主办单位:中国焊接协会 中国机械工程学会焊接学会
总    期:第78期 2004第2期
发行份数:12430份(2004/2/4)
编    辑:晓  晔       瑷  珉  
   

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国 内 外 油 气 管 道 焊 接 技 术 发 展 综 述(下)
中国石油天然气管道局科学研究院 薛振奎 隋永莉

3  焊接工艺

3.1 现场焊接的特点

由于发现和开采的油气田地处边远地区,地理、气候、地质条件恶劣,社会依托条件较差,给施工带来很多困难,尤其低温带来的麻烦最大。

现场焊接时,采用对口器进行管口组对。为了提高效率,一般是在对好的管口下放置基础梁木或土堆,在对前一个对接口进行焊接的同时,开始下一个对接准备工作。这将产生较大的附加应力。同时由于钢管热胀冷缩的影响,在碰死口时最容易因附加应力而出问题。

现场焊接位置为管水平固定或倾斜固定对接,包括平焊、立焊、仰焊、横焊等焊接位置。所以对焊工的操作技术提出了更高、更严的要求。

当今管道工业要求管道有较高的输送压力和较大的管线直径并保证其安全运行。为适应管线钢的高强化、高韧化、管径的大型化和管壁的厚壁化出现了多种焊接方法、焊接材料和焊接工艺。

3.2 管道施工焊接方法

国外管道焊接施工经历了手工焊和自动焊的发展历程。手工焊主要为纤维素焊条下向焊和低氢焊条下向焊。在管道自动焊方面,有前苏联研制的管道闪光对焊机,其在前苏联时期累计焊接大口径管道数万公里。它的显著特点就是效率高,对环境的适应能力很强。美国CRC公司研制的CRC多头气体保护管道自动焊接系统,由管端坡口机、内对口器与内焊机组合系统、外焊机三大部分组成。到目前为止,已在世界范围内累计焊接管道长度超过34000km。法国、前苏联等其他国家也都研究应用了类似的管道内外自动焊技术,此种技术方向已成为当今世界大口径管道自动焊技术主流。

我国钢质管道环缝焊接技术经历了几次大的变革,七十年代采用传统焊接方法,低氢型焊条手工电弧焊上向焊技术,八十年代推广手工电弧焊下向焊技术,为纤维素焊条和低氢型焊条下向焊,九十年代应用自保护药芯焊丝半自动焊技术,到今天开始全面推广全位置自动焊技术。

手工电弧焊包括纤维素焊条和低氢焊条的应用。手工电弧焊上向焊技术是我国以往管道施工中的主要焊接方法,其特点为管口组对间隙较大,焊接过程中采用息弧操作法完成,每层焊层厚度较大,焊接效率低。手工电弧焊下向焊是八十年代从国外引进的焊接技术,其特点为管口组对间隙小,焊接过程中采用大电流、多层、快速焊的操作方法来完成,适合于流水作业,焊接效率较高。由于每层焊层厚度较薄,通过后面焊层对前面焊层的热处理作用可提高环焊接头的韧性。手工电弧焊方法灵活简便、适应性强,其下向焊和上向焊两种方法的有机结合及纤维素焊条良好的根焊适应性在很多场合下仍是自动焊方法所不能代替的。

自保护药芯焊丝半自动焊技术是20世纪90年代开始应用到管道施工中的,主要用来填充和盖面。其特点为熔敷效率高,全位置成形好,环境适应能力强,焊工易于掌握,是目前管道施工的一种重要焊接工艺方法。

随着管道建设用钢管强度等级的提高,管径和壁厚的增大,在管道施工中逐渐开始应用自动焊技术。管道自动焊技术由于焊接效率高,劳动强度小,焊接过程受人为因素影响小等优势,在大口径、厚壁管道建设的应用中具有很大潜力。但我国的管道自动焊接技术正处于起步阶段,根部自动焊问题尚未解决,管端坡口整形机等配套设施尚未成熟,这些都限制了自动焊技术的大规模应用。

目前自动焊根焊主要采用STT半自动焊。STT半自动焊属于CO2气体保护焊,它是通过精确的基值和峰值电流和电压控制,使熔滴过渡更利于成型,焊接过程稳定,解决了飞溅问题和大口径管道根部焊环节单面焊双面成型的难题。

3.3 西气东输管道工程中应用的焊接方法

由于西气东输线路工程用钢管的强度等级较高,管径和壁厚较大,所以线路施工以自动焊和半自动焊为主,手工焊为辅。所涉及的主要焊接方法有熔化极气体保护电弧焊(GTAW,自保护药芯焊丝电弧焊(FCAW)和手工电弧焊(SMAW)。

自动焊方法包括:①内焊机根部焊+自动外焊机填充、盖面;②STT气保护半自动焊部根焊+自动外焊机填充、盖面;③纤维素焊条手工电弧焊根部焊+外焊机自动焊填充、盖面。这几种焊接方法的区别在于根部焊方法的不同。

针对管道局自动外焊机PAW-2000、英国自动外焊机NOREAST,集团公司工程技术研究院自动外焊机APW-Ⅱ分别进行了焊接工艺性能试验。试验结果表明,对于大口径、厚壁钢管,采用自动焊的方法焊接具有十分明显的优势,劳动强度大大降低,焊接效率显著提高。试验还表明,自动外焊技术对坡口形状及管口组对要求严格,现场施工必须具备内对口器、管端坡口整形机等配套机具。另外,采用手工焊或半自动焊方法进行根部焊时,由于管口组对间隙不同造成坡口形状、尺寸不一致,自动外焊机填充、盖面时就极易形成坡口边缘未熔合,从而制约了自动外焊机优势的发挥。

半自动焊方法为纤维素型焊条手工下向根部焊,自保护药芯焊丝半自动焊填充、盖面。

手工电弧焊方法为纤维素型焊条下向焊根部焊,低氢型焊条下向焊填充、盖面。

4 焊接材料及焊接设备

管道焊接施工中采用的焊接材料有纤维素型焊条、低氢型焊条、自保护药芯焊丝和CO2气保护实芯焊丝。纤维素型下向焊条的药皮中含有30%-50%的有机物,具有极强的造气功能,在保护电弧和熔池的同时增加了电弧吹力,适合于全位置单面焊双面成型。低氢型下向焊条的药皮中含有铁粉,可增加熔敷效率,提高焊接接头力学性能,适用于山区、水网等地形复杂或焊接自动化程度要求不高的场合。自保护药芯焊丝由药芯高温分解释放出的大量气体对电弧及熔池进行保护,同时通过熔渣对熔池及凝固焊缝金属进行保护,是管道施工的一种重要的焊接材料。CO2气保护实芯焊丝主要用于STT半自动焊和全位置自动焊。

过去管道焊接施工中采用的纤维素型焊条和低氢型焊条主要依靠进口,如美国LINCOLN焊材,奥地利BOHLER焊材,瑞典ESAB焊材,日本KOBE焊材,法国SAF焊材,以及美国HOBART焊材等,目前四川大西洋、天津金桥等公司也相继开发了管道下向焊用纤维素型焊条焊条。管道施工中采用的自保护药芯焊丝主要为美国LINCOLNHOBART的产品。适合的CO2气保护实心焊丝主要来源于台湾锦泰,四川大西洋,法国SAF,日本神钢、助友等焊材生产厂家。

使用一般的直流焊机进行纤维素型焊条焊接,在小电流时易出现断弧、粘条、电弧不稳等问题。低氢型焊条对弧焊设备的要求较低,一般的直流弧焊设备即可满足要求。管道施工中手工电弧焊可供选择的焊机有美国LINCOLN公司的DC-400,美国MILLER公司的XMT-304,北京时代集团公司的ZX7-400B,济南奥太公司的ZX7-400ST等。

自保护药芯焊丝焊接时,美国LINCOLN公司的DC-400直流电源+LN-23P送丝机,四川熊谷ZD7-500电源+X6-90送丝机是较好的选择,另外MILLER公司的XMT304直流电源+S-32P送丝机,唐王DC-400+LINCOLN LN-23P送丝机也可供选择。

CO2气保护焊根焊时,适用的焊机为LINCOLN公司的STT型逆变电源+LN-742送丝机,飞马特公司的ULTRA FLEX PULSE 350焊机+ULTRAFEED 1000送丝机。

自动焊时,管道局的自动外焊机PAW-2000是较好的选择,另外英国NOREAST自动外焊机、自动内焊机,加拿大RMS自动外焊机等也可供选择。

5 管道焊接施工未来的展望

随着管线钢性能的不断提高,管道建设越来越趋于向长距离,高工作压力,大口径、厚壁化方向发展,这就需要研发高质量的焊接材料和高效率的焊接方法与之匹配,保证环焊接头的强韧性。

未来的管道建设,为获得施工的高效率和高质量,将优先考虑熔化极气体保护焊。而自保护药芯焊丝半自动焊与手工电弧焊相结合,由于操作灵活,环境适应性强,一次性投资小,对于大直径、大壁厚钢管是一种好的焊接工艺。

  *薛振奎,焊接协会管道焊接专业委员会主任,中国石油天然气管道局科学研究院院长

(完)

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