长输管道技术及前景

钢管材质 Different Grade

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。

1.1 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