长输管道焊接技术及发展前景

一、长输管道的特点
长输管道作为铁路、公路、海运、民用航空和长输管道五大运输行业之一。其输送介质,除常见的石油、天然气外,还有工业用气体如氧气、CO2等、乙烯、液氨、矿浆、煤浆等介质。除煤浆管道仍在酝酿阶段外,其他输送介质管道在国内均有成功建设、运行业绩。
管道作为运输行业中一个单独系统,与其他运输系统有以下几方面的不同点:

1.管道与输送介质相对流动,这就要求管道内部尽可能光滑,减少磨阻;另外考虑介质的腐蚀性,在设计上要增加相应的裕量。

2.管道是相对固定的。即管道埋于地下,除改造、敷设新线路等原因外,管道一般不会发生位移。 3.输送的连续性。即管道一旦建成、投产,一般情况下应连续运行,相应地增加了不停输带压维修的操作难度和危险性。

4.在役运行的管道对地面建构筑物或区域长期构成威胁,尤其是天然气、煤气、LPG等易燃气体管道,其威胁程度更大。

5.长输管道除特殊地形,一般均为地下敷设,运行中不易发现潜在的危险,尤其是建设中未检出的缺陷。
通过上述分析,说明管道质量对其安全运行和使用寿命是非常重要的。因此,管道焊接质量是影响管道质量的极其重要的因素。

二、焊接在长输管道建设中的特点
1.流动性施工对焊接质量的影响。施工作业点随着施工进度而不断迁移,与工厂产品生产相比,增加了施工管理、质量管理、安全管理等方面的难度;因焊接作业处于流动状态,对保证质量相对增加了难度。

2.地形地貌对焊接质量的影响。施工单位没有能力选择理想的施工场地。一条长输管道可能会遇到多种地形如西气东输工程,自西向东途经戈壁、沙漠、黄土高原、山区、平原、水网等,地形地貌对焊接有直接影响,所以要因地制宜,选择不同的焊接方法来满足工程的需要。

3.环境对焊接质量的影响。风、雨、温度、湿度等自然环境,与焊接质量高低有着一定的关系。

4.除现场双联管焊接外,焊接设备、工艺、材料及焊工技能等因素,对焊接质量有很大影响。


5.人文、社会环境对焊接质量的影响。在我国的东部人工密集地区,由于种种原因,施工不能连续进行,往往给现场焊接带来困难。由于外界因素干扰,造成现场留头多,连头数量增加,质量难以保证,也使焊接成本上升。

三、管道焊接现状
随着社会技术进步,长输管道焊接技术也在逐步提高。

1.国内情况:
1.1 20世纪70年代及以前,管道建设中焊接以传统手工焊方法施工,该焊接方法由于焊接速度慢、焊接质量低已不再适宜在管道建设中应用。

1.2 20世纪80年代初,管道局引进了美欧的手工下向焊工艺,并逐步推广到大部分施工企业,质量上了一台阶。当时按焊缝延长米统计质量,x射线一次合格率达95%以上。该焊接方法已取代了传统手工焊方法。

1.3 20世纪90年代初,管道局从美国引进了自保护半自动焊设备和工艺。经过培训,将该工艺于1995年首次在突尼斯工程中应用,在以后的库鄯线、鄯乌线、苏丹工程及涩宁兰、兰成渝等管道工程中是主要的焊接方法。其焊接合格率按焊缝口统计,可以达到95%以上。其优点是连续送丝、不用气体保护、抗风性能较强4、5级风以下、焊工易操作等。其缺点首先是不能进行根焊,需要采用其他的焊接方法进行根焊。目前美国两家焊材厂家生产的焊丝都不能实现根焊焊接,林肯公司原推出的NR-204因工艺不过关,厂家建议改用下向焊完成根焊。其次是缺陷集中在夹渣上,这与手工焊根焊无关。另外,操作不当时盖面易出气孔。

1.4 自保护半自动焊焊材主要依靠进口。管道局从1994年开始试验以来,一直没有取得成果。据了解,国内有几家焊材研究机构进行了研制,至今未见正式产品,在各届焊接展览会上均未见产品。

1.5 1993年,管道二公司在轮南~库尔勒输油管道上首次应用双联管焊接方法。双联管焊接方法
在以后的陕京输气管道、苏丹管道工程中部分采用,收到了较好的效果。该焊接方法积累了丰富的经验。 1.6 20世纪60年代,国际上就开始在管道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,焊缝外观成型美观。自动焊技术在国内大规模应用是在西气东输管道工程中。


在西气东输工程中,管道二公司引进了NOREAST公司自动焊机AW97-1;石油天然气管道科学研究院承担管道局“九五”科研课题——全位置自动外焊机,该项目获中国石油天然气集团公司科研二等奖、中国石油天然气管道局科研一等奖。这两种焊机已应用到西气东输工程上。其他油建单位也引进了国外焊机,作了工程前的一系列准备工作。
目前采用的根焊方法主要有五种,一是内焊机,二是外焊机,三是STT根焊,四是外焊内衬强制成型,五是手工根焊。

为了解决根焊问题,管道局从NOREAST公司购买三套管道内焊机型号AW40-42,已在西气东输试验段上进行了应用。内焊机具有焊接速度快、直径1016毫米管径,根焊时间lmin、内焊道成型美观的优点,但由于设备结构复杂,在管道施工过程中设备故障较多,设备需要配备备件和高技术水平的维修人员。

1997年,从林肯公司引进了STT焊接设备和技术,首先在苏丹双联管焊接上应用,此次西气东输也作为一种备用方法。相对其他焊接方法,STT根焊具有焊接速度快、焊道光滑、不易出缺陷的优点,但其要求对口的质量较高,受风的影响较大。

传统或下向焊方法手工焊根焊,也不失为一种工艺。由于根焊后手工操作进行清根,清根后的焊道不规则,自动焊热焊、填充容易出现缺陷,主要是夹渣和未熔合。
PWT外焊根焊成型焊接设备PWT-NRT为意大利PWT公司研制,已在法国管道上进行了应用。据考察,应用效果较好,能保证3毫米错边量内两侧熔合。据了解,该设备在电源上有相应功能支持,配以合理的工艺参数,达到内部成型良好的目的。石油系统已购七套,设备应用情况要在西气东输工程应用后下结论。 外焊内铜衬垫强制成型根焊,石油天然气管道科学研究院早已研制专用了对口器,并做了大量试验,能够满足工程技术要求,但由于西气东输工程不允许采用该技术,故未做进一步工作。
以上几种设备各有特色,其中以石油天然气管道科学研究院的技术含量较高。

自动焊技术其缺点体现在:一是对管道坡口、对口质量要求高,即要求管子全周对口均匀;二是坡口型式要求严格,当管壁壁厚较厚时,确定工艺时采用复合型或U型坡口,不能仅考虑减少工作量,更重要的是要考虑到坡口对焊接质量的保证,小角度V型坡口虽然简化了施工程序,但从保证质量角度分析,复合型坡L或U型坡口更优;三是受外界气候的影响较大,这也是气体保护焊的普遍问题;四是边远地区气源问题,尤其是氩气,如西气东输工程西部平坦,适合于自动焊,但是氩气气源较远,混合气体只有西安较近,无形中增加工程成本。

通过分析,自动焊最佳匹配应该说是外焊内铜衬垫根焊强制成型加外自动焊,因为该设备简单,容易保证内部成型,有试验证明渗铜问题是有条件的,工艺适当,完全可以避免渗铜,或不致造成危害性结果。

根据以上分析和各种焊接方法的应用情况,个人认为,在一般情况下,长输管道焊接应以自保护半自动焊为主,像西气东输这样的管道工程,平坦地段宜推广应用自动焊,手工传统焊接方法及手工下向焊接方法为辅,在条件允许情况下,可以采用部分双联管焊接。

2.国外长输管道焊接现状:
在国外,科学的发展带动了焊接的技术进步。国际上大直径管道施工以自动焊接为主,其代表性的管道自动焊设备及工艺,当属美国CRC-EVANS。

根焊依然是最根本的问题,据了解,当前配合自动焊的根焊方法主要有两种,一是内焊机,二是
带铜垫对口器外焊根焊成型。

(1)内焊根焊情况前边已讲述,这里补充说明的一点是由于设备十分复杂,易出现故障,为保证管道连续作业,不让内焊出现故障而影响整个机组停工,往往要求内焊机有备用设备,即一个机组备用一台,或两机组备用一台,同时加强设备现场维修设施、备件及高水平维修人员的配备。备用焊机是好的方案,但焊机价格较高,成本增加。


(2)带内铜衬垫对口器外根焊成型工艺,已在国外很多管道上应用,尤其是在海洋管道上应用更为广泛。其中ALLIANCE管道和其他一些陆地管道也有较普遍的应用。西气东输工程拒绝使用这一工艺的原因在于两方面,一是渗铜问题,二是内部成型有尖锐金属,对通球扫线有影响,下面就这两个问题进行解释。
——渗铜是否影响焊缝质量。法国DASA公司曾对X70管道做过一系列试验,试验管道规格为直径914×19毫米,试验条件是调整对口间隙加大、缩小间隙、调整焊接电流(常规电流和增大焊接电流15A)。对不同试件分别进行加载疲劳试验、常规力学试验、宽板拉伸试验。

试验证明,加大间隙、增加电流,有渗铜现象;减小间隙无渗铜现象。不渗铜及极其微量渗铜的焊缝,完全满足设计要求;对于极端工艺,渗铜较严重的焊缝,轴向加载疲劳试验,未出现从渗铜的焊缝根部发生破坏现象;宽扳拉伸试验没有因根部渗铜对管子承载能力产生不利影响,瞬间过载试验失效也不是由根部渗铜引起的,而是由邻近部位塑性变形引起的。 法国试验结果完全证明铜衬垫渗铜问题可以由调整组对间隙和焊接电流来避免,即使恶劣条件下有渗铜现象,对管道焊缝不存在明显不利因素。
——内部成型尖锐金属的处理。铜衬外焊根部成型内部有尖锐金属问题,客观地讲,如果确实存在,会对通球扫线造成不利影响。事实上只要设备合理,其铜衬的动作形式、外形尺寸恰当,完全可以避免这一现象发生。当然,影响内成型不单是设备问题,对管子端部尺寸和形状也应有较严格要求,如管子端部不整(主要指的是错口),设备很难弥补这一缺陷而焊出好的焊道。石油天然气管道科学研究院在这一方面做了大量的工作,包括研究对口设备、调整合理的焊接参数以及错边量的大小等,通过一系列的研究说明,这一问题可以通过合理的工艺和严格的对口来解决。
通过对这两种根焊方法比较,后者对管道现场焊接更适用,一是设备简单,不易出故障,二是成本低,三是易于焊工操作。

(3)意大利PWT-NRT,是近两年才开发的新设备,仅应用在法国两条管道上。通过引进,在西气
东输工程中应用之后,再对其做出评价。

(4)俄、乌(前苏联)闪光焊方法。
前苏联闪光焊是为乌依连戈到西欧管道走廊(直径1420)工程研制的。在20世纪70~80年代,开始推广应用闪光焊技术,据介绍该方法已焊接了万余公里管道。由于种种原因,20世纪90年代后一直没有应用。不过自1995年以后,俄罗斯又将这一方法提到日程上来,并就该方法完善了技术规程。2000年7月,管道局考察团到俄南部克拉斯诺达尔参观一条输油管道X65,直径1016×10.3采用的自动焊。管道局曾就西气东输工程和巴顿焊接研究所签了意向,如闪光焊工艺能满足西气东输工程,可订购其设备。

该设备在西气东输工程中应用有两个关键问题,一是焊缝韧性,二是内部毛刺。
——焊缝韧性问题。巴顿所通过对西气东输工程板材试验,焊缝的韧性不能满足西气东输工程要求(单值56J、平均76J)。其试验结果是:焊态下两个试件仅为16J、19J,通过焊后热处理,分别是40.6J、64.5J,但俄罗斯规范要求焊缝韧性平均值为34.4J,单值29.45J。该规范乌克兰也在执行,说明X70管线在俄罗斯、乌克兰采用闪光焊是可行的。
——内部毛刺问题。采用专用设备进行内毛刺处理可以控制到余高高出母材0.5毫米以下。由于西气东输工程内减阻涂层的要求,毛刺除去以后,在向外清理时,会损坏涂层,这一问题,乌、俄均无好的解决办法。
闪光焊的优点是不用焊材、对坡口无要求、焊缝区(接头)窄。但设备(直径1016,18吨左右)庞大,不利搬迁,尤其地形复杂时很难推广。不过可以应用到没有内涂层、冲击韧性要求低的管道工程中。

(5)埋弧焊双联管技术。
在西方国家,如中东、俄罗斯已经较普遍应用。在克拉斯诺达尔输油管道中应用该技术,大大减少了现场工作量。

(6)半自动焊方法。
虽然美国研究的设备、材料,但是美欧不允许应用,其原因据讲是材料中含有氟化物,焊接中析
出氟,对人体、环保不利。从资料及交流中未见过其他国家和地区应用。但材料供应信息说明,东南亚、中东以及南美地区有所应用。


3.西气东输工程试验段的情况:
我国首次在四气东输工程中采用X70管材,管径、壁厚大(直径1016×14.6,17.5,21,26.2毫米)是国内长输管道前所未有的。


(1)西部白动焊施工情况分析。
a.自动焊应用:
根焊采用进口NOREAST内焊机;
外焊采用PAW2000和NOREAST外焊机;
另外STT根焊作为根焊替补方案。
自动焊配备:由于需要现场加工坡口,在原传统焊接方法配置的基础上增加了坡口机和专为加工
坡口吊装的吊管机;根据壁厚和每道焊道厚度2毫米计算外自动焊机配备;根据工艺配备了防风棚和管口预热器。
施工速度:设备在无故障的情况下,每天可焊接25~30道焊口。
质量情况:由于第一次采用内焊机工艺、设备,操作工人有一个熟悉、适应过程,所以在开工伊始,合格率只有50%~60%,随着工人熟练程度的提高,合格率可达到95%左右。

b.存在的问题:
——内焊机问题。
内焊机功能较强,除具有焊接功能外,还具有对口功能;设备有液压、气路、保护气体、电、控制等系统,由于空间的限制,设备结构设计紧凑复杂。在现场应用过程中机械故障率较高,需要
配备相当数量的备件和高水平的维修工来保证设备的正常运转。

根焊速度尽管快,但因焊道薄(2毫米左右),又加之管子重(壁厚14.6毫米、每根钢管4吨以上),现场采用土堆支垫管子为防止外应力造成根部裂纹,根焊后不能撤走内焊机,解决的办法是热焊后撤走内焊机,造成工作效率降低。 螺旋管端尺寸不规范,而内焊机对错边量较敏感,现场试验证明,在1.5~2.0毫米错边量情况下,可以操作,并达到质量要求,超过该值,往往出现单面未熔合缺陷,所以现场组对前管子级配影响工程的顺利展开。

内焊机焊枪驱动靠保护气体,设计上欠考虑。应考虑用对门压缩空气支持焊枪动作。用保护气体驱动焊枪,一是浪费保护气体,二是将保护气体气路复杂化,容易干扰焊接气体保护效果。
——外焊机问题。

外焊机焊接质量要保证,主要是防风问题。还有抗风沙、抗高温问题及两者矛盾的处理,这些主要是对设备本身的要求,只要设备使用条件允许,现场操作及质量问题是有把握的。
——气体消耗问题。
前边巳提到过,边远地区往往是平坦的地区,无人为干扰,最适合自动焊施工,但保护气体气源则是主要矛盾,要从很远的地方拉运。CRC等外国公司介绍根焊、面焊采用Ar+CO2混合气体保护,其余焊道采用CO2气体保护;西气东输工程采用如此高强度钢,应全部用混合气体,通过试验,全部采用混合气体保护可以保证焊缝韧性。

(2)东部及西部半自动焊情况
东部尽管管壁厚,但由于人文、地理等条件限制,用半自动焊施工更为适宜。半自动焊因已有相当多的经验,所以在西气东输试验段上没有更多的困难,一次合格率均在95%以上。


四、国内管道焊接前景
根据国情,自保护半自动应该占有相当的位置,对于大直径、大壁厚管道,在地区、人为条件较理想情况下,应当大力推广应用。
双联管焊接技术在条件允许的情况,应推广应用,但是机具和配套设备要加以改造。
普通管道可以引进闪光焊,但要根据管道设计对焊缝冲击韧性要求,进一步进行试验研究。
双头气体保护焊宜加紧研究,并推广应用,可提高工效。


单面焊双面成型设备宜加紧研究,并结合工艺试验展开工作。内焊机国产化课题应抓紧研制。
气保护强制成型工艺在国外,如日本某些厂家进行过研究开发,但未见应用报道,预计难度在于固定管全周焊接上,难以预测其前景。
固定管埋弧焊,据了解欧洲有人涉足,但未见报道,其难度与气保护强制成型类似。
总之,管道焊接根据其特点,因地制宜,即保证质量,提高效率,又不使成本大幅增加,是其目
的。


瞻望中国管道建设的前景,除去已开工的西气东输工程外,中俄管道、陕京管道、西部成品油管道、西南成品油管道、LNG管道、煤浆管道等都已指日可待。加入WTO后,随着国外队伍的介入,国内市场势必竞争更加激烈。由于管道用钢向着高强度发展,需要有许多新的焊接技术支持,以提高竞争能力。


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