大口径长输管道冬季焊接施工技术与措施.doc

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2008年科技
论 文

大口径长输管道
冬季焊接施工技术与措施

作者：李国明 付新锋 王元 刘耀坤 贺妮娜

建设工程处七公司
2008年12月15日

大口径长输管道
冬季焊接施工技术与措施

作者：李国明 付新锋 王元 刘耀坤 贺妮娜
（工作单位：建设工程处七公司，联系电话[phone]）
【摘要】本文以西气东输二线冬季焊接施工的具体技术与措施为基础，以理论知识为支撑和依据，同时结合以往大口径长输管道冬季焊接施工的经验，总结出适合大口径长输管道冬季焊接施工的技术与措施。
【关健词】冬季施工 焊接技术
1 引言
正在进行的西二线西段的建设，西二线东段的即将开工、西三线西四线的规划设计、以及中哈中俄管线的启动建设，标识着我国长输管道建设第四次高峰的到来，这些工程所用钢级高，建设周期短，任务紧，为了加快管道建设的步伐，大口径高钢级的长输管线冬季焊接施工在以后的管道建设中势在必行。
本文以西气东输二线冬季焊接施工所采取的技术与措施为主，同时总结以往在陕京二线靖榆段输气管线、西气东输淮武支线、西部管道原油、成品油管线、兰银输气管道工程以及兰郑长成品管线冬季施工的经验，为以后的大口径管线冬季焊接施工提供经验。
2 冬季焊接施工的可行性
对于长输管线而言，施工主要以焊接为主，然而焊接受环境变化的影响很敏感，因而长输管道冬季施工可行性主要考虑焊接施工的可行性。
2.1 标准规定
目前各个冬季施工的标准各不相同，不同的国家、地区对于冬季施工都有不同的规定，下表为不同标准对冬季施工的不同定义。
表1 不同的规范对冬季施工的定义
标准
章节
内容
API 1104
7.5
当恶劣气候条件影响焊接质量时，应停止焊接。恶劣气候条件包括（但不仅限于）大气潮湿、风沙或大风。如有条件可使用防风棚焊接。焊接工艺应规定适于焊接的气候条件。
俄罗斯干线管道建设与规范
10.1.5
－50℃及以上环境温度都可以进行施工。
GB 50369
7.5
在下列任何一种焊接环境，如不采取有效的防护措施，不得进行焊接：雨天或雪天；大气相对湿度超过90％；低氢型焊条电弧焊风速大于5m/s，酸性焊条电弧风速8m/s；自保护药芯焊丝半自动焊风速大于8m/s;气保护焊风速大于2m/s；环境温度低于焊接工艺规程中规定的温度。
JB/T 4709
6.2.1
焊接环境出现下列任一情况时，须采取有效防护措施，否则禁止施焊。风速：气保护焊大于2m/s，其它焊接方法大于10m/s；相对湿度大于90%；雨雪环境；焊件温度低于－20℃。
Q/SY GJX0110 2007
7.6.6
焊接环境温度低于5℃时，焊接作业宜在防风棚内进行，应使用保温措施保证层间温度，如在焊接过程中，焊口温度冷却低于焊接工艺规程要求的最低温度以下时，应重新加热至要求温度，焊后以采用缓冷措施。
从以上的国外国内，以及行业、企业标准的规定来看，规范中只规定了禁止施焊时限制条件或如果继续焊接应采取的防护措施，而没有禁止低温下的焊接施工。结合相关的标准，管道建设对于冬季施工的日期规定为：当室外日平均气温连续5天稳定低于5℃即进入冬期施工，当室外日平均气温连续5天稳定高于5℃即解除冬期施工[1]。
2.2 工程建设经验
表2 国内外冬季施工过的管道工程
序号
工程名称
施工环境温度范围
施工长度
工程概况
1
哈境内管道－KC13-扎纳诺尔管道
0～－28℃
80km
X60 Φ813mm×9.0mm
2
中哈原油管道工程
0～－10℃
300km
X60 Φ813mm×9.0mm
3
陕京二线－西气东输榆林段工程
5～－16℃
60 km
X70 Φ1016mm×14.6mm
4
兰州－银川输气管道工程
5～－20℃
376 km
X70 Φ610mm×12.6mm
5
俄罗斯远东－太平洋管道工程
0～－47℃
120 km
K60 Φ1219mm×19mm
从国内外的管道工程施工经验来看，在施工人员能够忍受的低温环境下施工，采取适当预热温度、层间保温与焊后缓冷措施可以保证施工质量。
3 冬季焊接施工技术与措施
焊接各工序之间的衔接需要一定时间，而在冬季施工时，低温或有风的情况下，焊接过程中热量散失快，造成焊缝容易产生延迟冷裂纹、气孔等缺陷，尤其是冷裂纹，给管道施工质量带来重大隐患。冷裂纹一般是在焊接冷却过程中，在马氏体开始转变温度MS点附近或更低温度区间逐渐产生的，多发生在100℃以下，冷裂纹可以在焊后立即出现，也经常要经过一般时间出现，冷裂纹往往具有延迟裂纹的特征。冬季焊接施工中，主要预防冷裂纹的产生，而冷裂纹主要有三大产生因素：氢、淬硬组织和应力。具体的关系如下图1所示：

冷裂纹
氢
淬火组织
应力
冷裂纹
焊接方法
冷却速度t8/1
焊接材料
冷裂纹
碳当量

预 热
热输入
板 厚
施工操作
接头质量

图1 冷裂纹的影响因素与预防途径
从图1所示，西气东输二线的冬季施工中主要从以下几个方面来控制焊接质量：
3.1加设防风保温棚
为了减缓冬季低温环境热量的散失，在焊接流水上每个层位加防风保温棚。防风保温棚是在防风棚结构的基础上，在防风棚外裹附一层毛毡，毛毡具有隔热、保温作用。
同时为了防止雨雪对毛毡的侵湿而起不到保温的作用，在毛毡外贴附一层防水雨布，起到防雨雪的作用，同时也达到整洁美观的效果。在此改造的基础上，在防风保温棚的底板上铺盖熟胶皮起防潮密封作用，改造后的防风保温棚营造出一个适合焊接的小环境，达到保温、防风、防寒的效果。

图2 西气东输二线现场使用的防风保温棚
焊接各层位加设防风棚保温棚后，行动速度较慢，要注意移动设备的载重及保养维护，可将设备状态相对良好的焊接车设置在靠前位置，防止移动设备一旦损坏，余下层位施工停滞的现象，否则要超压占地，增加成本，影响生态环境。
3.2 焊接温度控制
西气东输二线管道工程支线焊接工艺X70钢焊接工艺规程，冬季焊接施工与正常焊接施工的区别和差异如下表所示：
表2 冬季焊接施工与正常施工的区别之处
焊接规范要求
冬季施工
正常施工
预热温度
不低于120℃
不低于100℃
层间温度
不低于100℃
不低于80℃
焊接保温
必须焊后保温冷却至10℃
无硬性要求
焊口返修
必须整口预热，焊后保温
仅在返修区域沿焊道上下150mm范围内预热
因此，冬季焊接施工主要控制以下几个环节：
3.2.1 焊前预热
预热有较好的去氢效果，预热温度较高时明显减少了残留于熔敷金属中扩散氢的含量，同时还可以降低焊后冷却速度来改善组织和应力分布，以防止冷裂纹的产生。西气东输二线冬季施工时，由正常根焊预热扩大到每层位焊接前均采取焊前预热，根焊采用中频预热为主，以环形火焰预热为辅。根焊预热时，派专人将两根感应电缆缠绕在管口上，每根缠绕5圈，之间的间隔为15mm－20mm，缠绕完成后，接好安全扣，通电进行感应加热，边加热边用红外线测温仪均匀测量管口温度，预热温度达到140℃左右时，停止加热，去掉中频加热电缆，立即进行根焊，在根焊时随时监控管口温度，焊接上部时随时用火焰加热管口下半部，焊接下部时用火焰加热管口上半部保证预热温度。根焊完成后，用电伴热带进行层间温度控制与保温。

图3 现场用中频加热器

图4 现场用环形火焰器加热
3.2.2层间温度控制
热焊、填充、盖面焊的层间温度保温措施采用电伴热带进行。根焊完成后，将电伴热带安装在焊缝两侧50mm处，通电加热，温度调节控制为85℃，焊接时，电伴热带继续加热，保证层间温度的均匀性。

图5 现场用电伴热带进行层间保温
3.2.3焊后保温与缓冷
焊后保温和缓冷主要影响冷却速度，冷却速度的改变主要影响过冷奥氏体的转变温度，随着冷却速度的增加，过冷奥氏体的转变温度降低，导致淬硬组织的形成，以致增加冷裂纹的敏感性。
在西二线冬季施工中，盖面焊完成后，将电伴热带去掉用于热焊位置层间保温，循环使用。盖面完成后不清理焊缝表面上的药皮，先用保温被固定在焊口部位再向前移动防风保温棚，保温被绑扎前必须烘干和干燥，派专人进行收集烘干和绑扎保温被，至到焊口温度降低到环境温度后，再拆除保温被。保温被拆除后，再清除焊缝表面的药皮和飞溅。保温被厚度均匀，捆扎紧密，保温效果良好。冬季施工时每个焊接机组配置10条保温被，机组质检员随时检查保温被，发现损坏时及时更换新的保温被，以保证焊后保温缓冷效果。

图6 焊后的焊口缓冷与保温
3.2.4焊口返修
冬季施工焊口返修时，预热温度不得低于150℃，全壁厚返修时，进行整口预热，预热采用环形火焰加热器，加热宽度为坡口两侧各100mm；非全壁厚返修，利用烤把加热，加热宽度为坡口两侧各100mm 且均匀加热，加热长度为返修区上下500mm 范围内加热。预热后进行打磨找出缺陷，缺陷找到后再进行一次预热达到温度要求后，再进行补焊，焊接时严格执行返修焊接工艺规程。焊口返修完成后，立即用保温被绑扎在焊缝表面上，绑扎紧密，留用足够的保温时间，当焊缝的温度降至10℃或以下时，方可撤除保温被。
3.3防风措施
冬季施工时，在防风棚内焊接时，可能导致保护气失效的主要原因为来自管内的穿堂风，穿堂风产生的原因是管线始端有堵板焊死，当根焊后的填充、盖面焊时，管内的空气会因高温加热而膨胀，产生一定压力的气流向施焊前进方向流动，而从根焊时的组对间隙中逸出并产生较大风速的气流，导致根焊时（尤其收口时）产生气孔。对于以上在对口器后附加一个弹性密封堵板，将根焊接头与后面的气流隔离，保证根焊部分管内空气为静止的。或者在管口处支撑一把遮阳伞，这样既挡住了外面风进入管内，也使管内的热空气可以从管口散出，达到了有效预防目的。

4 结束语
大口径长输管道建设的第二次高峰已经来临，冬季施工已经不可避免，在西气东输二线的冬季焊接施工中，采取了以上的技术和措施，保证了焊接质量，焊接一次合格率始终保持在99％以上，但在冬季施工中，除了焊接施工外，如防腐补口、管沟开挖与回填、地貌恢复，场站混凝土浇注等方面还需要积极的探索与研究。

作者简介：
李国明，毕业院校:西安石油大学材料加工工程专业，硕士学位，1981年7月出生，籍贯:甘肃庆阳，工作单位:长庆建工七分公司，联系电话:[phone].
付新锋，毕业院校：西安石油大学油气储运专业，学士学位，1979年12月出生，籍贯:陕西渭南，工作单位:长庆建工七分公司，联系电话:[phone]。
王元，毕业院校：西安石油大学材料成型与控制专业，学士学位，1983年8月出生，籍贯:陕西临潼，工作单位:长庆建工七分公司，联系电话:[phone]。
刘耀坤，毕业院校：中国石油大学（华东）材料成型与控制专业，学士学位，1983年10月出生，籍贯:山西临汾，工作单位:长庆建工七分公司，联系电话:[phone]。
贺妮娜,毕业院校:兰州工程学院计算机应用与维护,1983年12月出生,籍贯:陕西乾县,工作单位:长庆建工七分公司,联系电话:[phone]
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命运如同手中的掌纹，无论多曲折，终掌握在自己手中
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