长输管道焊接技术发展

赵连学(山东莱克工程设计有限公司，山东 东营 257000)

0 引言

当前，我国处于一个油气管道建设的高峰时期，从2000年至今，我国已经建成或开工的长输管道有：西部管道(油)、西气东输一线(气)、西气东输二线(气)、西气东输三线西段和东段(气)、川气东送管道(气)、陕京一线(气)、陕京二线(气)、陕京三线(气)、陕京四线(气)、涩宁兰管道及复线(气)、兰成渝管道(成品油)、兰郑长管道(油)、忠武线(气)、中缅管道(油、气)、中俄东线(气)、中俄原油管道(油)、新疆煤制天然气外输管道(气)、榆济管道(气)、冀宁线(气)、青宁管道(气)、日濮洛管道(油)及沿海LNG配套外输管道(气)等；以及近远期规划建设的还有川气东送二线天然气管道(气)、西气东输三线中段(气)、西气东输四线(气)、沿海大通道(气)、中俄中线通道(气)、中俄远东管道(气)、中俄原油复线(油)等国家干线油气管道。

长输油气管道运输作为运输行业一个独立的运输系统，一旦建成、投产会日益凸显出运营成本低、安全环保、受外界生产活动影响小、不间断运行等优势。管道百分之九十九的部分均处于埋地状态，运行中不易受到外界干扰，安全性较高。同时长输油气管道因百分之九十九的部分埋在地下，管线工作中的潜伏隐患、危险被发现非常难，潜藏的隐患对管线周围的设施、自然环境造成长期威胁，尤其是长距离油气运输管线主要输送易燃易爆的天然气、原油、成品油、煤气等介质。因此，确保管道工程的本质安全和管道建设质量对管道安全运行、延长管道使用寿命是非常重要的[1]。管道环焊缝的焊接作为长管道建设中最重要的一环，管道焊接技术选择和发展将从根本上影响长管道建设的本质安全，同时对管道运输的安全性有着至关重要的作用。结合国内长输管道建设现状和发展趋势，长输管道焊接技术的应用与发展趋势研究将会凸显出重要地位。

1 我国长输管道发展

我国长输管道事业发展的历程最早可以追溯至公元前二百多年的秦汉时代[2]。在1949年以前，我国长输管道建设里程寥寥无几，几乎可以用“0”来形容。直到1863年，成品油在我国仍然是采用汽车公路运输；1942年，我国在新疆独山子建设了第一条长度为2.5 km的原油管道；四川盆地为配合四川油气田开发建设了部分输气管道，修建总长不超过30 km。第二次世界大战太平洋战争爆发后，1943年8月同盟国加拿大魁北克首脑会议决定沿新建中印公路建设中印成品油管道，为亚洲战场上的中国、美国、印度等部队提供油料保障，扭转亚洲战场态势。直到1946年1月中印成品油管道投产的7个月中，累计向中国输送成品油10万吨，中印成品油管道的建设对中国抗日战争乃至整个亚洲战场均产生了重大意义。1949年以后，随着我国不断发现和开发大型油气田，带动了我国长输管道的建设和发展。2004年，西起新疆东至上海，管径D1 016 mm，设计压力10.0 MPa、每年输量170亿立方米的西气东输管道建成投产，干线管道采用X70钢级，是中国第一条横贯东西的长距离、高压力、大口径天然气输送管道。西气东输管道的建成，使我国管道的建设技术水平、设计水平、施工水平等提升到了国际先进水平。2011年，西气东输二线工程建成投产，管径D1 219 mm，设计压力12.0 MPa，每年输量300亿立方米，干线管道材质采用X80钢级，标志着我国高压力、高钢级管道建设技术达到国际领先水平[3]。自2010年至2020年间，我国还开工建设了西气东输三线输气管道西段和东段、中俄东线输气管道北段、中俄原油管道等大型长输管道工程。

2 长输管道焊接技术

随着我国社会主义市场经济蓬勃发展，国家科学技术水平不断进步，国家建设步伐进一步加大，资源供给保障已成为社会经济发展中不可或缺的一部分，安全稳定的资源供给是可持续发展的有力保障。同时，我国具有幅员辽阔、资源分布不均匀的特点，为合理调配、保障资源调配，解决资源分布不均问题，长输管道担任着流体资源的运输调配任务，因此，长输管道的运行安全是管道建设的重中之重。结合长输管道输送距离长、管道材质为钢管、埋设于地下隐蔽性好、运行压力高，带压修复困难大，危险性高、输送介质易燃易爆、安全隐患发现困难等特点，并通过国内外管道建设和运行过程中总结的经验，焊缝质量直接影响管道运输效率和运输安全。管道环焊缝的焊接作为长管道建设中最重要的一环，管道焊接技术选择和发展将从根本上影响长管道建设的本质安全，同时对管道运输的安全性有着至关重要的作用。

2.1 长输管道焊接技术的发展过程

从长输管道焊接技术应用发展至今，管道焊接工艺随着管道建设技术水平、设计技术水平的提高，经历了从板材、焊材、管材、焊接工艺、焊接设备、焊接环境要求等多方面的发展。焊接学科技术发展涉及焊接材料、焊接工艺技术、焊接设备、焊接人才培养等全产业的发展与进步。焊接材质的变化主要由焊条到药芯焊丝，药芯焊丝到实心焊丝的转变与应用。焊接工艺的变化主要由从手工焊到半自动焊，半自动焊到组合自动焊、组合自动焊到全自动焊的发展；焊接设备由手工焊接到半机械化的自动焊接到全机械化的自动焊接；焊接人才培养从单一的师傅带徒弟到规模化的专业技术培训，使得长输管道焊接技术发展为高效环保、安全可靠、经济效益、社会效益均得到提高。同时，结合长输管道焊接位置、环境、条件等影响，在使用中依然是焊条电弧向上焊、焊条电弧向下焊、自保护药芯半自动焊，组合自动焊、全自动焊相结合的方式在工程中应用。

2.1.1 焊条电弧向上焊技术

20世纪70年代至80年代，我国的长输管道焊接工艺大多采用的是低氢焊条电弧向上焊技术。低氢焊条电弧向上焊工艺具有应用灵活、可控性强，同时也具有受焊工技术水平及焊接环境影响大的特点。因此低氢焊条电弧向上焊工艺虽然在管道建设中应用广泛，但焊接过程中容易产生夹渣、气孔等焊接缺陷，且具有焊接效率低，焊接质量差的缺点。

2.1.2 焊条电弧向下焊技术

20世纪80年代，陕京一线、涩宁兰管道、京津航煤管道的建成投产标志着焊条电弧向下焊技术在我国油气管道建设中大规模应用。焊条电弧向下焊技术的发展从全纤维素型发展到混合型，从混合型发展到复合型，经历了以上三个阶段的发展，推动了焊条电弧向下焊技术的进步。

(1)全纤维素型向下焊接技术。全纤维素型向下焊接工艺由于焊材采用纤维素成分，其焊水浓度较低，熔解率高、焊接速度快，提高了管道环焊缝焊接效率，降低了管道建设过程中的焊接成本。

(2)混合型向下焊接技术。混合型的向下焊接工艺在陕京一线开始广泛应用，但根据实际使用情况此焊接工艺体现出了其对长距离管道长距离焊接安装、使用的环境复杂、气候条件恶劣的管道上的优势。混合型向下焊接技术采用的是焊缝多层焊接，即采用全纤维素型向下焊打底，接着再进行填充焊接和盖面焊接来完成焊接工作，极大改善了焊缝质量，同时减少了每道环焊缝的焊接时间，从而大大提高了管道环焊缝焊接效果和焊缝质量，也减少了焊缝焊接过程中缺陷的产生。

(3)复合型向下焊接技术。复合型向下焊接技术应用广泛，从西气东输管道的大口径高钢级干线管道到入户城市管网均可采用，以其灵活便捷、适应能力强的特点，在长输管道行业中得到了广泛应用。复合型向下焊接技术将打底焊填充向下焊与盖面向上焊结合的一种焊接工艺，发挥了不同焊接技术的优点，补齐了不同焊接技术的短板，大幅度提高了焊接质量。

2.1.3 自保护药芯半自动焊

自保护药芯半自动焊是我国特有的油气管道焊接技术，该技术虽自国外引进，但国外无长输管道焊接应用基础。自保护药芯半自动焊是指在焊接过程焊丝自带药芯燃烧产生的保护气体将管道环焊缝焊接环境与空气进行了隔绝，有效保护了焊接过程中的焊缝成型，避免了焊接缺陷的产生。自保护药芯半自动焊具有自身抵抗风险环境能力强、焊缝成型好、焊接接头的应力水平好、焊缝质量高、设备简易等优点。

2.1.4 全自动焊

全自动焊是将管道置于相对固定的状态下，采用机械带动焊枪沿固定路径和管道圆周进行运动，从而实现对管道环焊缝进行自动焊接。全自动焊技术从输出电流、焊接速度、热量输入、坡口尺寸等方面最大程度上进行了数字化控制，提高了管道环焊缝焊接质量、焊接效率及焊接稳定性，降低了焊接技术工人的焊接作业劳动强度。缺点是：对管道管口椭圆度、坡口形式、焊接环境等的外部条件处理要求高。

2.1.5 组合自动焊

组合自动焊是对手工焊焊条焊或半自动焊根焊和全自动焊填充盖面的组合使用方式的称谓，组合自动焊的发展使全自动焊接在整个焊接过程中提高了使用率，具有使用条件相对全自动焊要求低的优点。

2.2 长输管道运行中反应的焊接问题

随着国内管道运行里程的增加，管道发生了多起爆燃事故。事故原因不一，其中也凸显了管道环焊缝存在的问题，如：中缅天然气管道、泰青威天然气管道、西二线东段樟树—湘潭联络线事故调查结果均反应焊缝存在一定的问题。结合上述管道事故反应的环焊缝问题分析得知：长输管道受地形条件、施工环境等影响，环焊缝易产生的缺陷主要包括裂纹、烧穿、夹渣、气孔、未焊透、未熔合等。因此提高管道环焊缝质量，降低管道事故率势在必行。

2.2.1 中缅天然气管道

依据中石油中缅天然气管道黔西南州晴隆段“6.10”泄漏燃爆较大事故调查报告，事件的直接起因是由于管线环焊缝脆性断裂，由此造成了管线内的大量天然气泄漏，与空气混合产生了超过爆炸极限的爆炸性混合气体，爆炸性混合气体遇到天然气气流与管道断裂处因为强烈摩擦产生的静电，引起了管道燃烧爆炸。经过调查发现以下几方面问题：(1)现场焊接质量不符合有关标准规定；(2)管道环焊缝在复杂的组合载荷作用下，出现了脆性断裂；(3)管道环焊缝现场焊接作业时执行项目焊接工艺规程不到位；(4)施工阶段对无损检测合格标准要求较低；(5)施工现场工程质量管控不严。

2.2.2 泰青威天然气管道

根据泰青威管道“3.20”泄漏着火事故调查报告，事故最直接的原因是事故段管道环焊缝断裂，主要表现在环焊缝出现了未熔合、气孔等原始缺陷，管道环焊缝焊接质量较差。运行过程中，在组合载荷作用下，管道破裂，导致天然气泄漏着火事故。

2.2.3 西二线东段樟树—湘潭联络线

西二线东段樟树—湘潭联络线XTGE052-XTGE053桩间天然气管道。管道失效的原因为外部原因和内部原因共同作用所致。外部原因为工业园区管道沿线原始地貌为水稻田和鱼塘，地基湿软，工业园在高填方作业时，未对埋地管道进行任何保护，直接回填大量的填方并进行碾压，使得管道所在地段周围的土体发生沉陷和侧向挤压，管道上部和测向形成巨大载荷施加在管道上，造成管道受外力过大。内部原因为环向焊口存在缺陷，虽然缺陷处于可接受范围内，但强度不够高。

2.3 长输管道焊接设计

近几年川气东送管道、泰青威天然气输气管道、中缅天然气管线、新大一线、西二线东段樟树—湘潭联络线等长距离输送管线均出现过管道爆燃事件，根据有关调查报告，产生爆燃事故的原因有：环焊缝存在未熔合缺陷问题、环焊缝存在气孔缺陷问题、施工管理混乱、焊缝应力集中、第三方灾害因素导致管道焊缝断裂等问题，侧面证明了管道焊接过程中现场焊缝焊接质量不满足相关标准和焊接过程中执行焊接工艺规程不严等问题，管线环焊缝在管线所受到的组合载荷的的影像下发生了脆性断裂，不等壁厚焊接存在强力对口焊接等。

根据长距离油气输送管道设计制造有关标准的要求，长输管线设计内容应包括壁厚相同的直管段焊接、壁厚不同的直管段焊接、壁厚不同的直管段与弯管焊接等多种环焊缝焊接组合，按照类型分为等壁厚焊接和不等壁厚焊接[4]。结合管道焊接施工过程中的焊接实际划分有以下几种环焊缝需要特别设计：固定口连头、返修口、不等壁厚焊口[5]。

2.3.1 固定口连头焊接

固定口连头，俗称碰死口，受管道的连头位置和不允许回填长度要求，两侧未回填直管段热胀冷缩对连头口的影响也很大，在焊接过程中随着连头位置环境变化也可能会引起坡口形状的改变。固定口连头环焊缝在整个焊接过程中，受到了很大的约束应力，即应力集中。固定口连头焊接可以采用手工焊、半自动焊、组合自动焊等焊接工艺，根据管道建设环境特点，选取最优的焊接工艺方案，有利于提高固定口连头焊接质量。

2.3.2 返修口焊接

返修，是针对开展过无损检验但不合格的金属焊缝进行返修焊作业的俗称。主要考虑返修工艺要求具有对焊接作业环境的适应能力较强，返修作业技术比较灵活，返修焊接产品质量稳定安全等优势，可以更好地适应不同返修位置的焊接作业。

2.3.3 不等壁厚焊口焊接

不等壁厚环焊缝焊接技术主要表现在随管道地区等级而发生变化的对焊、管道变向时直管段与热煨的对焊、大中型穿跨越与一般线路段的连接对焊等。不等壁厚焊接接头的焊接，一般面临着以下困难：(1)由于焊接口两端的钢管壁厚差异，工人必须具备相当娴熟的操作技术方可确保薄壁侧与等壁厚侧环焊缝同时完成；(2)在生产过程中对热煨弯管和直管的管端椭圆度的要求并不相同，从而造成了热煨弯管和直管组对焊接时产生了很大的焊接口错边量；(3)薄壁钢管上的射线检测底片黑点过大，不同限度遮挡了焊趾部位的缺欠，从而形成了错误的检验结果；(4)薄壁钢管侧的焊趾处，由于在焊口处形成的突变造成了很大的应力集中。因此，不等壁厚焊口的设计影响焊接工艺选择和焊缝质量。

2.4 长输管道焊接技术发展方向

随着国家石油天然气管网集团有限公司的成立，我国管道建设将迎来新的变化，管道建设的管径、压力、钢级均稳步提升，管道建设水平也正在迈向数字化、智能化。同时随着社会经济发展的需要，能源安全的地位将会越来越高，因此管道建设的安全性将是管道建设的重中之重，管道焊接技术水平也将向着自动化方向发展，以提高管道建设水平和管道焊接的稳定性，减少人为因素导致的各类缺陷和问题。

近年来，我国在石油天然气管道输送、制造、建设、运营管理等方面均有较大突破。目前已经掌握了易凝高黏原油运输关键技术，并开展了高压输送油气管线断裂控制技术的研究，研发了使用大口径高压高钢级管道工程建造关键技术，并提出了管线的全生命周期及完整性管理和全国油气管线集中控制等技术。陆上已经建成了西北、东北、西南地区油气进口通道，因此管道的安全与有效运营成了我国油气管道的核心主题。但管道的建设与运营管理仍存在着许多挑战，且相关科技水平还有着很大的提升空间[6]。由此我国长输管道焊接技术将以安全为前提，向着高钢级管道焊接、焊接自动化、焊接可靠性和焊接数字化方向发展。

3 结语

我国长输管道已经建成以陆上油气管道为主，海底管道为辅的相对完善的能源输送网络。我国将在未来一定时期内持续加大长输油气管道建设力度，按照国家规划尽快完善全国骨干管网建设，构建成以海上、陆上相结合，调配灵活合理、安全可靠的长输管道运输体系。带动我国长输管道焊接技术以安全为前提，向着高钢级管道焊接、焊接自动化、焊接可靠性和焊接数字化方向发展。