管道焊接工艺方法综述

管道焊接工艺方法综述

侯玺诚

中石化中原油建工程有限公司    河南省     457001

摘要：随着油田输气工程战略的展开，对管道的焊接要求越来越高。本文首先阐述了长输管道的焊接方法，论述了焊接方法的选择，并探讨了管道缺陷的检测。

关键词：管道；焊接；方法

随着石油天然气工业的发展，管道输送油气以其安全性、经济性、特殊性和高效性迅速发展，而长距离、大管径、高压力正成为陆上油气输送管道的发展方向。基于此，本文重点分析了管道焊接工艺方法。

一、管道焊接工艺的要求

1、焊接管道前，应评定焊接工艺，测定焊接接头的受压范围及承载能力，管道中受压元件也需进行耐腐蚀度的测定，以保证管道安全。

2、钢制的管道焊接工艺应符合JB4708相关焊接规定标准，有色金属制作的管道焊接工艺应符合有色金属的相关焊接标准。

3、对焊接管道进行评定的仪器应定期检查和校准，管道焊接工人应具有相关从业资格证，且技术娴熟。

二、长输管道焊接方法

1、下向焊。手工下向焊接法焊接特点：当管道水平放置固定时，焊接热源从顶部中心垂直下向焊接，一直到底部中心。焊接位置顺序为平焊、立平焊、立焊、仰立焊、仰焊。下向焊接工艺采用下向焊专用焊条。下向焊条采用独特的药皮配方设计，与传统上向焊焊条相比，其电弧吹力大、焊接熔深大、打底焊时单面焊双面成形、焊条熔化速度快、熔敷效率高。此外，这种焊接方法避免了大量点状未焊透和层间夹渣，提高了焊接质量，节省了挑弧停顿时间，加快了焊接速度，简化了运弧工艺，降低了焊工劳动强度，缺点是很难在根焊中看到熔池。与自动焊相比，克服了野外恶劣自然条件下使用设备复杂、操作不便的缺点。因此，下向焊以其焊接质量好、焊接速度快的优点，在焊接工程中得到了广泛应用，特别是在大直径薄壁长输管道的焊接。

2、半自动焊。半自动焊是指借助设备进行焊接，但设备只负责填充金属的供给，焊接速度由焊工控制，其优点是劳动强度低、效率高、焊接质量优、综合成本低。半自动焊接方法是使用纤维素焊条的手工下向根焊，使用自保护药芯焊丝的半自动焊填充和盖面焊接。焊接熔敷效率高、全位置焊接成形性好、环境适应性强，是目前管道施工的重要焊接工艺方法。当前，国内主要采用手工焊打底和林肯半自动焊填充盖面方式。

3、自动焊。自动焊接是指借助设备进行焊接，设备负责焊接的全过程，焊接操作员只起引导作用，对焊接操作员的技能无要求。我国管道自动焊水平较低，目前主要处于研制阶段。

在国外，野外管道施工的自动焊接技术得到了广泛应用。例如，美国、加拿大等国在管道施工中采用了大量的自动焊接设备。国外自动焊接系统的主要类型为：

①自动焊内焊带/外部单焊炬。该系统采用气体保护金属极弧焊工艺，使用最多6个焊头(装在内对口器上)从内部完成根焊，并使用单焊炬完成其余焊道。随着焊丝及电源保证技术的改进，药芯焊丝技术将应用于未来的系统上。

②自动焊内焊带/外部双焊炬。此系统使用相同的基本内焊系统，但在外焊机上增加了焊炬。这样，可同时完成两个焊道，并且第二焊炬增加了每个焊道的焊接金属熔敷，提高了生产效率。

③全自动外焊带/铜垫圈。在该系统中，根焊(熔透)由铜垫支撑，剩余焊道由单/双焊矩完成，从而提高了产量。

④全自动焊外焊不带/铜垫圈。在该系统中，根焊(熔透)由电源计算机控制，焊接速度由焊工控制，其余焊道由单双焊炬完成。

⑤半自动根焊道和STT(表面张力转换)/剩余焊道扩自动或半自动焊(外焊)。该工艺最大优点是无需昂贵的内焊系统，焊缝的沉淀截面几乎是传统GMAW沉淀的两倍。然而，STT焊接速度比内焊系统稍慢，当需最大工效时，这可能是一个缺点。

当前，国内外用于现场焊接的成熟自动焊接技术有金属焊丝气体保护自动焊(GMAW)、药芯焊丝自动焊(FCAW)。

三、焊接方法的选择

焊接方法选择原则是选择成本最低且能最大限度提高生产率，并满足质量要求的焊接方法，其指标包括焊接方法的技术可行性、与施工预定速度的一致性、实现项目组织方案的可能性、焊接方法的能量与经济效益，这些指标在管道施工中差异大，施工时要选择经济有效的焊接方法。

1、选择焊接方法时要考虑因素包括管子直径、壁厚、管子级别、设计条件、管道长度和施工地点等。

2、直径与壁厚主要影响长输管道手工下向焊、(半)自动焊法的选择。当管径达到一定范围时，可考虑从手工焊改为(半)自动焊。当直径小于600mm时，采用手工向下焊；直径大于600mm时，考虑到施工进度，可采用手工焊或自动焊。对于大口径管道，壁厚也在很大程度上影响焊接方法的选择。对于大口径和大壁厚的管道，应首选自动焊。

对于长距离油气输送管道，自动焊是最佳选择。此外，当不存在运输和路由问题时，可使用“双联管”方法。

3、若管道设计用于输送酸性介质或对焊缝质量有高韧性要求，则需仔细考虑焊接方法，采取的焊接工艺要得到允许。

4、一般认为，手工下向焊可用于焊接X70级以下管道，并已被证明是成功的。对于X70级以上管道，需考虑其他焊接方法，以确保焊接质量及高韧性条件。

5、在野外施工中，管道自动焊能使焊接工人从野外铺设管道的繁重和恶劣工作条件中解脱出来。

四、缺陷的检测

1、缺陷的检测技术。当前，国外管道无损检测技术包括射线、超声波探伤。射线检测在国外已沿用了几十年，通常为100%环缝透照，对于大口径管道，使用管内爬行器进行周向曝光，评定底片缺陷，并保存所有底片。超声波探伤识别缺陷能力受到评定人员经验的影响，其准确性受到质疑。随着计算机技术的进步及推广，近年来自动超声波探伤设备问世，如英国AEA Techonolo灯公司开发的管道自动超声检测设备。一组探头可快速检测沿环焊缝轨道一周，借助TOFD技术与计算机处理，结果是三维缺陷映像及尺寸，能准确确定缺陷出现在哪道焊缝上，所有数据都可存储和再现，其缺点是焊缝表面缺陷不易被反射，需配以外观检查。自动超声检测设备已得到越来越多业主、承包商、政府部门的认可，并已广泛应用于许多重要的管道建设中，这代表了管道检测技术的最新发展。

2、环焊接头缝裂性能与缺陷的安全评定。与工厂条件下钢管预制形成的埋弧焊接头相比，现场环焊接头是管道断裂的薄弱环节。①环焊接头受力复杂，包括焊接拘束应力、残余应力、热应力及地震、滑坡、管道下沟引起的附加弯曲应力等。②管道现场恶劣的施工环境不可避免地导致了环焊接头的各种焊接缺陷。20世纪50年代以来，欧美国家对环焊接头的断裂行为进行了大量研究，从基本强度理论到能量理论，从转变温度法到断裂力学方法，从线弹性断裂力学到弹塑性断裂力学理论，取得了很大进展。特别是近年来，将裂纹尖端张开位移COD和J积分等弹塑性断裂力学概念应用于管道断裂分析，形成了较完整的理论体系，并制定了AHll04、BS4515等一系列评定标准。

研究表明，在管道正常工作条件下，一定范围内的缺陷不会扩大，不会影响管道的安全运行。通过确定管道环焊接接头的缺陷容限或应用应力水平来评定管道安全性的方法称为“合于使用”原则。当前，断裂力学理论(采用COD值法)及“合于使用”原则在管道断裂研究中的应用已成为各国学者研究、完善的热点，推出了许多研究成果。

3、现场环缝的无损检测技术。由于检测设备、检测水平和经济因素限制，国内长输管道检测主要采用射线探伤抽检，辅以100%手工超声探伤，其已不能满足当前工程建设需要。对于薄壁管道焊缝，超声探伤结果误差及偶然性大，常导致缺陷漏检与错检。

总之，随着我国管道运输的发展，其在国民经济建设中的重要性得以充分体现，由于管道运输介质较特殊，多数是以石油、天然气和工业用气体为主，所以管道的焊接质量至关重要。特别是管道接头的焊接对管道质量更是有着至关重要的作用，因此需选择适宜的焊接工艺来保证管道质量，确保管道运输在当前我国经济快速发展大环境下发挥着重要作用。

参考文献：

[1]高泽涛.长输管道焊接技术及发展前景[J].石油规划设计，2016，13(06):106-109.