提高天然气管道焊接技术水平的路径

2023-02-01赵章伟

化工设计通讯 2023年12期

赵章伟，龙飞

（云南建投安装股份有限公司，云南昆明 650031）

随着我国对天然气需求的不断增加，有必要提高管道建设的整体质量，以确保天然气输送和储存的安全。在管道施工中，相应的人员必须不断提高整体技术水平。因此，在建设天然气管道时，必须改进管道焊接技术，以创造良好的天然气运输环境，为我国社会的稳定发展奠定坚实的基础，促进我国经济的发展和进步。

1 天然气管道焊接技术中存在的不足

1.1 气孔

从熔化状态到凝固之前，气体从熔池中逸出，在焊接天然气管道时产生气孔。孔隙包括具有相对较大深度的柱形孔，以及具有相对较大面积的圆形孔。天然气管道焊接过程中出现气孔的原因有很多[1]。施工人员没有正确处理坡口和焊接材料导致焊接材料上存在铁锈和油污；如果天然气管道在焊接过程中电源不稳定，也会影响焊接电流的稳定性，从而造成焊接气孔；焊接速度过快；工人在天然气管道焊接过程中使用不当保护方法。以上情况都会导致焊接过程中气孔的出现。

1.2 夹渣

焊缝金属中产生的熔渣片叫作夹渣，产生这种现象的主要原因是在填充过程中，焊缝上的渣片还不能彻底去除，又或者在焊接时出现了死角。在覆盖焊接顶层材料的过程中，也会形成条状、电夹渣和夹渣等点状夹杂物质。在使用粉末型0.5自动下焊填充过程中，一旦在设备的初始选择时存在间歇性问题，也会出现顶丝的现象，焊丝穿进熔池的过程中，在冷却、重燃的过程中，在焊缝中出现各种金属杂物和熔渣，就是焊接夹渣[2]。

1.3 未焊接

未焊接是指管道在施工过程中，由于受到外界条件的影响，而使管件发生裂纹、损伤等现象。常见原因有：①焊缝处没有接头和回退；②热桥接口处温度过高或太低导致连接部位出现破裂或者渗漏情况造成渗油现象；③阀门与阀座之间存在间隙或是不对称问题引起管道内压增大，从而使焊接应力增加，进而影响了管件的质量。

2 天然气管道焊接技术概述

2.1 自动焊接技术

近年来，我国科技水平大幅提高，焊接技术发生了重大变化。自动焊接技术已成为一种相对成熟的技术，在实际应用中具有较高的效率，不受其他人为因素的影响，也不会造成误差。自动焊接技术可应用于厚壁管道和大直径管道的施工。管道接口具有很高的可靠性要求、质量优良等性能指标；同时也需要满足更高标准及更严格的焊接作业条件；此外，随着社会不断进步与科学技术迅速发展，天然气管材行业竞争越来越激烈。

2.2 手工焊条下向焊

在实际的焊接过程中，由于焊缝比较粗，因此，为了能够保证其质量和性能稳定性。通常会采用手工电弧自动线下向焊接工艺方法来实现对管道进行上下垂直方向的焊缝对接工作。手工焊接是通过焊枪快速地将钢管与管道连接，使其形成一个整体，从而实现焊接。但是在实际操作中由于施工现场条件有限和施工人员水平参差不齐等因素影响下料过程存在一定安全隐患：由于焊缝表面平整度不够、金属杂质较多，以及热处理工艺不合理导致了熔池附近气体分布不均或者出现局部温度过高的现象；同时，因为钢管接头处未及时进行预冷裂纹焊接。

焊接过程中使用全纤维素手动下焊是指在天然气管道的现场组焊阶段，工人使用纤维电极进行完全根部焊接，在根部焊接阶段，使用单面焊接和双面焊接。在薄壁大面积管道中，宜采用全纤维素手工下焊法，以保证天然气管道的焊接效果[3]。

2.3 半自动焊接技术

半自动焊接技术适用于天然气管道的填充和覆盖焊接工艺。整体焊接方法比较简单，设备操作简便，操作人员只需要进行基本的技能培训就可以掌握，提高了工作效率。且技术自动化程度高，工作人员对焊接熔池的掌控能力极大提升，从而提高了焊接质量，因此整体的成本相比其他焊接技术更低。此外，这类技术对焊接人员的要求不高，适合户外使用。

3 天然气管道焊接质量主要影响因素

3.1 焊接环境

焊接环境主要包括焊缝的温度、压力情况和接头类型等，是影响管道焊接质量最重要因素，也对整个工艺流程有很大影响。因此在实际生产过程中要严格控制好环境条件。

（1）选择合适的材料。对于压强较小且对腐蚀性要求低时，可以采用一些高强度钢材来进行配合，而当压力较大且无特殊要求时可选用合金化料或者碳素钢等，保证焊接温度范围内焊缝处不会出现裂纹和烧损现象发生，进而保证焊接接头的质量。

（2）严格控制温度和压力。对于压强较大且无特殊要求时，应选择合适的热源，确保在高温环境下不会出现裂纹等现象，而当焊缝处没有条件满足以上两个因素后，则可采用一些保护性材料来进行处理，以防止产生应力集中导致管道破裂失效或造成事故隐患影响生产使用安全问题。

（3）对焊接工艺严格监控和控制。对于温度、压力较小且无特殊要求时应选择合适的热源，保证在高温环境下不会出现裂纹和烧损现象，而当压力过大、温度要求高时应选择一些保护性材料以避免产生应力集中导致焊接失败。

（4）严格控制温度和压力的波动范围。在焊接过程中，温度和压力对焊缝的影响是比较大的，因为高温会导致热输入量加大、电弧过热，以及工件表面发生氧化腐蚀。这两个因素都会造成天然气管道焊接头附近应力值增加。另外一个原因就是低温环境下工作时操作人员易受到伤害或者发生意外事故；还有就是焊后金属容易被冻坏而出现裂纹等问题，这些情况都是影响压力容器寿命的重要因素。

3.2 焊接人员

在实际操作过程中，焊接人员的工作能力与技术水平也是影响焊缝质量和效率的重要因素。由于焊前工件表面处理技术、接头防护等都需要由专业技术人员来进行操作，因此，在实际运行过程中也会出现各种问题。如压力容器产生热应力时可能引起熔池金属与母材之间发生热裂纹；工人采用不正当手段破坏装置的正常工作环境和设备导致设备损坏或其他原因而造成事故；工作人员综合能力不足，由于对工艺流程不够熟悉、责任心不强等因素导致相关工作不能顺利开展；技术人员自身缺乏必要的理论知识和实践经验，以及工作方法存在一定问题或缺陷等都会造成焊缝出现渗漏现象发生事故；在实际操作过程中，施工人员没有严格按照焊接规范进行焊接作业等。

工作人员在对工艺流程进行操作时需要具备一定专业技术水平，同时还必须具有良好职业道德素养及工作责任心等综合能力，才能够胜任该岗位作业要求；其次就是要熟悉掌握相关设备使用情况并能熟练运用所学技能，对焊接过程中可能出现的问题及时发现并且解决。

4 天然气管道焊接技术水平的提升路径

4.1 高压天然气管道焊接工艺以及材料的选择

在输送高压天然气时，为了适应不同的外部条件，焊接方法的选择必须遵循科学的选择规则。目前，我国高压管道焊接主要采用半自动自保护焊剂焊丝，焊接工艺相对成熟，可以有效保证管道质量。对于不同的焊接要求，焊接人员必须优化实时焊接技术。此外，焊接团队成员还可以选择焊条电弧焊[4]。但总的来说，高压天然气管道的每种焊接工艺都有其优缺点：设计人员和焊接人员在管道施工中必须考虑外部因素，选择合适的焊接方法。高压天然气输送管道在输送天然气时，不可避免地会承受内部高压气体的巨大压力。在选择材料时一定要按照相关规定来选取。比如说需要使用压力比较大且稳定、无腐蚀性及耐热性都较好的产品；同时也不能选用低熔点或者较脆并且导电性能较差等材质作为原材料等这些可以通过合理科学手段来确定合适的焊丝材料，从而确保焊接工作能够顺利进行。焊接材料选择过程中最重要的一点是根据给定的焊接工艺选择不同的材料，以确保焊接材料和焊接方法之间的相互兼容性，从而确保高压天然气管道焊接工作的质量[5]。

4.2 培养焊接施工人员综合素质

在焊接工作中，技术人员的水平和质量直接影响整个工程施工过程，因此，对工作人员综合素质提出了更高要求。首先，技术操作人员要有扎实的专业技能基础知识才能保证其顺利完成焊接作业；其次，施工人员应具备良好熟练掌握焊枪、手推车等相关设备使用规范及技能。石油天然气公司在焊接天然气管道前，必须对焊接人员进行技术交底，针对不同岗位人员制定相应技术标准规范制度并定期组织考核工作，督促工作人员按照这些规章制度开展日常焊接作业活动；对于技术人员来说应根据自身情况选择合适的焊工材料，避免焊接施工后出现因对环境因素不了解导致的问题。

4.3 焊接施工中质量控制

焊接质量控制可以保证长输管道的正常施工和运输安全，因此必须合理控制焊接施工的质量。首先要严格按照工艺操作流程进行焊接。其次要根据实际情况选择合适材料来提高钢管的强度和韧性等；最后要保证整个接头都具有良好稳定性、抗腐蚀能力及耐磨性等后再进行焊工工作。在管道施工中需要注意以下几点：需要对焊缝表面质量有一定要求，一般情况下都是使用灰白胶或者是油泥。焊接时，要规范焊接操作方法，合理控制焊缝间距，严格控制焊缝尺寸，降低管道内壁钎焊厚度的可能性，提高焊接强度。在管道的焊接点，必须明确规定焊接直径。如果直径较大，伸缩式管道的焊接可以通过多人施工进行。当焊接许多铰链零件时，在焊接过程中必须添加额外的焊道，以确保挡弧尺寸的合理性。电弧停止距离应为30 mm。在焊接过程中，有必要确保接头处于接地状态，然后才能进行焊接干预。

4.4 控制焊接后的质量

焊接工作完成后，员工必须及时进行质量控制工作，对焊缝内外进行全面检查。对焊缝外观质量进行测试，确定是否存在咬边、焊缝宽度不足或焊缝补强过大等问题。如果焊缝不符合质量目标，必须根据实际情况进行处理，定期召开焊接质量评定会议，总结焊接经验，提高天然气管道的焊接技术水平[6]。

4.5 管道焊接的缺陷和防治

在实际的管道焊接过程中，由于工艺、材料等因素影响，产生了很多缺陷和不足。这些问题会造成生产出不合格产品甚至报废现象。因此要及时发现并消除隐患，必须从源头抓起并且对症下药，从问题根源提出改善措施从而提高天然气焊缝质量，从而达到降低成本减少事故的目的。在焊接过程中，由于温度、压力的变化，焊缝表面会产生裂纹和开裂等现象，这些情况都直接影响到天然气管道接头质量。焊接过程中常见的缺陷有气孔、夹渣和裂纹，因此对焊接工艺进行严格控制是保证密封性良好的基础上提高了其耐腐蚀性能；同时还应尽量减少气孔、夹渣及杂物进入熔池区域引起缺陷问题发生概率增加及避免出现短时高温烧损事故，并能及时发现存在于焊缝处的裂纹和热损伤现象，进而有效防止或延缓开裂。其中，夹屑是影响焊缝熔深变化最主要因素。在实际操作时应严格控制气体含量以防止产生应力集中而导致热变形或开裂等情况；此外还需注意对环境条件进行检测并做好预防措施来避免这些问题出现造成重大事故隐患；最后还要加强焊接设备及相关材料的管理与维护工作，提高生产效率，降低成本，增加经济效益。

在实际操作过程中，为了避免焊接缺陷的发生，需要对其进行有效防治。①提高焊接工艺水平、减少热影响区温度、降低焊缝根部裂纹等缺陷现象发生情况下，应采取有效措施防止其发展趋势会逐渐扩大化，并通过对操作过程进行严格控制，从而避免出现严重的后果。②加强设备的安全管理。在操作过程中，必须对所有操作人员进行严格要求，禁止出现违规行为。同时还需要制定详细的规章制度来约束工作人员和相关管理人员工作时不可以产生任何问题及失误。③加强管道连接处工艺性测试与验收工作并做好相关记录以便后续维修作业时能够准确掌握操作过程中出现问题的原因及解决方法，从而提高焊接效率，减少成本损失，增加经济效益。④建立健全质量控制体系以强化其管理职能，提高企业的整体质量管理水平。