長(zhǎng)輸管道焊接技術(shù)

　　一、焊接工藝方法
　　長(zhǎng)輸管道主線路施工的焊接工藝方法有焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、CO2氣體保護(hù)半自動(dòng)焊、自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊、以及自動(dòng)焊等。
　　焊接方向：在主線路施工中，以下向焊為主，在連頭、返修以及站場(chǎng)的安裝施工中，采用上向焊方法。
　　1.焊條電弧焊
　　焊條電弧焊是焊工手工操縱焊條進(jìn)行焊接的方法。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便、靈活，焊接設(shè)備簡(jiǎn)單。由于選用的焊條具有優(yōu)良的焊接工藝性能及力學(xué)性能，所完成的焊接接頭，也具有優(yōu)良的質(zhì)量。焊條電弧焊對(duì)于焊縫的位置適用性強(qiáng)，因此，能夠滿足長(zhǎng)輸管道建設(shè)中，環(huán)焊接頭固定管的全位置焊接的技術(shù)需要。
　　焊條電弧焊所使用的焊條有兩類：纖維素型焊條及低氫型焊條。纖維素型焊條具有電弧吹力大，焊接工藝性能優(yōu)良等特點(diǎn)，尤其是它能夠勝任單面焊雙面成型。所以在使用纖維素焊條進(jìn)行根焊時(shí)，焊縫質(zhì)量?jī)?yōu)良。
　　焊條電弧焊工藝在西氣東輸管道工程中，應(yīng)用較為普遍。其技術(shù)方案為：根焊采用纖維素型焊條的下向焊工藝，部分連頭及返修焊接的填充、蓋面焊采用低氫型焊條的下向焊工藝。對(duì)于站場(chǎng)安裝焊接、大量的返修及連頭焊接、以及特殊焊縫的焊接，都是采用纖維素型焊條根焊配合低氫型焊條上向焊進(jìn)行填充、蓋面焊的工藝方案。
　　2.鎢極氬弧焊
　　手工操作的鎢極氬弧焊，由于采用惰性氣體氬氣（Ar）保護(hù)焊接區(qū)，所以焊接質(zhì)量好，并且沒(méi)有焊接熔渣。這種工藝通常應(yīng)用于管徑小、壁厚薄的工藝管道的焊接，以及某些角焊縫的安裝焊接等。例如，站場(chǎng)施工中的壓縮機(jī)與管道的連接、球閥等設(shè)備的連接焊縫等。
　　采用鎢極氬弧焊施工時(shí)，應(yīng)注意防風(fēng)措施。否則會(huì)破壞氬氣的保護(hù)作用，造成焊接缺陷。此外，在焊接準(zhǔn)備工作中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格清理坡口，清除油污、鐵銹。對(duì)于薄板應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制熱輸入量。
　　3.CO2氣體保護(hù)半自動(dòng)焊
　　由于采用表面張力過(guò)渡的STT技術(shù)，使熔滴過(guò)渡及電弧形態(tài)得到了有效的控制。因而，這種型式的CO2逆變焊機(jī)在管道焊接中，應(yīng)用比較好。其原因是:解決了CO2焊接飛濺大的缺點(diǎn)，而且操作靈活、易于掌握，焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良、生產(chǎn)效率高。該工藝在管道焊接中，用于根焊施工。
　　這種工藝方法，由于是氣體保護(hù)焊，因此也應(yīng)當(dāng)注意在焊接時(shí)的防風(fēng)措施，否則會(huì)影響焊接質(zhì)量。
　　4.自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊
　　自保護(hù)藥芯焊絲的特點(diǎn)是在藥芯中含有一定成分的脫氧劑及脫氮?jiǎng)?。該藥芯焊絲在焊接時(shí)，不需要熔渣保護(hù)或氣體保護(hù)，而是依靠它自己的脫氧劑及脫氮?jiǎng)┰诤附尤鄢刂羞M(jìn)行冶金反應(yīng)，其結(jié)果使焊接過(guò)程中形成的氧、氮化物被還原，從而保證了焊縫金屬的化學(xué)成分及力學(xué)性能符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊工藝操作靈活，對(duì)于環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)。它的焊接熔敷效率高、焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良，并且焊工容易掌握，一次焊接合格率比較高?；谝陨线@些優(yōu)點(diǎn)，自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊是目前國(guó)內(nèi)管道工程中，應(yīng)用比較多的填充、蓋面焊接工藝。在西氣東輸工程中，采用該項(xiàng)技術(shù)完成了中、東地段大量的焊接施工任務(wù)。
　　5.自動(dòng)焊
　　采用機(jī)械化裝備進(jìn)行管道焊接施工，是西氣東輸工程的特點(diǎn)。也是我國(guó)管道建設(shè)歷史上的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。近年來(lái)，我國(guó)在全位置管道自動(dòng)焊技術(shù)及設(shè)備的研究與推廣方面取得了突破性的進(jìn)展。中國(guó)石油天然氣管道局研制的PAW2000型管道全位置自動(dòng)焊機(jī)，以及中國(guó)石油集團(tuán)公司工程技術(shù)研究院研制的APW型管道全位置自動(dòng)焊機(jī)在西氣東輸管道工程建設(shè)中，發(fā)揮了重要的作用。共有11個(gè)施工單位組建了15個(gè)自動(dòng)焊施工機(jī)組。在西氣東輸工程的西部地區(qū)平坦地段焊接完成了670km的管線，約占全線總體焊接任務(wù)的17%。在我國(guó)長(zhǎng)輸管線建設(shè)中，自動(dòng)焊技術(shù)首次進(jìn)行了大規(guī)模的應(yīng)用，是西氣東輸工程的特色之一。
　　1）根據(jù)焊接方法的不同，管道自動(dòng)焊方法可分為三種：
　?。?）自動(dòng)內(nèi)焊機(jī)根焊，自動(dòng)外焊機(jī)熱焊、填充、蓋面。
　?。?）自動(dòng)外焊機(jī)單面焊雙面成型根焊，自動(dòng)外焊機(jī)熱焊、填充、蓋面。
　?。?）CO2氣體保護(hù)半自動(dòng)焊根焊，自動(dòng)外焊機(jī)熱焊、填充、蓋面。根焊設(shè)備采用STT電源，以及脈沖電源。
　　2）自動(dòng)焊技術(shù)適用于地形平坦地段的管道線路焊接施工。尤其是在戈壁、沙漠、無(wú)人區(qū)等自然環(huán)境條件比較惡劣的地區(qū)，自動(dòng)焊技術(shù)具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。但是，自動(dòng)焊技術(shù)對(duì)施工過(guò)程中的各種變化適應(yīng)性較差。因此，保持管口橢圓度和坡口參數(shù)的一致性，對(duì)保證自動(dòng)焊技術(shù)的質(zhì)量起著關(guān)鍵的作用。此外，施工前必須組織好人員培訓(xùn)，施工過(guò)程中需配備內(nèi)對(duì)口器、管端坡口整形機(jī)和防風(fēng)棚等相關(guān)的機(jī)具設(shè)備。
　　6.焊接工作站
　　在水網(wǎng)和山區(qū)地段，靠近施工現(xiàn)場(chǎng)處可建立專用的焊接工作站。采用焊條電弧焊、埋弧焊等焊接工藝完成雙聯(lián)管或三聯(lián)管的焊接。這樣可以把現(xiàn)場(chǎng)施工的焊縫數(shù)量減少1/2～2/3，從而大大提高了管線現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)的速度。
　　
　　二、焊接材料
　　焊接材料包括焊條、焊絲、焊劑及保護(hù)氣體等。
　　焊接材料的工藝性能對(duì)于管道焊接的施工質(zhì)量有著重要的影響。焊接材料的工藝性能包括引弧性、穩(wěn)弧性、飛濺率、電弧吹力、鐵水流動(dòng)性、熔渣粘度、脫渣性、以及對(duì)于全位置焊接的適應(yīng)性能等。
　　1.根焊用焊接材料
　　通常選用適于單面焊雙面成型、全位置操作性能良好的焊條、焊絲作為根焊用的焊接材料。目前大多選用強(qiáng)度級(jí)別稍低的纖維素型焊條或?qū)嵭暮附z進(jìn)行根焊。
　　纖維素型焊條的藥皮中含有30%以上的有機(jī)物，因此，它具有很強(qiáng)的造氣功能。焊接過(guò)程中，該類型焊條的電弧吹力很大，所產(chǎn)生的大量氣體由于將空氣中的氧、氮等氣氛隔離在焊接區(qū)域以外，所以，纖維素型焊條對(duì)于電弧和熔池有著很強(qiáng)的保護(hù)能力。
　　實(shí)心焊絲采用CO2或氬氣作為保護(hù)氣體，配合使用脈沖或逆變電源。進(jìn)行全位置焊接時(shí)，實(shí)心焊絲具有良好的單面焊雙面成型的能力及焊接工藝性能，采用這種工藝方案，焊縫的含氫量低，焊縫背面無(wú)需清渣。其缺點(diǎn)是在環(huán)境風(fēng)力較大時(shí)，必須采取防護(hù)措施，否則不準(zhǔn)焊接。
　　2.填充焊、蓋面焊用焊接材料
　　目前填充焊、蓋面焊焊接材料大多采用含Ni、Mo的自保護(hù)藥芯焊絲、鐵粉低氫型下向焊條和實(shí)心焊絲。
　　自保護(hù)藥芯焊絲以其特有的優(yōu)越性在長(zhǎng)輸管道中廣泛應(yīng)用，其全位置操作性能好，熔敷效率高，焊縫金屬韌性好。但在焊態(tài)下焊縫金屬中有粗大的柱狀晶組織，使其多道焊和單道焊之間的韌性值有較大的差別。因此采用自保護(hù)焊絲焊接時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制焊接熱輸入量、焊接擺動(dòng)寬度和每道焊層的厚度。
　　鐵粉低氫型下向焊條的鐵水流動(dòng)性和浸潤(rùn)性好，熔池凝固較快，使得全位置焊接焊縫成型較好，焊縫金屬韌性好，抗裂性好。但其對(duì)焊工的操作水平要求相對(duì)較高，焊接施工時(shí)合格率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于采用自保護(hù)藥芯焊絲的焊接。
　　實(shí)心焊絲主要用作管道自動(dòng)焊的焊接材料。在西氣東輸管道工程中，采用了含Si量較低的焊絲來(lái)獲得良好的焊縫成型。
　　3.保護(hù)氣體
　　長(zhǎng)輸管線的焊接施工中，通常采用CO2或富氬混合氣——（CO2+Ar）作為保護(hù)氣體。通常CO2占（15%～20%），Ar氣占（85%～80% ）。
　　
　　三、焊接工藝
　　1.焊接接頭坡口形式
　　管道焊接施工通常采用的坡口形式為API標(biāo)準(zhǔn)30°V形坡口，如圖2-1-1（a）所示。對(duì)于大口徑、厚壁鋼管，30°V形坡口形式的填充金屬量大，勞動(dòng)強(qiáng)度高，并且不適合于自動(dòng)焊工藝。在西氣東輸管道工程中采用了半自動(dòng)焊用23°V形坡口和自動(dòng)焊用復(fù)合坡口形式，如圖2-1-1（b）、圖2-1-1（c）和圖2-1-1（d）所示。
　　
　　西氣東輸管道工程中采用的這些坡口形式，大大降低了焊接材料的消耗量和焊接勞動(dòng)強(qiáng)度。以工程中使用的半自動(dòng)焊接方法焊接14.6mm壁厚鋼管為例，采用23°V形坡口與30°V形坡口相比，3200km長(zhǎng)的管線可減少焊接材料消耗量460t，減少焊接工作量26%。
　　2.預(yù)熱與層間溫度
　　預(yù)熱的目的是通過(guò)減緩母材的應(yīng)力狀態(tài)和降低根焊道的冷卻速度來(lái)防止根部冷裂紋。管道焊接施工的預(yù)熱溫度范圍應(yīng)考慮母材的強(qiáng)度、組織性能的變化規(guī)律、管徑和壁厚，以及焊接材料的含氫量等因素。
　　除了控制預(yù)熱溫度外，對(duì)于厚壁鋼管的多層焊，還要考慮控制焊道層間溫度來(lái)控制近縫區(qū)的冷卻速度。層間溫度一般與預(yù)熱溫度相近。
　　3.焊接熱輸入量
　　焊接熱輸入量的確定需綜合考慮母材成分、焊接材料類型、對(duì)冶金反應(yīng)和氣體保護(hù)效果的影響、焊前預(yù)熱、層間溫度控制、管材規(guī)格、焊絲（條）直徑、熱影響區(qū)的脆化和軟化傾向、所期望的組織和力學(xué)性能，以及施焊位置、焊接道次、每道焊層厚度、焊縫成型和熔滴的過(guò)渡形式等因素。
　　對(duì)于常用的焊接方法，當(dāng)焊接熱輸入量減小時(shí)缺陷出現(xiàn)幾率增大，當(dāng)焊接熱輸入量增大時(shí)焊縫金屬易形成粗大的柱狀晶，韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。一般來(lái)講管線鋼的脆化傾向和冷裂傾向較小，焊接線能量沒(méi)有嚴(yán)格的限制，但對(duì)于強(qiáng)度級(jí)別較高的細(xì)晶粒管線鋼，焊接熱輸入量應(yīng)偏小一些。
　　4.后熱處理及熱處理
　　目前管線焊接施工一般不進(jìn)行焊后的后熱處理。但對(duì)于在高寒地區(qū)施工時(shí)，當(dāng)焊前預(yù)熱和層間溫度控制難以起更大作用時(shí)，有必要對(duì)焊接接頭采取一定的后熱和熱處理措施，保證焊接接頭的組織和性能。
　　5.其他
　　在管道焊接施工過(guò)程中應(yīng)考慮到高強(qiáng)度、大壁厚鋼管所承受的外部應(yīng)力，因此施工過(guò)程中應(yīng)保證鋼管制成的可靠性和對(duì)口器撤離時(shí)所形成的焊道厚度，禁止強(qiáng)力組裝對(duì)口。
　　應(yīng)考慮環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和環(huán)境風(fēng)速對(duì)不同焊接方法的影響，采取不要的措施保證焊接質(zhì)量。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)采取必要的預(yù)熱措施和保溫措施，環(huán)境風(fēng)速較大時(shí)采取防風(fēng)措施，環(huán)境濕度較大時(shí)采取烘烤措施等。