焊接技术在我国石油工程建设中的应用

雷 毅，吴 斌，宫大猛

(中国石油大学 机电工程学院，山东 青岛 266555)

焊接技术在我国石油工程建设中的应用

雷 毅，吴 斌，宫大猛

(中国石油大学 机电工程学院，山东 青岛 266555)

石油工程领域中的焊接结构存在多种类型，其应用条件各不相同，对结构用钢的性能提出了不同的要求。综述了焊接技术在我国油气储运、钻采机械、石油化工机械和海洋平台等石油工程建设中的应用现状。随着石油工程建设中焊接结构复杂化程度的增加和应用条件的不断提高，解决其相关焊接关键技术将是未来石油工程建设中的重要发展方向。

焊接技术；油气储运；钻采机械；石油化工机械；海洋平台

0 前言

油气储运设备中的各种储油罐、油气管道、油槽车和油轮等都是以焊接为主要加工手段的制造工程；石油化工机械中各种化工容器、反应塔、加热炉和换热器的制造与安装等都需要进行大量的焊接工作；在钻采机械方面，焊接可用于架体、泵体、钻杆、抽油杆和钻头等各种金属结构的制造及安装修理；海洋钻探及采油平台、海洋钻井船的制造等也都离不开焊接技术。焊接技术在石油工程建设领域中占有重要地位。

1 油气储运中的焊接技术

1.1 储罐焊接

储罐是一种存储气体、液体或液化气体的压力容器。根据其应用条件的不同，油气储罐有多种类型。焊接是储罐建造的主要工序，储罐焊接的主要方法有焊条电弧焊、埋弧自动焊、气电立焊和药芯焊丝气体保护全位置自动焊。在大型浮顶储罐的建造中，国外罐体普遍采用自动焊工艺。

埋弧自动焊是大型储罐建造中应用最早的自动焊方法，主要应用于正装法施工的浮顶储罐的罐壁环焊缝、罐底对接焊缝和大角缝等。近年来，国内在借鉴正装储罐自动焊技术的基础上，开发出了倒装储罐自动焊设备及工艺，并将该技术应用到大庆、胜利、辽河、长庆等多个油田，到2005年累计焊接储罐总容量达66万m3[1]。为提高生产效率，在大型储罐的施工中，埋弧自动焊已开始向双丝和多丝焊方向发展。

由于气电立焊采用的坡口角度相对较小，在相同条件下，其焊材用量只有MAG焊的三分之一。因此，气电立焊在大型立式浮顶储罐建造中被广泛应用，主要焊接罐壁立焊缝[2]。近年来，国内一些施工单位将CO2半自动焊应用到储罐的罐底板、壁板、罐顶板、浮顶和附件等部位的焊接施工中，不仅焊缝美观，质量好，变形小，而且减少了打磨量。药芯焊丝富氩保护焊可以用在焊接工作温度-60℃～-33℃的大型低温储罐，已成为特殊用途储罐建造的发展方向之一。

但在拱顶储罐的施工中主要采用焊条电弧焊，尤其是1万m3以下储罐的焊接，自动焊应用较少[3]。目前我国储罐建设的焊接自动化水平与国外相比仍有一定差距，发展自动焊接技术是今后储罐制造的重要发展方向，其中焊缝自动跟踪是提高储罐制造自动焊水平的关键技术。

1.2 油气管道焊接

管道输送是石油、天然气最为经济合理的运输方式，全世界目前油气管线的总长度已超过2.30× 106km，并以每年(4～5)×104km的速度增加。管道施工焊接的主要方法有纤维素焊条下向焊、低氢焊条下向焊和药芯焊丝半自动下向焊。20世纪80年代开始推行下向焊工艺，采用纤维素焊条和低氢焊条。低氢焊条下向焊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和对低温韧性要求较高的管道或者厚壁管的焊接[4]。20世纪90年代我国正式推广应用自保护药芯焊丝半自动焊。该项技术于1995年首次在突尼斯工程中获得应用，并成为后来的库鄯线、鄯乌线、苏丹工程，涩宁兰、兰成渝等管道工程中的主要焊接方法[5]。自保护药芯焊丝半自动焊采用下向焊工艺，实现了连续送丝，施工效率高。

目前，国内油气输送管道正朝着大管径、高工作压力、远距离输送的方向发展。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[6]。如西气东输一期工程全长4 200 km中大约有650 km采用了自动焊。西气东输二线干线总长近5 000 km，由于钢的强度等级较高，管径和板厚较大，管线建设中主要以自动焊和半自动焊为主，以焊条电弧焊为辅，自动焊根焊主要采用STT半自动焊[7-8]。在部分大直径厚壁管道施工中，应用了全位置GMAW自动焊技术，这也代表了目前世界管道建设的较高水平，标志着我国管线建设已迈向国际先进行列。

2 海洋石油工程中的焊接技术

开发海洋石油离不开海洋构筑物的建造和安装，包括海洋平台、导管架、海底管线及海洋管道铺设船等。随着海洋石油开发的水深不断加大，海洋结构不断加重，结构物体积和使用的钢板厚度也不断加大，水下焊接技术已成为组装、维修诸如采油平台、输油管线以及海底仓等大型海洋结构的关键技术。目前，世界各国正在应用和研究的水下焊接方法种类繁多，按焊接所处的环境大体上分为三类焊接技术：湿法水下焊接、干法水下焊接和局部干法水下焊接。

湿法水下焊接具有设备简单、成本低廉、操作灵活、适应性较强等优点。因此，湿法水下焊接技术被广泛用于海洋条件好的浅水区以及承受低应力构件的焊接。但由于湿法水下焊接难以获得高质量的焊接接头，一般只用于水深几米至几十米的海岸工程非重要结构物的维修。局部干法焊接能够满足水下较重要工程结构的焊接质量要求，也是当前水下焊接的重要研究方向。英国曾将此方法用于北海大陆架挪威海域，修复被冬季风暴破坏的Ekofisk钻井平台两根位于水深7 m、直径3 500 mm的管子。美国在水深12 m处用此法修复了采油平台管径406 mm的立管[9]。

水下焊接技术在我国一直受到高度重视。早在20世纪50年代，水下湿法焊条电弧焊已得到应用。20世纪70年代后期哈尔滨焊接研究所在上海海难救助打捞局和天津石油勘探局的协助下，开发了水下局部排水气体CO2保护焊技术，简称LD-CO2焊接法[10]。近年来，国内部分单位针对海底管道泄露的水下维修问题，开展了水下局部干法焊接技术的研究，并取得突破性进展，从而推动了我国水下焊接技术的实用化进程。

由于湿法水下焊接和局部干法水下焊接主要局限于几米至几十米水深非重要结构物修复，实际应用水深一般不超过40 m，为了适应海洋工程向深海发展需要，许多国家加大了对高压干法水下焊接技术的研究与应用。挪威STATOIL公司的PRS系统于1994年进行了334m水深的管道焊接，获得成功[11]。我国于2002年10月将水下干式高压焊接技术研究作为国家863计划重大专项“渤海大油田勘探开发关键技术”中的一个重要组成部分，并于2006年11月在渤海成功地进行了海底试验[12]，这一研究成果也标志着我国的海洋水深结构物焊接技术达到世界先进水平。

3 石油钻采机械中的焊接技术

3.1 油田泵体焊接

油田使用的泵体主要有两大类：一类是地面输油泵，主要用于流体传输，如油、气、水等；第二类是油井抽油泵，有井下抽油泵和井口抽油泵之分。泵体的焊接有两种：一种是泵体制作过程中的焊接，另一种是泵体缺陷的补焊。常用焊接方法有：焊条电弧焊、CO2气体保护焊、堆焊、摩擦焊以及扩散焊等。

在泵体制造中，为了提高工作效率和保证焊缝质量，一些新的焊接工艺正在被采用，如扩散焊在加长抽油泵泵筒的焊接中的应用，用真空扩散焊接方法在最佳焊接规范下可获得优质的扩散焊接头，该接头不仅能保证焊接质量，而且大大提高了工作效率[13]。堆焊工艺在油田用泵的制造过程中也有一定的应用，在泵体的易摩擦部位进行钴、铬、钨等硬质合金的堆焊，使泵体具有可靠性好，耐磨损、耐腐蚀性能好，延长寿命的特性。另一方面，由于油田用泵常常应用于具有较强腐蚀性介质的环境中，并承受较高的工作压力，泵体在这种恶劣的环境下长期运行，容易产生裂纹，对此常采用焊条电弧焊、CO2气体保护焊和堆焊等方法进行补焊。

3.2 石油钻杆焊接

石油钻杆是油气井钻探所用钻具的主要组成部分。石油钻杆工具接头与管体之间的对焊，从早期的电弧焊、闪光对焊逐步发展到当今的连续驱动摩擦焊接和惯性摩擦焊接，钻杆对焊的生产效率越来越高，焊缝的质量也越来越好。目前，惯性摩擦焊接方法应用最为广泛[14]。

20世纪70年代哈尔滨焊接研究所首先研制成功了我国第一台1 200 kN石油钻杆摩擦焊机，开创了我国摩擦焊生产或修复石油钻杆的历史。这套工艺技术在华北油田、辽河油田、中原油田进行了多年的钻杆修复生产，累计修复钻杆近50万m。为提高接头性能，哈尔滨焊接研究所研制了具有形变热处理功能的HSMZ系列摩擦焊机[15]，使接头在焊接过程中获得形变强韧化效果，这不但克服了摩擦焊接头韧性差的缺点，而且提高了焊件的生产效率，节约了能源。

由于摩擦焊中接头处存在的飞边、焊接错位等问题，以及焊后要进行热处理，瞬时液相扩散焊(ransient liquid phase bonding，简称TLP连接)在钻杆制造过程中开始得到应用。采用TLP连接技术焊接石油钻杆，不仅解决了摩擦焊中接头处存在的飞边、焊接错位等问题，而且接头成形良好，性能与母材相同[16]。海隆石油工业集团有限公司通过自主研发，成功研制出一种新型钻杆耐磨堆焊设备，利用药芯焊丝来实现对钻杆耐磨带的堆焊，进一步提高了钻杆使用寿命[17]。

3.3 石油钻头焊接

石油钻头是石油钻井的重要破岩工具，其工作性能的好坏将直接影响钻井质量、钻井效率和钻井成本。石油钻头有牙轮钻头和PDC钻头两类。

牙轮钻头按牙齿类型可分为铣齿(钢齿)牙轮钻头、镶齿(牙轮上镶装硬质合金齿)牙轮钻头；按牙轮数目可分为单牙轮、双牙轮、三牙轮和多牙轮钻头。钢齿牙轮钻头传统的齿面强化工艺是采用颗粒铸造硬质合金堆焊，由于堆焊后硬质合金的强度还不足以达到要求，需要进一步处理。对于不同的基体，堆焊时所采用的焊丝材料也不尽相同，一种是采用管装粒状铸造碳化钨焊条，用氧-乙炔火焰堆焊。也有的采用钴基焊条，钴基堆焊层的硬度高，抗磨损性能良好，能较好地保证表面的耐磨性。

PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称，是20世纪80年代钻井技术的重大创新之一，现在已广泛应用于石油钻探开发中，是破碎岩石的有效工具。PDC钻头是用聚晶人造金刚石复合片作为切削元件，通过焊接的方法把复合片切削齿与钻头基体结合在一起。采用的焊接方法有焊条电弧焊、堆焊、钎焊、激光焊和扩散焊等。有研究表明[18]：采用钎焊的方式提高了焊接强度，同时稳定性也大幅提高，增加PDC钻头寿命。美国桑迪亚实验室对PDC钻头进行真空扩散焊，可使PDC复合片的硬质合金与刀柱基体的剪切强度为413.36～551.2 MPa[19]。但由于复合片在PDC钻头基体焊接的位置分布复杂，采用手工焊接时往往难以保证复合片的焊接质量。因此，发展PDC钻头自动焊接技术对于稳定PDC钻头的焊接质量具有重要意义。

4 化工机械中的焊接技术

石油化工机械包括各种化工容器、反应塔、加热炉和换热器等。在化工机械生产中，需要根据不同的结构和材料特点采用相应的焊接方法。常用的焊接方法有焊条电弧焊、埋弧自动焊、CO2气体保护焊、钨极氩弧焊等。焊条电弧焊是化工机械生产中低碳钢结构的基本焊接方法，适应力强。该方法适用于用中板制造的结构复杂的化工机械；埋弧自动焊适用于厚板制造的结构比较简单的化工机械；CO2气体保护焊适合于焊接中薄板的化工机械，也可用于焊接厚板化工机械；钨极氩弧焊适用于化工机械生产中的打底焊。

随着化工装备需求和化工类容器使用寿命的提高，钛合金、锆合金、镍基合金和不锈钢等材料的应用越来越多。如镍基高温合金是石油、化学、石化工业中适于高温、高压并伴有各种苛刻腐蚀环境的理想金属结构材料，在石油化工的各种化学炉和高温装置中应用广泛。钨极氩弧焊是镍基合金生产中应用最广泛的焊接方法，采用等离子焊接工艺可以获得一次性连续稳定的焊接质量。

随着各类化工容器和反应塔壁厚的不断增加，焊接工作量越来越大，焊条电弧焊方法因焊接速度慢等原因不适于现场大型厚壁容器和反应塔的组焊，传统的埋弧焊方法也存在诸多问题。窄间隙埋弧焊是减少焊接工作量、降低焊接成本的高效焊接技术，该技术在厚壁容器、反应塔的组焊领域发挥着越来越大的作用。中国石油天然气第七建设公司承接的哈萨克斯坦扎那诺尔第三油气处理厂脱硫装置的关键设备胺液吸收塔，公称直径3800 mm、塔体总高度38 822 mm、主体壁厚124 mm，质量521 t。现场采用窄间隙埋弧焊方法，生产效率得到明显提高，且焊接一次合格率为99.9%。这一技术成果也填补了中国石油工程建设中特大型装备现场制造的空白[20]。

5 结论

我国石油工业正处于稳步发展时期，随着国民经济的快速增长，石油需求量也迅速增加，中国的石油工业将进入一个新的发展阶段。石油工程离不开钢铁材料，随着其使用条件的严酷复杂，对钢铁材料的性能要求也越来越高。石油工业建设用钢正朝着高强度、高韧性方向发展，并要求焊接各种耐高、低温及耐各种腐蚀介质的压力容器，从而对新钢种和特殊性能材料如高强钢、超高强钢、耐热钢、不锈钢、铝合金、钛合金、耐热合金及异种金属材料的焊接问题也提出了更高要求。解决有关焊接关键技术也是未来石油工程建设中的重要发展方向。

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Application of welding technology in domestic petroleum engineering construction

LEI Yi，WU Bin，GONG Da-meng
(School of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China)

In the 21st century，steel material plays a key role in the structural materials for petroleum and petrochemical industry in China and the world.As an important method of material forming，welding technology is one kind of indispensable metal processing technology in modern industrial production，and widely used in petroleum engineering construction field.There are many types of welding structures in the field of petroleum engineering，and their application conditions are different from each other，so different requirements are put forward for the property of structural steel.This paper summarizes the application status of welding technology in oil and gas storage and transportation，drilling machinery，petrochemical machinery and offshore platform.As the complication degree of welding structure increases and application conditions of that become severer and severer in petroleum engineering construction，solving related key welding technology will be an important development direction of petroleum engineering construction in the future.

welding technology；oil and gas storage and transportation；drilling machinery；petrochemical machinery；offshore platform

TG47

B

1001-2303(2012)07-0051-04

2011-08-23

中国石油大学教学改革重点资助项目(JY-A201005)

雷 毅(1960—)，男，湖南茶陵人，教授，主要从事材料成型及控制工程、无损检测方面的科研工作。