长输油气管道焊接方法及焊材选用1.pdf

长输油气管道焊接方法及焊材选用张 振 永(中国石油天然气管道工程有限公司)摘 要 介绍了国内外长输油气管道的三种主要焊接方法:手工焊、半自动焊和全自动焊,重点阐述和分析了国内近几年新建管线不同焊接方法的使用情况,同时对不同焊接方法的选用情况和管线钢与焊接材料的匹配进行了一定的探讨和研究。关键词 油气管道 焊接方法 焊材 选用0 前 言管道焊接是管道工程建设中的重要一环,其现场焊接效率和安全可靠性在每条管道建设中都倍受关注。从20世纪50年代国内第一条长输管道建设开始,至今半个世纪中,国内现场焊接施工方式大致经历了手工电弧焊上向焊、手工电弧焊下向焊、半自动焊和自动焊四个发展过程。手工电弧焊下向焊是20世纪80年代从国外引进的一种先进焊接方式,在目前管道建设中最为常用;20世纪90年代以后,随着国内一批长输管线的开工建设,半自动焊也很快被引进应用,如前几年建成的1500 km苏丹输油管道和国内940 km的涩北 西宁 兰州输气管道以及1200 km的兰州 成都 重庆成品油管道中都大量采用了半自动焊方式,其中在STT半自动焊中还首次采用了国产的气保焊丝;虽然国内自动焊技术发展较晚,但随着西气东输工程的开工建设,这种焊接技术的研制和发展也很快,现已在西气东输工程中得到了成功的应用。1 管道焊接的特点及要求管道作为油气资源五大运输方式之一,具有线路长,跨区域范围大的特点,途经山区、平原、丘陵沙漠和水域等多种地形、地貌。自然条件变化大、施工作业条件差。现场管道焊接具有以下特殊性:(1)焊接场地不固定。现场施工作业点随着施工地点变化而变化,与工厂焊接生产相比,环境条件变化大,外界环境因素对焊接质量影响大;(2)施工作业直接受沿线地形地貌的影响。长输管道线路长,一般要经过多种地形、地貌。所选焊接施工方法应对外界环境有良好的适应性;(3)自然环境对焊接质量有较大影响。长输管道施工焊接属于野外作业,不可避免要承受风、雪、雨、温度、湿度等自然环境因素的影响;(4)管道焊接自动化程度要低于工厂内焊接,焊接质量受焊工技能、焊工操作因素的影响较大。针对长输油气管道现场焊接的特殊性,选用焊接方法应满足以下要求:(1)必须能够进行全位置焊接(横、平、立、仰),以便能够完成整个环焊缝的焊接;(2)对外界不利气候有较大的适应性;(3)焊接效率高,焊接速度快;(4)能够获得高质量的焊接接头。2 管道常用的几种焊接方法2.1 手工电弧焊手工电弧焊设备简单、移动方便、操作灵活,是野外管道焊接最为常用的一种方法。根据管道焊接的施焊方向,分为上向焊和下向焊两种方式。上向焊是从管道环焊缝的管底起弧,向上运条焊接到管顶的一种自下而上的焊接方式,20世纪80年代初期此方式在我国占主导地位。下向焊焊接方向正好与上向焊相反,是从管顶起弧向管底焊接,此方法在20世纪80年代中期首先由石油管73焊管 第27卷第2期2004年3月道局引进,并在以后的管道焊接中,逐渐取代了上向焊,占据了输油气管道焊接的主导地位。下向焊与上向焊相比,具有焊接速度快,薄层多焊的特点,焊接质量也明显优于上向焊。根据管道环焊缝全位置焊接特点,一般选用两种具有全位置焊接性能的焊条,即高纤维素焊条和低氢焊条。根据焊接方向和选用焊条的不同,手工电弧焊接主要有以下几种方式:纤维素焊条下向焊、低氢焊条上向焊、低氢焊条下向焊和组合焊。2.1.1 纤维素焊条下向焊纤维素焊条下向焊是目前国内长输管线普遍采用的焊接方法,适宜于X60钢级以下、管径大于或等于254 mm、厚壁716 mm管道的焊接。其突出优点是大电流、高焊速,根焊速度可达2050 cm/min,焊接效率高。但纤维素焊条的熔解氢含量要达到3040 ml/100g,焊缝的低温韧性和抗裂性不如低氢焊条。因此,如果焊接高强度钢管和在寒冷地区进行焊接作业,要采取必要的焊前预热和层间加热以防止焊接裂纹。此种焊接方式在国内部分新建管线的应用如表1。表1 纤维素焊条下向焊在国内部分新建管线中的应用情况工程名称管径/mm设计压力/MPa管道长度/km钢级焊条型号(AWS)建设时间/年靖边 银川输气管道4266.27300X52E601019961997义马 郑州输气管道4262.5198SM400CE601019981999中宁 银川输油管道273.16.27112L360E601020002.1.2 低氢焊条下向焊这种焊接方法由于选用了低氢型焊条,焊缝熔合金属含氢量低,小于5 ml/100g,因此使得焊缝具有优良的低温韧性和抗断裂性能,主要应用于硫化氢腐蚀较严重的管线或在寒冷环境中运行的管线上。这种焊接方法在填充和盖面焊中,焊接速度基本与纤维素焊条速度相当,但在根焊过程中,焊接速度明显低于纤维素焊条,同时对根焊时的焊口组对和坡口尺寸要求要严于纤维素焊条焊接,并容易出现未焊透、未熔合和内咬边等根部缺陷。因此这种焊接方法在长输油气管线中一般不单独使用。2.1.3 低氢焊条上向焊低氢焊条上向焊主要应用于小口径管线钢焊接中。由于具有优良的抗冷裂性能以及在接头尺寸不出现大错边的情况下仍具有良好的X射线合格率,因此这种方法常用于工艺厂站内的一些重要管件和接头上。这种方法的效率要低于其他方法。2.1.4 组合焊用多种焊接方法共同完成一道环焊缝的焊接,以达到最佳焊接效果,称组合焊。组合焊有以下几种组合方式:(1)根焊和热焊用纤维素焊条下向焊,填充、盖面采用上向焊。在厚壁管(716 mm)焊接中,下向焊最具有竞争力。当管壁太厚时,焊接层数也相应增加,焊接燃弧时间因素对整个焊接时间的影响降低了,其高效性优点也就丧失了。因此,对于壁厚超过16 mm的管线钢,常采用下向焊和上向焊两种方法的组合。(2)根焊采用上向焊,填充和盖面采用下向焊对于根焊,下向焊要求的坡口精度要高于上向焊。在一些连头对死口焊接中,推荐使用上向焊打底根焊,下向焊填充、盖面。(3)纤维素焊条下向根焊、热焊,其余焊道采用低氢下向焊这种焊接方法是国内近十年来管道建设中最为常用的一种方法,纤维素的根焊速度快,对组对质量要求不高,适宜于机械化流水线焊接作业,填充、盖面用低氢下向焊,不但速度快、层间清渣容易、盖面成型美观,而且焊缝具有优良的低温韧性和抗裂性能。这种方法一般用于X56钢级以上管道的焊接,特别是输气管道中。此种焊接方式在国内部分新建管线中的应用情况如表2。管道建设采用手工电弧焊时,焊接材料的选用情况如表3。83焊 管 2004年3月 表2 组合焊在国内部分新建管线中的应用情况工程名称管径/mm设计压力/MPa管道长度/km钢级焊条型号(AWS)建设时间/年陕甘宁 北京输气管道6606.27840X60E6010 E8010-GE8018-G19961997涩北 西宁 兰州输气管道6606.27940X60E6010 E8010-GE8018-G20002001表3 手工电弧焊焊接材料的选用情况钢级API 5L焊道上向焊下向焊低氢焊条(AWS)高纤维素焊条(AWS)低氢焊条低氢焊条+纤维素焊条X42X46X52根焊热焊填充、盖面E7016E7016E7018E6010X56根焊热焊填充、盖面E7016E7016E7018E6010E7010-GE7010-GX60根焊热焊填充、盖面E7016E7016E7018E6010E7010-GE7010-GE8018-GE6010E7010-GE8018-GX65根焊热焊填充、盖面E7016E7016E9016E9018-GE6010E7010-GE7010-GE8018-GE7010-GE8010-GE8018-GX70根焊热焊填充、盖面E9016-GE9018-GE7010-GE8010-GE8010-GE8018-GE7010-GE8010-GE8018-G2.2 半自动焊随着国内长距离、大口径、高压力的管道日益增多,现场管道焊接工作量和劳动强度也大幅度增加,手工电弧焊难以适应管道建设发展的需要,而选用自保护药芯焊丝的半自动焊方法则能满足这种要求,与手工下向焊相比,这种方法具有以下特点:(1)采用半自动焊机配以自动送丝机,焊接时可以从管顶施焊,一直焊至管底,中间不需更换焊条,因而也不会出现断弧,大大节省了焊接时间。同时由于减少了焊接中的断弧、起弧,因而也就降低了接头缺陷的产生。(2)用大电流焊接,焊接速度明显高于焊条施焊。(3)不需气体保护,可在外部风速较大的环境下施焊,减少了焊机的气体保护设施和防风棚,适用于野外焊接。(4)同一焊道在填充、盖面层可以采用同一牌号焊丝,缩短了焊接作业线,减少了设备的搬迁次数。管道局焊接培训中心曾对该半自动焊与手工焊进行过试验对比,试验用焊接材料为:手工焊采用AWSA5.1 FOXCEL E6010根焊、AWSA5.5FOXCELE8010-G热 焊 和AWSA5.5 FOXCELE8018-G填 充、盖 面。半 自 动 焊 采 用AWSA5.1 FOXCEL E6010根焊、AWSA5.29 E71T893 第27卷第2期 张振永:长输油气管道焊接方法及焊材选用-K6 NR207填充、盖面。焊接钢管为API 5L X60控制轧制管线钢管,管径为711 mm,壁厚8.1 mm,管口采用对接形式。焊接坡口如图1所示。V型坡口,壁厚8.1 mm,根部间隙b为1.60.4 mm,钝边高度a为1.60.4 mm,坡口面角度为30 2.5。图1 坡口示意图半自动焊和手工焊焊接试验力学性能和冲击功试验对比结果如表4。由表4可以看出,手工焊和半自动焊结果均满足标准要求,但半自动焊缝试件的冲击功试验值要明显高于手工焊的焊缝试件,说明该焊接工艺施焊焊缝具有更好的韧性。由于自保护药芯焊丝半自动焊技术在长输管道野外施工中显现出的独特优势1,目前这种焊接方法已普遍应用于国内外的管道建设中,由于表4 半自动焊和手工焊焊接试验性能对比试验名称半自动焊缝试件手工焊缝试件结论拉伸试验b/MPa断裂位置603母材556母材合格合格刻槽断裂试验无缺陷无缺陷合格弯曲试验面弯根弯未见异常1.0mm裂纹未见异常1.2mm裂纹合格合格硬度HV值210208合格冲击吸收功平均值/J平焊位立焊位焊缝熔合线焊缝熔合线78.6106.374.693.74195.35187合格合格合格合格进行根焊的自保护药芯焊丝应用还不成熟,国内在实际的焊接中,基本上是采用AWS 5.1 E6010焊条手工下向焊或STT气体保护焊进行打底,自保护药芯焊丝半自动焊进行填充、盖面。近几年,自保护药芯焊丝半自动焊被广泛应用于管线建设中,如库尔勒 鄯善输油管线、兰州 成都 重庆成品油管线和国内在建的西气东输管线,具体应用情况如表5。表5 自保护药芯焊丝半自动焊在部分新建管道中的应用情况工程名称管径/mm设计压力/MPa管道长度/km钢级(API)焊材型号(AWS)建设时间/年库尔勒 鄯善输油管线6106.27450X65E6010E71T8-K619951997兰州 成都 重庆成品油管线508101200X52E6010E71T8-K620012002西气东输管线1016103800X70ER70S-GE71T8-K6在建 通过工程上的实际应用证明,自保护药芯焊丝半自动焊具有明显优势:(1)焊接质量高。以 660 mm8.7 mm钢管为例,手工焊在单个环焊缝中约出现50个接头,而半自动焊只有16个左右,可见焊接接头明显少于手工电弧焊,因而出现弧坑缺陷几率大大降低。自保护药芯焊丝半自动焊,焊接一次合格率高达95%,明显高于手工电弧焊,降低了现场返修工作量,保证了焊接质量。(2)降低了工人的焊接劳动强度。尤其像西气东输这种大口径、高压力管线,在四级地区壁厚达26 mm,采用半自动焊工艺,可以充分发挥其高效优势,大幅度降低了操作人员的劳动强度。(3)具有较强的抗风能力。在风速高达10m/s的情况下仍可进行焊接作业,低于低氢焊条手工焊上限值5 m/s的风速要求,更远小于气体保护焊2 m/s的风速要求,减小了对防风设施的投入。04焊 管 2004年3月(4)节省焊接材料。自保护药芯焊丝半自动焊熔敷效率高达85%,而手工焊只有55%左右。以苏丹富拉输油管线中的 610 mm9.5 mm线路段为例,手工电弧焊焊接一道口所需的焊条用量为2.45 kg,而自保护药芯焊丝半自动焊焊丝用量只有1.35 kg,所采用焊丝与焊条相比,焊材节省量为0.11 t/km,对整个长720 km的管线工程来讲,因减少焊材用量而节省的工程投资将有百万元之多,经济效益非常可观。(5)适用于多种地形、地貌。自保护药芯焊丝半自动焊因其设备相对简单、操作方便,可以适用于多种地形、地貌,如在平原、戈壁、沙漠、丘陵和坡度不是太陡的山区地段,均可以进行大规模流水线焊接作业。管道建设采用半自动焊时,焊接材料选用情况如表6。表6 半自动焊焊接材料选用情况钢级(API)根焊焊条(AWS)填充、盖面药芯焊丝(AWS)根焊气保焊丝(AWS)X42、X46、X52E6010E61T8-K6ER70S-4X56、X60E6010E71T8-K6(E71T8-Ni1)ER70S-61、ER70S-GX65、X70E6010E81T1-Ni1ER70S-61、ER70S-G2.3 自动焊20世纪60年代,国际上就开始在管道建设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,大机组流水作业,焊接质量稳定,操作简便,焊缝成型美观2。国内应用自动焊技术起步较晚,在19992000年施工的大港 永清输气管道和涩北 西宁 兰州输气管道上,管道局使用引进的NOREAST AW 97-1焊机做试验,用STT打底焊,NOREAST焊机填充、盖面。在涩北 西宁 兰州输气管道上的试验段情况表明:(1)焊缝表面成型规则、饱满,且与母材过渡圆滑;(2)在试验段4.2 km范围内X射线拍片350道焊口,一次合格率达到97%;(3)每道焊口的电弧燃烧时间为35 min,全自动焊比手工焊效率提高30%40%;(4)焊缝内在晶体组织较好。自动焊技术在国内大规模应用是在西气东输管道建设工程中。为准备建设西气东输工程,管道局从英国NOREAST公司购买了三套型号为AW40-42的管道内焊机;从意大利PWT公司购进了7台PWT-NRT外焊机,同时也装备了由石油天然气管道科学研究院承担研制的PAW2000型外焊机。2002年,在西气东输东部豫皖段,采用了NOREAST内焊机根焊+PAW2000外焊机填充、盖面焊和STT半自动焊机根焊+PAW2000外焊机填充盖面两种自动焊接方法,其中NOREAST内焊机根焊+PAW2000外焊机填充、盖面方法焊接钢管规格为 1016 mm14.6 mm,坡口采用双X型,起初日焊接速度一般在2030道口,焊接一次合格率也只有50%60%。随着施工的进展,磨合期的过渡,日焊接速度达到4050道口,最高日焊接60道口,ATU探伤焊接一次合格率达到98%99%,采用此方法共焊管线长度160 km;采用STT半自动焊机根焊+PAW2000外焊机填充、盖面方法焊接钢管规格为 1016 mm17.5 mm,坡口为V型,在前40 km中,日焊接速度一般2025道口,最高日焊接30道口,焊接一次合格率为93%,焊接速度较慢一是由于使用方法时间较短磨合不够,二是管道壁厚相对较厚,采用V型坡口焊缝填充量较大。经过2002年,随着自动焊操作人员的进一步熟悉和掌握,也采取了一系列改进措施,在2003年的西气东输新疆段,规格为 1016 mm14.6 mm的地段单机组日焊速度可达80100道口,探伤合格率也高达95%以上。全自动焊设备较为复杂,尤其是采用实芯焊丝气保焊时,防风棚必不可少,全自动焊接一般用于大口径、大壁厚管线的平原、微丘等地形较好的地段。自动焊在国内部分新建管道上的应用情况如表7。管道建设采用自动焊时,焊接材料选用情况如表8。14 第27卷第2期 张振永:长输油气管道焊接方法及焊材选用表7 自动焊在部分新建管道中的应用情况工程名称管径/mm设计压力/MPa管道长度/km钢级焊丝牌号焊条型号(AWS)备注大港 永清输气管道7116.4120X65JM-56ER70S-6整个焊缝涩宁兰输气管道6606.4940X65JM-58ER70S-GX70试验段西气东输1016103800X70JM-58JM-68ER70S-GER80S-GSTT现场打底焊自动焊填充盖面表8 半自动焊焊接材料选用情况钢级(API)根焊焊条(AWS)气保焊丝(AWS)X42、X46、X52E6010ER70S-4X56、X60E6010ER70S-6、ER70S-GX65、X70E6010ER70S-G、ER80S-G2.4 管道环缝焊接方法比较根据试验和实际应用情况,将五种管道环缝焊接方法进行比较,见表9。表9 管道环缝焊接方法比较项目纤维素下向焊低氢下向焊低氢上向焊药芯焊丝半自动焊全自动气保焊操作技术一般偏难较难较易较易适应性(根焊)一般较差较好较好较差其余焊道好较好好好好焊接速度快快慢快快使用壁厚/mm6176171788接头性能一般优良优良较好优良抗裂性一般优良优良较好优良气孔敏感 不敏感敏感敏感一般敏感缺陷率一般较大较小较小较小抗风能力一般较低较低较强差风速限值/(m/s)855823 结束语手工焊、半自动焊和全自动焊三种方式各具特点,互为补充。半自动焊在国内应用比较成熟,是目前管道焊接中最常用的一种方法。目前全自动焊接也已从试验阶段进入到工程使用阶段,并将在以后的大型管道建设工程中得到广泛的应用,手工焊作为一种传统的焊接方法,在管道焊接中的主导地位将逐渐减弱,但因其设备简单,操作方便,在管道焊接中仍将被采用,尤其在小口径管道建设工程中。在管道焊接中,要结合工程的实际情况,综合考虑管径、壁厚、钢级以及管线沿途的地形、地貌等情况,选择合适的焊接工艺,以达到最佳的焊接技术经济性。参考文献1 崇福,田立.用于管道焊接的药芯焊丝半自动焊接技术.焊管,2000(6)2 薛振奎,隋永莉.国内外油气管道焊接施工现状与展望.WTO与管道建设.北京:石油工业出版社,2002作者 张振永,男,1995年毕业于石油大学(华东)焊接工艺与设备专业,现在中国石油天然气管道工程有限公司从事线路工程设计。电话:[phone]E2mail:zhangzhenyong (收稿日期:2003-06-20)(修改稿收稿日期:2003-08-09)编辑 谢淑霞24焊 管 2004年3月 Key words:pipeline steelHAZinduration elementt8/5predictionThe Activity Analysis and Calculation for Fly-saw Mechan2ical LengthSong Zhenghe(27)Abstract:Based on the discussion on feasibility of fly2saw me2chanical length equipment,it is performed to analyze and calcu2late the fly2saw mechanical length activities.Therefore in the the2ories way it is proved for the accuracy and feasibilities of me2chanical length,also it is very important in practice to mechanicallength on common fly2saw.Key words:fly2sawmechanical lengthactivities analysiscalculationThe Synthesized Speed&Controlment of X-ray IndustryTV Inspection SystemHuang Fachun,Yang Zhenduo(30)Abstract:It introduces the X2ray industry TV controlment systembased on the PLC and transducer,detail explains the systemmade2up,work theories and software design methods.The control2ment can increase the work speed and accuracy of X2ray industryTV inspection system,and also can less the labor strength.Key words:PLCX2ray inspectionThe Weld Process of Thin Wall Ti-alloy Pipe for Auto2cy2cle SilencerQi Junfeng,Zhou YongShi Kai,Xi Yuntao(33)Abstract:As the example of pipes made with the Ti2alloy thickplate for auto2cycle silencer,it introduces the related equipmentsand weld process.Meanwhile it focuses on the analysis of piercedweld in the weld process,introducing arc and shield gas adop2tion,also raises the detailed solving methods.What it concerns al2so owns the reference for the weld of other Ti2alloy materials.Key words:Ti2alloythick platepipeweld processWeld Consumable Adoption&Long Distance TransmittingOil and G as Pipeline Weld MethodZhang Zhenyong(37)Abstract:It introduces three main weld methods in transimittingoil pipeline over the world such as manual weld,half2automaticweld and full automatic weld.It focus on the different weld meth2ods in recent years applied into new2built pipeline and its appli2cation,meanwhile discusses and researches the adoption of weldmethods and weld consumable match.Key words:oil and gas pipelineweld 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for similar design inthe future.Key words:hot oil pumpsteam corrosionhot stresspipeend strengthThe Defect Analysis on Inside Weld Seam Side of Pipe WithSteel Grade Q 235Cai Xuming(56)Abstract:The defects will be found in the seam side with ultra2sonic inspection but hardly found with X2ray inspection as the57 第27卷第2期 英 文 摘 要