我国长输管道下向焊接技术的现状及发展趋势

我国长输管道下向焊接技术的现状及发展趋势（中原石油勘探局建筑安装工程公司）摘要: 本文根据我国长输管道建设的发展历程,总结了全纤维素型、混合型、复合型三种手工下向焊接技术及活性气体保护、药芯焊丝自保护两种半自动下向焊接技术和全自动活性气体保护焊与全自动药芯焊丝下向焊接技术的工艺特点及在我国长输管道建设中的应用状况，指出了全自动活性气体保护焊和全自动药芯焊丝下向焊将是我国长输管道下向焊接技术的发展方向。

关键词: 常输管道下向焊接现状发展1.引言：随着石油天然气及石油化工工业的发展，以西气东输工程为标志，我国的长输管道建设高峰期已经到来。

长输油气管道越来越向大口径、高压力输送方向发展。

长输管道下向焊接技术自20世纪60 年代引进中国以来，经过几十年的发展，目前我国已具有成熟的手工下向焊接技术，正在普及半自动气保护焊接技术，全自动气保护焊接技术与下向焊接技术的结合做为长输管道焊接技术发展的趋势将会在全国长输管道建设中大力推广。

2．手工下向焊接技术的应用与发展手工下向焊接技术是自60 年代中期发展起来的，由于与传统的向上焊接相比具有焊缝质量好、电弧吹力强、挺度大、打底焊时可以单面焊双面成型、焊条熔化速度快、熔敷率高等优点，被广泛应用于管道工程建设中。

随着输送压力的不断提高，油气管道钢管强度的不断增加，X50、X56、X60、X65 等钢管被广泛采用，手工下向焊接技术也经历了由传统的全纤维素型下向焊一混合型下向焊T复合型下向焊接这一发展进程。

2．1 全纤维素型下向焊接技术纤维素下向焊条中含有约25—40%的有机物，具有很强的造气功能，在增加保护气的同时增加了电弧吹力，保证了在管接头对接焊缝3—6 点位置向熔池的稳定过渡。

焊接时弧压较高，以增加电弧吹力和挺度，阻止铁水和熔渣下淌。

该工艺的关键在于根焊时要求单面焊双面成型；仰焊位置时防止熔滴在重力作用下出现背面凹陷及铁水粘连焊条。

我国早期的下向焊均是纤维素型。

现在，在一些区域性的长输管道建设工程及一些水网地带，自动、半自动焊接机具和设备因环境限制不易进入的地区的长输管道建设工程多采用此工艺，如目前正在建设中的镇海炼化一杭州康桥成品油管道工程；濮阳--临沂天然气管道工程等长输管道工程。

全纤维素型下向焊接参考工艺见表 1表1全纤维素型下向焊接参考工艺2. 2混合型下向焊接技术混合型下向焊接是指在长输管道的现场组焊时，采用纤维素型焊条根焊、热焊，低氢型焊条填充焊、盖面焊的手工下向焊接技术。

主要用于焊接钢管材质级别较高的管道。

长输管道经济运行的重要措施之一是提高管道输送压力。

随着我国工业发展和社会需求的增加，管道输送距离和输送压力也在增加，X65、X70系列高强级别钢管逐步应用于管道工程，因此钢管出现断裂的几率也在增加，为此要求钢管必须具有高强度、高韧性。

管道的现场焊接采用纤维素型焊条时，容易导致大量氢的渗入，同时焊接热输入低，冷却速度快，易产生高强度、低韧性的低温转变产物，因此增加了焊缝及热影响区的冷裂纹的敏感性。

而一般来说，焊接应力、扩散氢造成的焊接接头脆化及钢材的淬硬倾向是影响冷裂纹的主要因素，而控制氢的来源是防止冷裂纹的有效途径。

采用低氢型焊条，焊缝及热影响区的抗冷裂性和韧性较纤维素型焊条要好，焊缝金属的综合力学性能较好。

但低氢型焊条熔化速度慢，电弧吹力不及纤维素型焊条大，现场操作不如后者简便，为了保证管道的力学性能符合要求同时尽可能提高焊接速度，因此在钢级较高的管道建设中应于了纤维素焊条和低氢型焊条混合的混合型下向焊接技术。

混合型下向焊较早出现在前苏联，而美国、加拿大、荷兰及瑞典等国在20 世纪80年代后期的长输管道手工焊中也广泛采用了混合型下向焊工艺。

1996年, 我国建设的陕京输气管道在国内长输管道中首次采用了混合型下向焊接工艺陕京管道是我国第一条采用下向焊工艺和进口钢管及焊材建成的长距离，大口径输送管道。

主线路工程钢管材质为API5LX60级，管径660mm，壁厚7.1~14.3mm。

由于沿途环境条件恶劣，要求焊接接头具有较好的低温冲击韧性，而通常的全纤维素型焊接工艺难以达到低温韧性的要求。

综合考虑工程现场情况及满足质量要求并经过焊接工艺评定合格最终科研单位选定了混合型手工下向焊工艺。

实践证明，此工艺在高级别钢管上的应用是成功的，99年完工的咸表2 纤维素型下向焊条选用条件阳--宝鸡天然气管道工程，及正在进行工程前期招投标工作的陕京管线复线工程京石管道等长输管道工程要求采用此工艺。

混合型下向焊接常用参考工艺见表2、表3、表4表3 低氢型下向焊条选用条件表4 混合型下向焊接规范2. 3复合型下向焊复合型下向焊是指根焊及热焊采用下向焊接方法，填充焊及盖面焊采用向上焊接方法的焊接工艺。

复合型下向焊主要应用于焊接壁厚较大的管道。

90年代未期，大壁厚管材广泛应用国内外油、气和水电工业长输管道中，水电工业的压力管道中一般管径达1m以上，壁厚达10~60mm，在我国北方寒冷地区油气管道壁厚也达到10~24m m。

与传统的向上焊相比由于下向焊热输入低，熔深较浅，焊肉较薄，随着钢管壁厚的增加焊道层数也迅速增加，焊接时间和劳动强度随之加大，单纯的下向焊难以发挥其焊接速度快、效率高的特点。

手工电弧焊不同壁厚钢管焊接层次及道数推参考表见表5。

而采取根焊、热焊采用向下焊，填充焊与盖面焊采用向上焊的复合下向焊接技术则可发挥两种焊接方法的优势，达到优质高效的效果。

在半自动气体保护下向焊接技术未应用于管道建设之前，大壁厚管道多采用复合型下向焊接技术。

表5 手工下向焊不同壁厚钢管焊接层次及焊道数复合型下向焊接技术在半自动焊应用于大壁厚管道现场焊接之前曾广泛使用，某工业园区输水管道工程所用钢管规格为① 1400m材14mm材质为Q235-A焊接过程中根焊热焊用纤维素焊条J425G(E6010)填充焊和盖面焊采用普通E4303焊条,使焊缝焊道层数由单一下向焊所需的7〜8层,减少为4〜5层，焊接时间可缩短30min,大大提高了生产效率。

2.4手工下向焊接对焊机性能的主要要求：全纤维素型下向焊接对焊机的主要要求是：a.具有陡降外特性，静特性曲线A段适当提高；b.外拖推力电流起作用时其数值要足够大；c.适当提高静特性曲线外拖拐点，以达到小滴过度。

见图 1I图1外特性示意图我国目前已有时代焊机等国产品牌焊机可用于手弧下向焊接方法。

3、半自动下向焊接技术的应用与发展我国的半自动化焊接技术在金属构件制造、压力容器制造等行业中发展较快而在长输管道建设中的应用则是20世纪90年代逐步引进、发展起来的。

随着长输管道建设工业快速的发展，越来越需要焊接技术向高性能，高效率化发展。

由于半自动焊具有生产效率高、焊接质量好、经济性好、易于掌握等优点，自引进中国管道建设中以来便迅速地发展起来。

半自动下向焊接技术主要又分为两种操作方法：药芯焊丝自保护半自动下向焊和活性气体保护半自动下向焊。

3.1药芯焊丝自保护半自动焊技术药芯焊丝适用于各种位置的焊接，其连续性适于自动化过程生产。

此技术是我国引进较早，目前最为成熟的长输管道下向焊接技术。

药芯焊丝内装的焊剂含有稳弧剂、脱氧剂、造渣剂和铁合金等，具有类似焊条药皮的作用，可以保护熔滴和熔池免受氧化氮化，辅助焊缝成型及稳定电弧、脱氧脱硫、掺入合金等作用。

药芯焊丝自保护半自动下向焊工艺较早由美国lin coin 公司开发，采用该公司生产的专用焊丝NR204和NR207但由于传统的焊丝NR204在打底焊中的力学和组织性能不能达到令人满意的程度，为此通常的工艺是由手工下向焊根焊，而由自保护药芯焊丝半自动焊填充，盖面。

该工艺的主要优点：1)质量好。

焊接缺陷通常产生于焊接接头处。

同等管径的钢管手工下向焊接接头数比半自动焊接接头数多，采用半自动焊降低了缺陷的产生机率。

通常应用的NR204、NR207焊丝属低氢金属，而传统的手工焊多采用纤维素焊条。

由此可知，半自动焊可降低焊缝中的氢含量。

同时，半自动焊输入线能量高，可降低焊缝冷却速度，有助于氢的溢出及减少和防止出现冷裂纹。

2)效率高。

药芯焊丝把断续的焊接过程变为的连续的生产方式。

半自动焊溶敷量大，比手工焊焊道少，溶化速度比纤维素手工下向焊提高15%—20%。

焊渣薄，脱渣容易，减少了层间清渣时间。

3)综合成本低。

半自动焊接设备具有通用性，可用于半自动焊，也可用于手孤焊或其它焊接法的焊接。

以焊接厚度为8.7mm钢管为例：手工焊至少需3组焊工完成，半自动焊只需2组焊工，至少可减少2名焊工，也相应减少了焊机数量和等辅助工装数量。

同时。

药芯焊丝有效利用率高，焊接坡口小，即节省填充金属使用量，又提高了焊接速度，综合成本只及手弧焊的一半。

焊接工艺参数通常见表(手工下向焊根焊时焊接工艺可参考表2)焊前预热温度大于120°C，层间温度不低于预热温度，各焊道施焊间隔时间不少5mi n, 药芯焊丝自保护焊参考规范(以焊接X70钢管为例)表6 药芯焊丝自保护半自动下向焊参考规范表7 药心焊丝自保护半自动下向焊不同壁厚钢管焊道层数3. 2 CO2活性气体保护半自动下向焊接技术CO2气体保护焊是一种廉价，高效的焊接方法。

传统的短路过度CO2焊接主要依靠回路电感作用控制焊接过程的稳定性，以减小飞溅，调节燃弧能量，改善焊缝成型。

但电感作用不能从根本上解决焊接飞溅大，及控制熔深与成型的矛盾。

由美国Lincoln公司最早研制生产的STT 型CO2半自动焊机基于短路液桥表向张力过渡(Surface— tension— tramsfer)理论，采用波形控制技术，改善了传统CO2焊机的性能，保证了焊接过程稳定，焊缝成形美观，干伸长度变化影响小，显著降低了飞溅，减轻了焊工劳动强度。

图2 STT型CO2半自动焊波型图采用STT型CO2半自动焊时，焊机处于短路过渡方式，电源在一个过渡周期内，根据不同电弧电压值，输出不同的焊接电流，如图2。

t。

---t i为短路前燃弧期，输出基值电流50—100A，其作用是保证电弧燃烧和提供电弧长大的能量。

t l--t2为短路前期，输出电流10A。

t3--t5为颈缩后期，熔滴和焊丝分离之前输出电流为50A。

t i--t2、t3--t5两个阶段电流减小，避免液桥爆断引起飞溅，同时控制燃弧能量，改善焊缝成型。

T3时刻焊丝同熔池分离，电源立即输出大电流，保证顺利引弧；电弧引然后，电流逐渐减小，在t7时刻回到基值电流。

STT型CO2半自动焊以其优异的性能拓宽了CO2半自动焊的应用领域。

近年推出的STT-H 型CO2半自动焊机在STT-I型基础上又进行了改进，使得CO2 半自动焊下向焊在管道建设中焊接质量更趋稳定，性能更趋完善。

该焊机可采用NR204焊丝进行根焊作业。

STT型CO2半自动焊工艺见表 &表8 STT型CO2打底焊参考工艺中国石油天然气管道局曾在苏丹muglad石油开发项目中首次使用了STT 型CO2半自动下向焊接技术进行管道打底焊接，钢管级别API Spec5L x 65,钢管直径711.2mm,厚度10.72mm。