焊管・第27卷第2期・2004年3月・37・
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
:焊, 关键词 0 前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1500km 苏丹输油管道和国内940km 的涩北—西宁—兰州输气管道以及1200km 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。
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
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
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
・38・焊 管 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254mm 、厚壁7～16mm 管道的焊接。其突出优点是大电流、高焊速, 根焊速度可达20～50cm/min , 焊接效率高。但纤维素焊条的熔解氢含量要达到30～40ml/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。此种焊接1。
表靖边—义马—郑州输气管道中宁—银川输油管道
/mm /MPa
426426273. 1
6. 272. 56. 27
管道长度/km
300198112
钢级
X 52S M400C L360
焊条型号(AWS )
E6010
E6010E6010
建设时间/年
1996～19971998～19992000
2. 1. 2 低氢焊条下向焊
盖面采用上向焊。
在厚壁管(7～16mm ) 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16mm 的管线钢, 常采用下向焊和上向焊两种方
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5ml/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
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。
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、
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2 组合焊在国内部分新建管线中的应用情况
工程名称
陕甘宁—北京输气管道
管径/mm
660
・39・
设计压力/MPa
6. 27
管道长度/km
840
钢级
X 60
焊条型号(AWS ) 建设时间/年
E6010E8010-G E8018-G E6010E8010-G E8018-G
1996～1997
涩北—西宁—兰州输气管道6606. 27940X 602000～2001
表3 钢级
API 5L X 42X X 52
焊道根焊、盖面根焊
上向焊低氢焊条()
E7018E7016E7016E7018E7016E7016E7018E7016E7016E9016E9018-G E9016-G E9018-G
E6010E7010-G E7010-G E6010E7010-G E7010-G E6010E7010-G E7010-G E7010-G E8010-G E8010-G E6010
下向焊
(低氢焊条+纤维素焊条
X 56热焊填充、盖面根焊
E6010
E8018-G
E7010-G E8018-G E7010-G
E8018-G
E8010-
G E8018-G E7010-G
E8018-G
E8010-G E8018-G
X 60热焊填充、盖面根焊
X 65
热焊填充、盖面根焊
X 70热焊填充、盖面
2. 2 半自动焊
焊。
(3) 不需气体保护, 可在外部风速较大的环境
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
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:①手工焊采用AWS A5. 1FOXCE L E6010根焊、AWS A5. 5FOXCE LE 8010-G 热焊和AWS A5. 5FOXCE L E8018-G 填充、盖面。②半自动焊采用AWS A5. 1FOXCE L E6010根焊、AWS A5. 29E71T8
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
・40・焊 管 2004年3月
表4 半自动焊和手工焊焊接试验性能对比试验名称
σb /MPa 断裂位置
半自动焊缝试件
603
-K 6NR207填充、盖面。焊接钢管为API 5L X60
控制轧制管线钢管, 管径为711mm , 壁厚8. 1mm , 管口采用对接形式。焊接坡口如图1所示。V 型坡口, 壁厚8. 1mm , 根部间隙b 为1. 6±0. 4mm , 钝边高度a 为1. 6±0. 4mm , 坡口面角度α为30°±2. 5°。
拉伸试验
手工焊缝试件
556
结论合格合格合格
母材无缺陷未见异常
母材无缺陷
刻槽断裂试验
值图吸收功平均值/J 立焊位
焊缝熔合线
熔合线面弯合格
.0mm 裂纹合格
78. 6106. 374. 693. 7
2084195. 35187
合格合格合格合格合格
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
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. 1E6010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。
焊材型号(AWS ) 建设时间/年
E6010E71T 8-K 6E6010E71T 8-K 6ER70S -G E71T 8-K 6
1995～1997
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
库尔勒—鄯善输油管线
管径/mm 设计压力/MPa 管道长度/km 钢级(API )
610
6. 27
450
X 65
兰州—成都—重庆成品油管线508101200X 522001～2002
西气东输管线1016103800X 70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
(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26mm , 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5m/s 的风速要求, 更远小于气体保护焊2m/s 的风速要求, 减小了对防风设施的投入。
量, 保证了焊接质量。
第27卷第2期 张振永:长输油气管道焊接方法及焊材选用・41・
(4) 节省焊接材料。自保护药芯焊丝半自动
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
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
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 钢级(API )
X 42、X 46、X 52X 56、X 60根焊焊条(AWS )
填充()
-K 8-K 6(E71T 8-Ni1)
E81T 1-Ni1
(AWS )
ER70S -4ER70S -61、ER70S -G ER70S -61、ER70S -G
2. 3 自动焊
20世纪60年代, 国际上就开始在管道建设
机填充盖面两种自动焊接方法, 其中NORE AST 内焊机根焊+PAW2000外焊机填充、盖面方法焊接钢管规格为
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1999～2000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NORE AST AW 97-1焊机做试验, 用STT 打底焊,NORE AST 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
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
圆滑;
(2) 在试验段4. 2km 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35min , 全自
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
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NORE AST 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
～100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。
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NORE AST 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
・42・焊 管 2004年3月
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 7116601016
设计压力/
MPa 6. 46. 410
管道长度/
km 1209403800
钢级
X 65X 65X 70
焊丝牌号
JM -56JM -58JM -58JM -68
焊条型号
(AWS ) ER70S -6ER70S -G ER70S -G ER80S -G
备注整个焊缝
X 70试验段STT 现场打底焊
大港—永清输气管道涩宁兰输气管道西气东输
自动焊填充盖面
表8 半自动焊焊接材料选用情况钢级(API )
X 42X 56、X 65、X 70
、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. WT O 与管道建设. 北京:石油工业出版社,2002
根焊焊条
(AWS E6010
(AWS )
-4ER70S -6、ER70S -G ER70S -G 、ER80S -G
2. 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
项目操作技术适应性
(根焊)
纤维素低氢低氢药芯焊丝全自动
下向焊下向焊上向焊半自动焊气保焊一般一般好快
6～17
偏难较差较好快
6～17
较难较好好慢≥17优良优良敏感较小较低
5
较易较好好快≥8较好较好一般较小较强
8
较易较差好快≥8优良优良敏感较小差
2
其余焊道焊接速度使用壁厚/
mm
接头性能抗裂性
一般一般
优良优良
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
气孔敏感不敏感敏感缺陷率抗风能力风速限值/
(m/s )
气管道工程有限公司从事线路工程设计。电话:0316-2075949 E 2mail :zhangzhenyong @cppe.com. cn
(收稿日期:2003-06-20)
(修改稿收稿日期:2003-08-09)
一般一般
8
较大较低
5
编辑 谢淑霞
第27卷第2期 英文摘要
K ey w ords :pipeline steel H AZ induration element t 8/5
prediction
The Activity Analysis and C alculation for F ly -sa w Mech an 2ical Length
Song Zhenghe (27)
・75・
Abstract :It raises the ellipse hole type design method of sizing vertical roller based on the theories combining with the experi 2ence ,hole type system analysis on sizing vertical roller of longitu 2dinal welded pipe mill and the abrasion in practice. The practice proves that it is a g ood way to apply the ellipse hole design. K ey w ords :high 2frequency longitudinal welded pipe sizing ma 2
chine vertical roller ellipse hole type
The R esearch of Welded Oil Pipe
K ey w ords :fly 2saw mechanical length calculation
The ray I TV I Huang , Yang Zhenduo (30)
introduces the of oil pipe
K ey w ords :research steel grade J55 welded oil pipe weld 2
ed seam normalizing
R oller H ole Type Design for N otch Steel Sides I ntroflexion
Zhang Juncai , Zhang Wenyu (48)
Abstract :It introduces the X 2ray industry T V controlment system based on the P LC and transducer , detail explains the system made 2up ,w ork theories and s oftware design methods. The control 2ment can increase the w ork speed and accuracy of X 2ray industry T V inspection system ,and als o can less the labor strength. K ey w ords :P LC X 2ray inspection
The Weld Process of Thin W all Ti -alloy Pipe for Auto 2cy 2cle Silencer
Qi Junfeng , Zhou Yong , Shi Kai , Xi Yuntao (33)
Pow er Consumed Analysis on First Station of K u -Sh an Oil Pipeline
Yin Guoyao , Huo Hongli (50)
Abstract :K u ’erle pump station is the unique station to supply the transmitting oil press for full pipeline ,and its power consumed is above 75%of the full pipeline. Based on the different opera 2tion of main pump ,it analyzes its power consumption and points out that there is correlativity am ong unit consumption of transmit 2ting oil ,rotate speed of main pump and its output. The main pump can meet the requirements of process parameter and output in lower rotate speed operation for reduced cost.
K ey w ords :pipeline transmitting oil pump power consump 2
tion efficiency economy value
E ntrance Pipeline Design Discussion of H ot Oil Pump in Tow er Bottom
Zhang Linqing (52)
Abstract :As the example of pipes made with the T i 2alloy thick plate for auto 2cycle silencer ,it introduces the related equipments and weld process. Meanwhile it focuses on the analysis of pierced weld in the weld process ,introducing arc and shield gas adop 2tion ,als o raises the detailed s olving methods. What it concerns al 2s o owns the reference for the weld of other T i 2alloy materials. K ey w ords :T i 2alloy thick plate pipe weld process Weld Consum able Adoption &Long Distance T ransmitting Oil and G as Pipeline Weld Method
Zhang Zhenyong (37)
Abstract :C overing the steam corrosion ,hot stress and strength of pump end ,it Discusses the pipeline design problems on hot oil pump in tower bottom , and raises the reas onable res olving method. The method may be the reference for similar design in the future.
K ey w ords :hot oil pump steam corrosion hot stress pipe
end strength
The Defect Analysis on I nside Weld Seam Side of Pipe With Steel G rade Q 235
Cai Xuming (56)
Abstract :It introduces three main weld methods in transimitting oil pipeline over the w orld such as manual weld , half 2automatic weld and full automatic weld. It focus on the different weld meth 2ods in recent years applied into new 2built pipeline and its appli 2cation ,meanwhile discusses and researches the adoption of weld methods and weld consumable match.
K ey w ords :oil and gas pipeline weld methods weld consum 2
able and Adoption
H ole Type Analysis and Application on Sizing V ertical R oller of Longitudinal Welded Pipe Mill
Zhang Fusheng (43)
Abstract :The defects will be
found in the seam side with ultra 2s onic inspection but hardly found with X 2ray inspection as the