◆