长输管道焊接技术

　　一、焊接工艺方法
　　长输管道主线路施工的焊接工艺方法有焊条电弧焊、钨极氩弧焊、CO2气体保护半自动焊、自保护药芯焊丝半自动焊、以及自动焊等。
　　焊接方向：在主线路施工中，以下向焊为主，在连头、返修以及站场的安装施工中，采用上向焊方法。
　　1.焊条电弧焊
　　焊条电弧焊是焊工手工操纵焊条进行焊接的方法。其优点是操作简便、灵活，焊接设备简单。由于选用的焊条具有优良的焊接工艺性能及力学性能，所完成的焊接接头，也具有优良的质量。焊条电弧焊对于焊缝的位置适用性强，因此，能够满足长输管道建设中，环焊接头固定管的全位置焊接的技术需要。
　　焊条电弧焊所使用的焊条有两类：纤维素型焊条及低氢型焊条。纤维素型焊条具有电弧吹力大，焊接工艺性能优良等特点，尤其是它能够胜任单面焊双面成型。所以在使用纤维素焊条进行根焊时，焊缝质量优良。
　　焊条电弧焊工艺在西气东输管道工程中，应用较为普遍。其技术方案为：根焊采用纤维素型焊条的下向焊工艺，部分连头及返修焊接的填充、盖面焊采用低氢型焊条的下向焊工艺。对于站场安装焊接、大量的返修及连头焊接、以及特殊焊缝的焊接，都是采用纤维素型焊条根焊配合低氢型焊条上向焊进行填充、盖面焊的工艺方案。
　　2.钨极氩弧焊
　　手工操作的钨极氩弧焊，由于采用惰性气体氩气（Ar）保护焊接区，所以焊接质量好，并且没有焊接熔渣。这种工艺通常应用于管径小、壁厚薄的工艺管道的焊接，以及某些角焊缝的安装焊接等。例如，站场施工中的压缩机与管道的连接、球阀等设备的连接焊缝等。
　　采用钨极氩弧焊施工时，应注意防风措施。否则会破坏氩气的保护作用，造成焊接缺陷。此外，在焊接准备工作中，应当严格清理坡口，清除油污、铁锈。对于薄板应当严格控制热输入量。
　　3.CO2气体保护半自动焊
　　由于采用表面张力过渡的STT技术，使熔滴过渡及电弧形态得到了有效的控制。因而，这种型式的CO2逆变焊机在管道焊接中，应用比较好。其原因是:解决了CO2焊接飞溅大的缺点，而且操作灵活、易于掌握，焊接质量优良、生产效率高。该工艺在管道焊接中，用于根焊施工。
　　这种工艺方法，由于是气体保护焊，因此也应当注意在焊接时的防风措施，否则会影响焊接质量。
　　4.自保护药芯焊丝半自动焊
　　自保护药芯焊丝的特点是在药芯中含有一定成分的脱氧剂及脱氮剂。该药芯焊丝在焊接时，不需要熔渣保护或气体保护，而是依靠它自己的脱氧剂及脱氮剂在焊接熔池中进行冶金反应，其结果使焊接过程中形成的氧、氮化物被还原，从而保证了焊缝金属的化学成分及力学性能符合技术标准的规定。自保护药芯焊丝半自动焊工艺操作灵活，对于环境的适应能力强。它的焊接熔敷效率高、焊接质量优良，并且焊工容易掌握，一次焊接合格率比较高。基于以上这些优点，自保护药芯焊丝半自动焊是目前国内管道工程中，应用比较多的填充、盖面焊接工艺。在西气东输工程中，采用该项技术完成了中、东地段大量的焊接施工任务。
　　5.自动焊
　　采用机械化装备进行管道焊接施工，是西气东输工程的特点。也是我国管道建设历史上的一个创新点。近年来，我国在全位置管道自动焊技术及设备的研究与推广方面取得了突破性的进展。中国石油天然气管道局研制的PAW2000型管道全位置自动焊机，以及中国石油集团公司工程技术研究院研制的APW型管道全位置自动焊机在西气东输管道工程建设中，发挥了重要的作用。共有11个施工单位组建了15个自动焊施工机组。在西气东输工程的西部地区平坦地段焊接完成了670km的管线，约占全线总体焊接任务的17%。在我国长输管线建设中，自动焊技术首次进行了大规模的应用，是西气东输工程的特色之一。
　　1）根据焊接方法的不同，管道自动焊方法可分为三种：
　　（1）自动内焊机根焊，自动外焊机热焊、填充、盖面。
　　（2）自动外焊机单面焊双面成型根焊，自动外焊机热焊、填充、盖面。
　　（3）CO2气体保护半自动焊根焊，自动外焊机热焊、填充、盖面。根焊设备采用STT电源，以及脉冲电源。
　　2）自动焊技术适用于地形平坦地段的管道线路焊接施工。尤其是在戈壁、沙漠、无人区等自然环境条件比较恶劣的地区，自动焊技术具有很大的应用优势。但是，自动焊技术对施工过程中的各种变化适应性较差。因此，保持管口椭圆度和坡口参数的一致性，对保证自动焊技术的质量起着关键的作用。此外，施工前必须组织好人员培训，施工过程中需配备内对口器、管端坡口整形机和防风棚等相关的机具设备。
　　6.焊接工作站
　　在水网和山区地段，靠近施工现场处可建立专用的焊接工作站。采用焊条电弧焊、埋弧焊等焊接工艺完成双联管或三联管的焊接。这样可以把现场施工的焊缝数量减少1/2～2/3，从而大大提高了管线现场施工作业的速度。
　　
　　二、焊接材料
　　焊接材料包括焊条、焊丝、焊剂及保护气体等。
　　焊接材料的工艺性能对于管道焊接的施工质量有着重要的影响。焊接材料的工艺性能包括引弧性、稳弧性、飞溅率、电弧吹力、铁水流动性、熔渣粘度、脱渣性、以及对于全位置焊接的适应性能等。
　　1.根焊用焊接材料
　　通常选用适于单面焊双面成型、全位置操作性能良好的焊条、焊丝作为根焊用的焊接材料。目前大多选用强度级别稍低的纤维素型焊条或实心焊丝进行根焊。
　　纤维素型焊条的药皮中含有30%以上的有机物，因此，它具有很强的造气功能。焊接过程中，该类型焊条的电弧吹力很大，所产生的大量气体由于将空气中的氧、氮等气氛隔离在焊接区域以外，所以，纤维素型焊条对于电弧和熔池有着很强的保护能力。
　　实心焊丝采用CO2或氩气作为保护气体，配合使用脉冲或逆变电源。进行全位置焊接时，实心焊丝具有良好的单面焊双面成型的能力及焊接工艺性能，采用这种工艺方案，焊缝的含氢量低，焊缝背面无需清渣。其缺点是在环境风力较大时，必须采取防护措施，否则不准焊接。
　　2.填充焊、盖面焊用焊接材料
　　目前填充焊、盖面焊焊接材料大多采用含Ni、Mo的自保护药芯焊丝、铁粉低氢型下向焊条和实心焊丝。
　　自保护药芯焊丝以其特有的优越性在长输管道中广泛应用，其全位置操作性能好，熔敷效率高，焊缝金属韧性好。但在焊态下焊缝金属中有粗大的柱状晶组织，使其多道焊和单道焊之间的韧性值有较大的差别。因此采用自保护焊丝焊接时，应严格控制焊接热输入量、焊接摆动宽度和每道焊层的厚度。
　　铁粉低氢型下向焊条的铁水流动性和浸润性好，熔池凝固较快，使得全位置焊接焊缝成型较好，焊缝金属韧性好，抗裂性好。但其对焊工的操作水平要求相对较高，焊接施工时合格率远远低于采用自保护药芯焊丝的焊接。
　　实心焊丝主要用作管道自动焊的焊接材料。在西气东输管道工程中，采用了含Si量较低的焊丝来获得良好的焊缝成型。
　　3.保护气体
　　长输管线的焊接施工中，通常采用CO2或富氩混合气——（CO2+Ar）作为保护气体。通常CO2占（15%～20%），Ar气占（85%～80% ）。
　　
　　三、焊接工艺
　　1.焊接接头坡口形式
　　管道焊接施工通常采用的坡口形式为API标准30°V形坡口，如图2-1-1（a）所示。对于大口径、厚壁钢管，30°V形坡口形式的填充金属量大，劳动强度高，并且不适合于自动焊工艺。在西气东输管道工程中采用了半自动焊用23°V形坡口和自动焊用复合坡口形式，如图2-1-1（b）、图2-1-1（c）和图2-1-1（d）所示。
　　
　　西气东输管道工程中采用的这些坡口形式，大大降低了焊接材料的消耗量和焊接劳动强度。以工程中使用的半自动焊接方法焊接14.6mm壁厚钢管为例，采用23°V形坡口与30°V形坡口相比，3200km长的管线可减少焊接材料消耗量460t，减少焊接工作量26%。
　　2.预热与层间温度
　　预热的目的是通过减缓母材的应力状态和降低根焊道的冷却速度来防止根部冷裂纹。管道焊接施工的预热温度范围应考虑母材的强度、组织性能的变化规律、管径和壁厚，以及焊接材料的含氢量等因素。
　　除了控制预热温度外，对于厚壁钢管的多层焊，还要考虑控制焊道层间温度来控制近缝区的冷却速度。层间温度一般与预热温度相近。
　　3.焊接热输入量
　　焊接热输入量的确定需综合考虑母材成分、焊接材料类型、对冶金反应和气体保护效果的影响、焊前预热、层间温度控制、管材规格、焊丝（条）直径、热影响区的脆化和软化倾向、所期望的组织和力学性能，以及施焊位置、焊接道次、每道焊层厚度、焊缝成型和熔滴的过渡形式等因素。
　　对于常用的焊接方法，当焊接热输入量减小时缺陷出现几率增大，当焊接热输入量增大时焊缝金属易形成粗大的柱状晶，韧脆转变温度升高。一般来讲管线钢的脆化倾向和冷裂倾向较小，焊接线能量没有严格的限制，但对于强度级别较高的细晶粒管线钢，焊接热输入量应偏小一些。
　　4.后热处理及热处理
　　目前管线焊接施工一般不进行焊后的后热处理。但对于在高寒地区施工时，当焊前预热和层间温度控制难以起更大作用时，有必要对焊接接头采取一定的后热和热处理措施，保证焊接接头的组织和性能。
　　5.其他
　　在管道焊接施工过程中应考虑到高强度、大壁厚钢管所承受的外部应力，因此施工过程中应保证钢管制成的可靠性和对口器撤离时所形成的焊道厚度，禁止强力组装对口。
　　应考虑环境温度、环境湿度和环境风速对不同焊接方法的影响，采取不要的措施保证焊接质量。当环境温度较低时采取必要的预热措施和保温措施，环境风速较大时采取防风措施，环境湿度较大时采取烘烤措施等。