长输管道焊接技术0

welcome to www.chinaweld.com.cn [英文版] 首 页 关于我们 新闻中心 焊接 切割工艺 应用实例 供求信息 招聘信息 论 您现在的位置是：中国焊接网   长输管道焊接技术 双击自动滚屏 发布者：chinaweld 发布时间：2006-2-8 阅读：     长输管道焊接技术   一、长输管道焊接技术发展概论 世界上石油、天然气开采的迅猛发展，导致了长管道技术快速发展。经济发达国家正加速发展管道输送，特别是石 输送。20世纪70、80年代发展长输管道形成高潮。在经济发展的进程中，像其他发达国家一样，我国管道工业近10年也处 能源结构以煤为主逐步转向以石油天然气为主，这就促进了快速发展长输管道。西气东输天然气管道是我国输量最大（年 3）、距离最长（3900km）、和管壁最大的一条国家级乃至世界级的天然气管道，在我国管道工业的发展史上具有划时代 长输管道设计制管施工控制与运行等方面提高到了一个新水平，为今后进一步发展成品油长输管道、天然气管道长输打好 高压输送和高密度输送技术是当今国际大流量输气管道技术的发展趋势，可为大型天然气管道项目带来可观的效益 钢管制造、管道施工、管道运行等产生巨大影响。 输气管道能耗大于输油管道的能耗，仅以西气东输管道为例，输送压力p＝10MPa，输送线长度4000km，将天然气输送 的能耗在沿途消耗掉了，可见高压输送和高密度输送的重要性和必要性。这就要求发展高强度、高韧性的管线钢。提高输 管壁厚度，可以大大减少一次性投资和运行费用。 1.  管材钢级现状与发展趋势 从欧洲钢管公司的供货统计，可以看出近10年来输油管道所用管材以X65钢为多，X60钢次之，X70钢正在逐步增加。 美，目前X80钢处于试用阶段，还没有大范围在管道上使用的记录，见表1。 表1  欧洲钢管公司1991～1999年为输油管道供货统计     （1）国外高钢级管线钢技术的发展 1985年，德国Mannesmann钢管公司研制X80管线钢及直线焊管成功，并铺设了2.4km试验管道。 1993年德国用GRS550钢材（X80）铺设了鲁尔天然气管道，其管1220mm，壁厚18.3mm和19.4mm，全长250km，输送压 正常。 1996年Stalco和Wellend也研制成功X80管线钢和螺旋缝焊管，至1997年加拿大NOVA公司已用X80管线钢铺设了205km 缝焊管。 钢级 管道数量/道 用钢量/t 点总量/％ 钢级 管道数量/道 用钢量/t X42 15 73723 28.2 X65 4 65280 X52-56 7 42462 16.2 X70 2 3720 X60 5 42797 16.3 X80 0 0 总计                       数量33道，用钢量261482t，（管径φ508～1524mm）              页码，1/18长输管道焊接技术 2007-03-22http://www.chinaweld.com.cn/onews.asp?id=48 加拿大IPSCO公司现在可生产各种规格尺寸的X80钢管，还成功地进行了X90、X100钢管的试生产，其最终目标是要生 钢管。 （2）管线钢钢级的发展史 美国石油学会（API）于1926年发布API 5L标准，最初只包括A25、A、B三种钢级，最小屈服值分别为172MPa、207MP 1947年发布API 5L X标准，增加了X42(σs＝289MPa)、X46(σs＝317MPa)、X52(σs＝358MPa)，σs均为最小屈服值。 1966年开始，先后发布了X56(σs＝386MPa)、X60(σs＝413MPa)、X65(σs＝448MPa)、X70(σs＝482MPa)。 1972年API发布U80(σs＝551MPa)、U100(σs＝691MPa)，以后又将U80改成X80，U100改成X100。 粗略统计，全世界2000年之前，X70用量在40％左右，X65、X60均在30％左右，小口径成品油管线也有相当数量用X 钢管（电阻焊管）。 （3）X80钢级的应用 国际钢铁巨头积极花巨资，研制X80甚至X100，但时至今日，X80只处于管道试验阶段，总长仅400km左右，原因是对 不尽相同。有专家认为，随着操作压力提高，准备工作完善，X80将来必定会获得发展，只是时间问题。 我国冶金行业十余年来为发展管线钢付出了极大辛劳，业绩可喜。目前正在全力攻关X70直缝埋弧焊管，我国制管厂 70螺旋缝焊管。 1998年，在中国石油物资装备总公司的领导下，武汉钢铁公司对X80级管线钢管的开发试制，武钢X80卷板性能满足A 钢要求，见表2和表3。 表2  武钢X80卷板性能 表3  武钢X80力学性能 注：冲击功（J）：100、104为平均值。 2.  焊接制管工艺（管型） 目前在油气管线上常用的管型有螺旋缝埋弧焊管（SSAW）、直缝埋弧焊管（LSAW）和电阻焊管（ERW），当直径小于 无缝钢管。 （1）螺旋埋弧焊管技术 我国早期由前苏联引进的螺旋埋弧焊管技术，随着管道工业的发展，在20世纪60年代末至70年代，我国螺旋焊管厂迅 螺旋焊管厂已有五六家，加上中小型螺旋焊管厂共有数十家。 我国原油长输管道几乎都是螺旋缝焊管，西气东输的一类地区也选用螺旋缝焊管。螺旋缝焊管缺点是生产中造成产 应力大，尺寸精度差，在使用中焊缝处开裂。前苏联曾大量采用螺旋缝焊管，管道事故率远高于欧美，前苏联解体前数年 直缝埋弧焊管机，并建成若干直缝埋弧焊管工厂。有专家认为，现有螺旋管厂工艺设备认真改造后，其产品质量只要符合 用于原油管线、输气管线的部分地区。 （2）直缝埋弧焊管技术 德国的有关人士认为，直管在某些使用性能上要优于螺旋缝焊管，其优点是焊缝长度短，钢管成形精度高，推荐在 考虑直缝管。这也和德国主要生产直缝埋弧焊管的现实有密切关系。实际上，在高压输气管道上使用何种钢管主要取决于 化  学  成  分 /％ 炉号 卷号 C Si Mn P S Ni Cr WC924459 -1 0.05 0.23 1.37 0.014 0.006 0.14 0.03 0. -2 0.06 0.23 1.36 0.013 0.005 0.137 0.03 0. 卷号 V Ti Mo B Ceq Pcm   -1 0.014 0.018 0.017 0.0006 0.34 0.15   -2 0.014 0.018 0.018 0.0006 0.35 0.16   炉号 卷号 屈服强度 σs0.5/MPa 抗拉强度 σb/MPa 伸长率 /％ 屈强比 冲击功/J 试验温度 /℃ WC924459 -1 639 738 27.6 0.86 110/110/80/100     -2 640 741 29.6 0.86 106/120/80/104 -40 页码，2/18长输管道焊接技术 2007-03-22http://www.chinaweld.com.cn/onews.asp?id=48 术要求，质量上稳定可靠，经济上合理。加拿大、德国焊管厂对壁厚较大的钢管均采用多丝焊，钢管开X形坡口，最 （3）电阻焊管技术 参阅管道焊接制管。 3.  管道钢管规格（管径和长度） 从表4可见，仅IPSCO公司一家已向油气管道提供了208万吨螺旋缝焊钢管，总计10×104km，全部用户均在加拿大和北 来，主要管径为三种规格，即1118mm、1422mm和1219mm，壁厚分别为13.6mm、15.6mm、10.6mm、18.4mm、12.0mm。 表4  全球已建成的X80输气管道统计情况     （1）大口径管道管径的选择 目前西方国家所建设的天然气管道最大管径48in（1220mm），前苏联、俄国和伊朗的输气管道最大管径采用过56in 送压力，一般48in（1220mm）以下管径已可满足输气量要求。直径56～60in（1420～1524mm）的管子多用于输水管道。我 规格： 宝鸡钢管厂    T/S52K  φ630mm×8mm  沙市钢管厂        X60  φ426mm×7mm 胜利钢管厂    X65     φ529mm×8mm  辽阳钢管厂        X60  φ529mm×8mm 宝山钢铁总厂  X70     φ529mm×7mm  西气东输采用钢管  X70  φ965mm×1016mm （2）大口径管道钢管长度的选择 正在建设的Alliance管道长24m，鲁尔天然气管道长18m（X80），欧洲目前建设的管道长均用18m，俄国以前管长一般 创建的从西伯利亚到德国的管道采用18m长管道。   二、前苏联长输管道焊接 1.  焊前准备及对接口组装 （1）管道对接坡口形式及用途 由制造厂运往管线工地的所有管子都开有手工电弧焊适用的坡口。图1(a)所示的坡口，适用于管壁厚度4mm的任何直 所示的复合式坡口，适用于厚度为16mm的大直径管。图1(c)所示的不带坡口的端面加工的管子，适用于壁厚7.5～11mm， 管子。焊接方法为双面埋弧自动焊。图1(d)所示的双面埋弧自动焊坡口壁厚大于11～18mm，直径529～820mm。图1(e)所示 坡口，适用于直径1020～1420mm，壁厚大于11～21mm。图1（f）所示的双面埋弧自动焊坡口，适用于直径1020～21420mm 的管子。图1（g)、（h）所示的特殊坡口，适用于CO2保护气体自动焊接管子的非旋转对接。按“全苏管道干线铺设科学 时采用图1(g)所示坡口，按“KPOY3”公司的工艺焊接时采用图1(h)所示坡口。 年份 位置 名称 长度/m 管厂 直径/㎜ 壁厚/㎜ 1985 德国 MegaLⅡ 3.2 MnSmn 1118 13.6 1986 斯洛伐克 第4输气管道 1.5 MnSmn 1422 15.6 1990 加拿大 Nova Express East 2.6 NKK 1219 10.6 1992 德国 Ruhr Gas Project 250 Europipe 1219 18.4 1994 加拿大 Nora Matehiwian 54 IPSCO 1219 12.0 1995 加拿大 East Albosta Systen 33 IPSCO 1219 12.0 1997 加拿大 Comtrcal Alberts Syateem 91 IPSCO 1219 12.0 1997 加拿大 East Alberta System 27 IPSCO 1219 12.0 页码，3/18长输管道焊接技术 2007-03-22http://www.chinaweld.com.cn/onews.asp?id=48 （2）管端清洁 ① 距管端1000mm以内应特别清洁，不允许有融化的雪、放出的水汽、污泥、脂肪等杂物。 ② 距管端10～20mm范围内，内外表面及坡口，用角向砂轮机清除铁锈、氧化皮，直到露出金属光泽，若管端有沥清 用汽油或特殊溶剂洗掉（部位是至少离管端40～50mm）。 （3）管子对接口的焊前组对工作 ① 此工序决定焊接的质量，可用对管器（有液压、气动或机械驱动），直径大于或等于529mm的管子，用内对管器 管子，用外对管器。 ② 意大利生产的气动内对管器（ILC814.40），适用于1016～1066mm管径。在进行根部焊缝或初焊缝焊接时，向管线 卡紧。 ③ 组装坡口间隙见表5。 表5  管子组对时坡口间隙 ④ 管子错边量。组装后管子坡口边缘的错边量不应超过壁厚的20％，手工电弧焊和埋弧自动焊不大于3mm，CO2气体 mm。当两管子壁厚不等且相差1.5δ时对厚壁管子削斜过渡（标准15°）。 （4）焊前管子对接口的预热及焊接接头热处理 ① 管道焊接基础知识中可以看出，焊接热循环是最重要的参数，用什么办法控制它呢？预热是最重要的工艺操作措 的组织和性能在很大程度上决定于工件在800～500℃温度区间的冷却速度。碳当量大于或等于0.45的低合金钢，会有显著 织的危险。冷却速度与管壁厚度、周围环境温度、风力大小、焊接熔池体积和温度以及焊接线能量（焊接电流、电压、焊 关系。对于540MPa的新管材用钢在焊接时必须采取预热，焊接线能量q＝IU/υ，焊接速度越高，q越小，这一点在用纤 部焊道时特别重要。因为用纤维素型焊条焊接时，焊接速度是用碱性焊条焊接时的2倍，并因焊缝金属中氢含量增加而使 焊材类型 直径/㎜ 管子壁厚/㎜ ＜8 8～10 手工电弧焊碱性焊条 纤维素药皮焊条 2～3.2 3.2～4.0 2+1 1.5+0.5 1.5+1 气体保护半自动焊焊丝 1.2～1.6 1.5±0.5 1.5+1.5 气体保护自动焊焊丝 0.8～1.2     气体保护药芯焊丝 自动焊和半自动焊 1.6～2.0 2+1 2+1 双面埋弧自动焊焊丝 3～5 0+1 0.1 页码，4/18长输管道焊接技术 2007-03-22http://www.chinaweld.com.cn/onews.asp?id=48 增大。预热可促使氢扩散（当使用纤维素型焊条焊接时），有时预热也要视焊接方法而定，埋弧自动焊用大的线能量 的冷却速度足够低，不推荐预热。 ② 预热方法。可用外加热器或内加热器实施预热，可以放在已组对的对接口上，也可以安置在准备组对的单根管子 用IICK环形火焰加热，见图2（技术参数见表6），也可采用中频感应加热。 表6  IICK型预热器技术特性 ③ 热处理。热处理应尽可能在焊后立刻进行，热处理前禁止经受冲击载荷，热处理总次数不得超过3次，否则接头报 TO型电炉，用NiCr-NiAl热电偶控制温度。当用感应加热器和柔性指状加热器加热时，必须将接口与加热器一起用石棉保 40～50mm，以焊缝为中心，两边各400mm，热处理时采取措施防止变形。经常需要在没有任何仪器和特别测温笔的情况下 以用松木刨花或者肥皂，接触加热的工件，看刨花或肥皂的变色，判别金属温度，见表7。 表7  用刨花和肥皂检查金属加热温度方法     2.  管子焊接站的焊接工作 （1）管子焊接站 有半机械化管子焊接站，需要完成管子焊前准备、组对、预热，手工电弧焊根焊，埋弧自动焊填充盖面焊。也有机械 备较齐，加工范围较广。 （2）埋弧自动焊特点 ① 在熔剂层下燃烧的电弧具有高功率（电流密度比手工电弧焊高3～4倍），电弧功率有效利用系数90％～99％，当 条焊接时仅70％～85％，埋弧焊没有金属飞溅，手工焊接时，飞溅损失10％～15％。管道对接口用埋弧自动焊，管道必须 往电弧处送进以及在焊接过程焊接机头与工件之间相对移动均为机械化，这就提高了生产效率。埋弧焊的突出优点是焊接 受到可靠保护，焊接质量稳定。同时有害气体比手工焊少，焊工疲劳程度较轻，不受弧光辐射。 ② 各参数关系。 a. 熔深。决定于一系列焊接规范参数，主要决定于电弧电流。焊接过程的稳定性越高，焊缝表面鱼鳞纹越细和沿焊 轮廓越平滑。 指   标 预热器适用管子直径/㎜ 1420 1220 名义热功率/kJ·h-1 967000 883000 7 名义气体消耗量/m3·h-1 10.5 9.6 一个对接口气体加热数 2 2 喷嘴数目 22 20 一个对接口气体消耗量/m3 1.05 0.96 大致温度/℃ 慢速擦到金属上去的松木刨花 擦到金属上去的干 300   5～10s后变黄 350 亮褐色标记 5s后变成褐色 400 褐色 10s后变成黑 450 暗褐色 5s后变黑，10s后 500 黑色，5～10s后消失 1s后变黑并干 页码，5/18长输管道焊接技术 2007-03-22http://www.chinaweld.com.cn/onews.asp?id=48 b. 过热。电弧功率越高，金属过热越严重，则熔池长度和体积越大。埋弧焊机操作特性：焊缝可位于水平面或与水 0°的倾斜面。因此管道干线的埋弧焊只能在平焊或接近平焊位置进行，也就是只能在管道旋转状态下才能进行埋弧自动 焊接站焊接是合适的。 c. 埋弧焊可用交流或直流电焊接，用直流电焊接过程稳定，接头质量较好，因此在前苏联和其他国家，管道对接埋 电。 （3）管道对接中应用埋弧自动焊 在半机械化管子焊接站，将单根长12m的管子用流水作业法，将其接长为24m或36m可以大大提高管子铺设速度，焊接 mm以及2529～1420mm，壁厚8mm，更能充分显示出埋弧自动焊的优越性。当焊接273～425mm，壁厚小于8mm管段时，在经济 理。因而在每一个具体地点——在施工现场与在工厂中实行埋弧自动焊时对比，在工艺和技术上有着很大的区别，制定施 殊的技术经济论证。 在管子焊接站进行焊接时，典型的特点是：焊缝根部底层焊道必须用手工电弧焊根焊，焊接坡口中其他几层金属的填 成（管道必须在滚轮架上旋转）。 （4）根部焊缝用手工电弧焊时的埋弧自动焊工艺 ① 如图1所示坡口，可在半机械化管子焊接站完成管子旋转对接口的焊接工作，焊缝的根部焊接用手工电弧焊进行 决于管子的壁厚（见表8），由管子内部进行焊缝根部封底自动焊规范见表9。 表8  埋弧自动焊层数 表9  由管子内部进行焊缝根部封底自动焊规范 ②当进行管子埋弧自动焊时，焊丝由管子的天顶部位向与管子旋转方向相反的方向移一段距离，以免液态金属和熔 大于或等于16.5mm，直径1020～1420mm，用低合金高强度钢制造的管子的焊接应保证有足够的熔深，焊缝有余高，并且没 此目的由管子内部进行的焊缝根部封底焊可用手工电弧焊，也可用埋弧自动焊。在用手工封底焊时，接口以普通的间隙组 根部焊道后立即进行封底焊。当封底焊在对接口坡口填满后才进行时，焊口以普通焊口组对，在焊根部焊道后，用自动埋 仅当焊完盖面焊道后方进行，这样的封底焊缝保证焊缝根部完全熔合，并排除了第一层焊道与根部焊道之间的不熔合。 ③ 焊口在未被封底焊的状态下保持的时间长短十分重要。若根部焊道焊完后，马上进行封底焊，时间间隔不应大于 层焊道焊完后实行封底焊，时间间隔不大于1.5h。 ④ 电流极性。在工业生产中一般埋弧自动焊采用反极性电流（反接极）。因为工厂中常应用“双面焊和熔剂垫焊” 开坡口或开小坡口，力求达到最大熔深，当带有为手工电弧焊开的坡口的管子，采用埋弧自动焊时，可以减小熔深（因为 充金属，直流正极性焊接能达到此目标。（其熔深比用反极性电流焊的熔深减小2～3mm）。极性不同，若要获得同样的熔 比反接极时提高电流约100A。 ⑤ 夹渣。夹渣经常产生在根部焊道和第一层填充焊道之间，同时在复杂坡口的条件下，夹渣一般产生在大致相当于 位，该处是坡口角度发生变化区域，在此部位的水平线上用直流正极性焊出的焊缝大致比用直流反极性电流焊接得到的焊 ⑥ 效率。在用正极性电流焊接时，焊丝的熔化率比用反极性电流焊接时高30％～40％（与特定的焊接有关）， 接时，用正极性电流比用反极性电流熔深要小，而坡口区的填充要多，熔深减小，势必增大焊接电流。 ⑦ 线能量。焊接接头的性能在很大程度上决定于焊接线能量，若改变焊接速度，改变线能量，焊缝形状会改变。当 管子壁厚/㎜ 埋弧自动焊层数 管子壁厚/㎜ 埋弧自 ＜16.5 ≥2 ≥21 ＜20.5 ≥3   焊接参数 焊缝根部焊完以后 所有外部焊层全部焊   焊接电流/A 450～500 550～600   电弧电压/V 45～47 45～47 焊接速度/m·h-1 25～28 30～35   焊丝伸出长度/㎜ 30 30   沿旋转方向偏离最低点/㎜ 30～50 30～50 页码，6/18长输管道焊接技术 2007-03-22http://www.chinaweld.com.cn/onews.asp?id=48 量进行焊接时，熔池体积上升，熔渣流失，液体金属流失，破坏电弧燃烧，焊缝成形变坏。同时可以经常看到熔池激 渣。线能量小于21kJ/cm时根部焊道与埋弧焊道第一层间出现不熔合危险，产生夹渣、咬边。现场最佳的焊接规范38～41 般在管线现场线能量29～33kJ/cm。 ⑧ 对接焊坡口填充过程的生产率取决于焊接线能量q，若按υ改变q，则对焊接坡口填充时间t没有影响。焊接过程的 不变，同时电流和电压上升条件下，效率也能提高，但是电流上升会引起h上升，并加重根部烧穿危险，在增大电流条件 径，h下降。因为在此情况下减小了电弧斑点处的电流密度以及输向工件的热流被分散。见图3。 ⑨ 焊丝直径。管道埋弧焊对接环缝常用焊丝直径为3mm，可将I增加到800～900A而没有烧穿危险。υ≥45～50m/h，甚 速度的条件下要继续加大电流，实际上是不可能的。增加焊丝直径可以增加电流负载，但随着直径继续增加，熔化速度变 加到4mm时，为了达到同样的焊丝熔化速度，必须使I上升至1000～1050A。当用直径为4mm焊丝时，I上升到1100～1200A， 须提高速度υ（75m/h），见图4。 页码，7/18长输管道焊接技术 2007-03-22http://www.chinaweld.com.cn/onews.asp?id=48 3.  双面埋弧自动焊工艺 要提高埋弧自动焊焊接口的效率，可以采用大钝边坡口，减少填充金属体积。双面埋弧焊在管子焊接站制造管段时 焊接规范参数，使焊接效率提高1.5～2倍。 外部焊缝的层数取决于管子壁厚（见表10），各种不同直径管子的双面埋弧自动焊接规范参数见表11。 表10  焊缝层数、宽度与管子直径和壁厚的关系 ① 允许外部焊层减少一些。 表11  在БTC管子焊接站管子双面自动焊规范 焊接规范参数极限，会引起不良后果。当焊外层焊道时，增加电流可能烧穿，同时也引起焊接熔池变长，又限制焊速 差。焊接内焊缝时，增加电流导致线能量增加，金属晶粒长大和焊缝形状系数变坏；若减少电流可能引起气孔和未焊透； 出现咬边、余高过大，焊缝和基体金属连接不好，并在这些部位生成夹渣；增加焊接速度产生咬边，焊缝余高过大，焊接 高增大，焊缝变宽。 优质焊接接头，进行双面焊接时要得到优质的焊接接头，除符合焊接规范外，还应考虑外部焊道和内部焊道之间的 于0℃时，此间隔不大于1h；气温低于0℃时，不应超过30min。 管子直径/㎜ 管壁厚度/㎜ 焊缝外边、层数 焊缝最后一层宽度/㎜外 部 720 7.5～11.5 1 18±3 11.5～15 2 20±3 15～17.5 3 20±3 17.5～22 4① 22±4 820 8～11.5 1 18±3 11.5～15 2 20±3 1020～1220 10.5～11.5 1 18±3 11.5～17.5 2   17.5～21.5 3①   21.5～22 4① 22±4 22～26 5① 24±4 1420 15.8～20.5 2 22±4 20.5～22 3 24±4 22～26 4①   管子直径 /㎜ 壁厚 /㎜ 坡口形式 焊层顺序 电弧电流 /A 电弧电压 /V 焊接速度 /m·h-1 焊丝前 倾角度 /(°)≥ 焊 相反 外  面  焊 720～ 820 7.5 见图1(c) 1 550～800 42～46 35～45 30 11 见图1(d) 1 以后各层 550～650 600～700 42～46 44～48 30～40 35～45 30 30 ≥18 见图1(d) 1 以后各层 500～600 600～700 42～46 44～48 35～45 30～45 30 30 1020～ 1220 9 见图1(c) 1 600～700 45～48 35～45 10 11 见图1(e) 1 以后各层 700～800 700～800 44～46 45～48 40～50 35～45 10 10 1420 15.8 见图1(f) 1 2 900～950 750～800 44～46 46～48 50～55 45～50 15 15 17.5 见图1(f) 1 2 950～1000 750～800 15～17 46～48 48～50 40～45 30 30 内   面   焊 720～ 1220 1220～ 1420 ＞7.5   15.8   1   1 600～700   750～800 42～46   42～46 35～45   40～50 10   20 15 15～ 页码，8/18长输管道焊接技术 2007-03-22http://www.chinaweld.com.cn/onews.asp?id=48 4.  在线路工地上管道手工电弧焊的设备及技术工艺 （1）手工电弧焊设备 手工电弧焊用的变压器和焊接整流器主要用于管子焊接站。自行式焊接机组是由柴油机或汽油机带动的焊接电源装在 弧焊用焊接机组有如下几种。 ACДⅡ-500Γ/B，焊接工位数2，发动机功率44kW，空载电压不大于55V，电流调节范围60～300A，外形尺寸6.1m×2. 500kg。 AДД-502-Y-2，焊接工位数2，发动机功率37kW，陡降外特性，电流调节范围120～500A，电流调节定子绕组变阻器， 2.35m×2.67m，质量3400kg。 自行式焊接装置技术特性举例CДY-2B如下。 焊接工位数2，焊接站用拖拉机类型T100M，驱动发动机Д108，发动机功率80kW，压缩机类型C0-7A交流发电机功率5 m×2.40m×3.04m，质量3500kg。 （2）手工电弧焊技术工艺 ① 焊接工艺取决于管道的材质、直径和壁厚，管子的壁厚决定着焊接坡口和层数，见表12。 表12  管子壁厚和层数 注：当管子壁厚超过25mm时，每超过2～2.5mm，焊接层数增加1层。以上数据对图1(a)、(b)所示焊接坡口有效，当坡 体积发生变化，层数也随之而变。   ② 手工电弧焊焊管最重要的是根焊，必须可靠地熔透且内表面有1～3mm余高，且平滑有细鱼鳞纹。根焊打底焊的表 有利于下一层焊道的焊接。若具有外凸形状，焊缝的焊趾部位可能形成夹渣，一般应用手动砂轮机或风铲将凸形铲成具有 须注意的是，发现气孔等缺陷及时用风铲清除，做好每一层的清渣。在每班工作的结尾，应尽可能把焊口完全填满。 ③ 注意焊口的焊接顺序。在大口径管子焊接时，焊工人数可达4人，一般为2人，当焊2层时，焊工中有1人从管子底 以钟表6－3－12点，另1人由9－12点向顶部焊完后，再返回6－9点进行焊接，其接头离开顶点50～100mm。见图5。 ④ 用直流反极性或正极性电流焊接，焊接电源空载电压不小于75V，当用直径3.2mm焊条焊接时，焊接电流值不超过 径4mm焊条在平焊和半立焊位置焊接时，焊接电流为120～160A；在其余位置焊接时焊接电流为100～140A。同时推荐焊接 坡口间隙最大时，上限值用在焊接坡口间隙最小时，若坡口超过规定值，最合理的是采用直流正极性电流进行焊接，焊接 2m/h。 大理石、萤石药皮焊条焊接时电流见表13。 表13  大理石、萤石药皮焊条焊接时电流 管子壁厚/㎜ ＜10 10～15 15～20 用纤维素焊条焊接时焊缝层数 3 4 5 焊条直径/㎜ 焊接空间位置/A 平焊 立焊 半仰焊 3.0、3.25 100130 100～130 90～ 页码，9/18长输管道焊接技术 2007-03-22http://www.chinaweld.com.cn/onews.asp?id=48 注：直流电、反极性。 在焊接中，焊工应通过用坡口烧穿焊法，形成的工艺窗口一直注视着坡口的熔化，在焊接时把焊条倾斜角由40°变成 所需要的窗口。 在根部焊缝完毕后，在5min内马上进行热焊道焊接。采用直流反极性空载电压55V，焊接速度18～20m/h，在焊这一层 摆动，幅度10～20mm，推荐的电流值见表14。 表14  焊接热焊道时推荐的电流值 填充焊缝用直径5mm焊条，盖面焊缝用直径6mm焊条，焊完热焊道后的第一层填充焊缝不用摆动焊条，而以后各焊层焊 动。 专用纤维素焊条由2名焊工焊接时，对接焊口焊接方向（按钟表字盘）为12－3－6点和12－9－6点，见图6。 在前苏联，综合焊接较为流行，即：根部焊缝和热焊缝由上向下焊，填充焊层和盖面焊层由下向上焊。 （3）管道气体保持自动焊 熔化极保护气体焊，早在20世纪60年代，在世界性实践中，前苏联首先研制出焊道非旋转对接口焊接，采用CO2气体 直径529～1020mm、壁8～11mm的管道，接着在前苏联及其他国家进一步改进设备和工艺，在吸收国外积累起来的经验基础 了管道干线CO2气体保护焊用完善的设备和工艺。 ① CO2气体保护自动焊设备  用于直径为1220～1420mm的管子焊成连续管线，由以下部件组成。 a. CⅡK机床（坡口加工机）  它悬挂在铺管机的悬臂上，由铺管机发电机供电，管内焊接装置有：用于组对和进行 对中机构（管子组对）、焊机位置对准机构（使焊接机头的焊丝以±0.5mm的精度对准接口的轴线）。 b. 自动焊机头  内部装有焊丝送进机构，带气体喷嘴的导电嘴。 c.小车  布置在对管器的尾部，小车本身是一个带轮子的框架，在上面装有储能驱动装置，底架气动传动制动机构 和保护气体气瓶。 d. 防护栅  是由管子制成的栅栏状结构，以便在支撑座上固定电动和液压设备，并保护对中机构不受管子冲击。 e. 托杆  在由分段的管子组成的对管器托杆中布置电缆导线，托杆有快速接头以便管内焊接装置和布置在托杆端部 缆。 f. 管外焊接装置  沿着焊接坡口，在管子外壁装有导轨，焊接小车就卡装在导轨上，左右各一部，小车上装有焊接 焊丝的焊丝盒和控制盘，焊接机头按用途分有：焊接根部焊缝用、焊接填充层用、焊接盖面焊缝用。管外用BДΓ-301型焊 g. 管内焊接装置  供电机组安装在TT-4型拖拉机底盘上，该拖拉机备有液压传动超生臂，并带有遮蔽焊工工作地点 由半有功率50kW的驱动发电机、两台BДY504型焊接整流器、两个气瓶台、发电机控制板和电气设备箱的机身框架组成。服 4.0 170～200 160～180 150～ 5.0 220～260 180～200 焊条直径/㎜ 焊接空间位置/A 平焊 立焊 半仰焊 4 5 150～180 190～220 150～170 160～180 140～ － 页码，10/18长输管道焊接技术 2007-03-22http://www.chinaweld.com.cn/onews.asp?id=48 动，机组的机架上装有电站和由内燃机驱动的压缩机、轻型起重吊车、水箱和供水泵、气瓶台。 ② 管道气体保护焊工艺 a. 根焊。CO2熔化极气体保护焊焊接管道的关键是“根焊”。根部焊缝的焊接，对于不带间隙的接口，可用4～6个焊 部焊根部焊层。为了改善根部焊缝的形成条件，对接口所开的坡口不大，焊接时不进行横向摆动，保护气体采用混合气体 气体。焊接规范见表15。 表15  尺寸为1420mm×16.5mm的管道非旋转对接口气体保护焊规范 b. 热焊道。根焊完毕后，立即在外部焊“热焊道”，此层的焊接速度应当与根部焊缝接近，两层焊缝结束之间的间 进行横向摆动，当管子壁很厚时，为了避免焊丝伸出过长，导电嘴伸入坡口之中。热焊道的参数见表14，由上向下进行C c. 填充焊、盖面焊。焊丝要进行横向摆动，焊接参数见表15。为了稳定熔化坡口的侧面边缘，摆动幅度不应小于坡 高度大大超过弧长，则摆动幅度应超过在前一层焊缝的表面坡口的宽度。另一重要参数是摆动频率，频率过快将破坏电弧 率过低焊缝成形不佳。焊缝填充焊层的数目取决于管子的壁厚，并且也取决于坡口的焊接规范。 d. 用X60钢制成直径1420mm壁厚16.5mm和19.5mm的管子，焊出的焊接接头力学性能见表16，若用Ceq＝0.4％的钢制 在盖面焊缝的热影响区中产生淬火现象，最好采用220～250℃温度预热。 表16  X60保护气体焊焊接接头力学性能 注：分母为平均值。   三、德国、加拿大天然气输送管道的施工技术 1.  大口径钢管弯管的制作 弯度小于15°～20°，可在现场冷弯，弯度大于15°～20°，需在制造厂用感应加热方法热弯成形。 钢管采用现场冷弯的优点是成本低，就地冷弯可节约从工厂到施工现场的运输费，可用已经过防腐的管道直接制作 过程，避免了力学性能降低。 若采用调质钢热弯管，在与直管段焊接时，因材料不同，其焊接工艺需另行设计，热弯管需要在热弯后再进行防腐 2.  X80管道的试压 加拿大在对X80管道进行水压强度试验时，试验压力为工作压力的1.25～1.5倍，稳压时间不少于4h。 德国鲁尔管道在对X80管道进行水压强度试验时，要求试验压力达到管材的最小屈服强度，认为提高压力可以充分发 陷，从而提高管道运行时的安全性，但对此德国的一些研究机构有不同看法。 （1）手工电弧焊 指   标 焊    缝 根部（内） 热焊道（外） 填  充  焊  层 第一层 第二层 第三层 焊接速度/m.min-1 保护气体(Ar/CO2)/5% 保护气体消耗量/L.min-1 焊丝伸出长度/㎜ 电弧电压/V 焊接电流/A 焊丝摆动幅度/㎜ 摆动频率 机头向前倾斜角度/(°) 60～75 25/75 40 9 20～22 190～210 0 0 8 48～80 0/100 30 9 22～24 220～240 0 0 0 25～35 0/100 30 12 22～24 220～240 4 2 0 25～35 0/100 30 10 20～22 190～210 5.6 2 0 25～35 0/100 30 10 20～22 180～200 6.3 2 0 X60 σb/MPa σ5/MPa δ/％ 4/％ Akv/J·cm-2 试验温度/℃ +20 -20 -40 基体金属 662 530 24.6 56.6 90 85 84 焊缝金属 686～ 765/724 678～ 658/630 20.2～ 21/20.8 50～ 63/56 113～ 124/119 79～ 104/89 64～ 96/84 页码，11/18长输管道焊接技术 2007-03-22http://www.chinaweld.com.cn/onews.asp?id=48 德国鲁尔管道X80钢管现场手工电弧焊焊接时，采用纤维素焊条（根焊、热焊）、碱性焊条（填充料，盖面焊）。 （2）自动气体保护焊 施工中只要条件具备，管道长度在25km以上，尽量采用自动气体保护焊，可以提高焊接速度，保证焊接质量、降低 管道X80钢管自动气体保护焊的焊接工艺见表17。 表17  德国鲁尔管道X80钢管自动气体保护焊焊接工艺 高钢板钢管现场环焊缝的焊接工艺，通过试验确定。 焊接前的预热温度，应根据管材的力学性能、化学成分及碳当量等因素经试验确定，一般在80～200℃之间。施工时 接前钢管实际温度。 3.  焊缝检测 当环缝用手工焊时，仍需进行手工超声波检测和X射线检验。 加拿大和德国当用自动气体保护焊焊接环缝时，焊缝无损检验均使用自动超声波探伤仪，不再采用X射线检验和X光拍 度，降低了检验成本，提高了检验质量。管道环缝用超声波自动检验代替X射线检验的好处： ① 无辐射伤害； ② 生产效率高，据Weldsonix介绍，直径1067mm钢管扫描仅为45s，全部检验时间小于2min。 ③ 检测数据数字化处理，可以测出缺陷尺寸和位置深度； ④ 实时了解检验结果，便于及时控制焊缝质量； ⑤ 无需在管内放置检测设备，允许在管内留有其他设备； ⑥ 各种环境均可使用。   四、我国长输管道焊接 1.  概况 西气东输工程是横贯我国东西部地区，从新疆，经过九个省、市自治区到达上海市西部白鹤镇，全长3900km，管径9 厚分别为17.5mm、21mm和26.2mm，钢级X70，输气压力10MPa，年输气量120×108m3石油天然气。这是我国迄今为止规模最 程。该工程采用API Spee 5L X70级钢管，一级地区采用螺旋缝埋弧焊钢管，壁厚为14.6mm，二、三、四级地区使用直缝 OE钢管），壁厚为17.5mm、21mm和26.2mm。 我国在过去长输管道的施工实践中，积累了一定经验，例如1999建设施工的大港－永清输气管道，采用钢级X60，规 长103km，采用英国NOREAST外焊机进行焊接，X射线探伤拍片一次合格率97.8％，在2000年涩宁兰输气管道钢级X70试验段 ×10.3mm）中采用全自动焊技术，X射线探伤拍片一次合格率97％。另外在河南的义马管线上应用了管道研究院开发的管 APW-Ⅱ，使得西气东输管道工程具备了采用全自动焊接技术的条件。 根据西气东输工程长距离、大管、大壁厚等施工特点，若单靠国内传统的焊条电弧焊和近几年应用成熟的自保护药 人劳动强度大，生产效率低，施工进度很慢。适应西气东输长输管线施工需要，必须采用全自动焊技术，科研部门和施工 管道全自动焊接进行了积极探索和研究。 西气东输工程长输管道，有2700km，处于平原、戈壁和沙漠地带，地势开阔平坦，适宜应用自动焊机组进行大流水作 鉴于上述原因，西气东输工程管道焊接确定采用全自动、半自动为主，手工电弧焊为辅的焊接方法。 1)焊接工艺 （1）焊接方法  西气东输工程中采用的自动气体保护焊方法以根焊部位不同分类，主要有以下两种。 焊接部位 焊丝型号 保护气体 焊接电流/A 电弧电压/V 送丝速度 /cm·min-1 根焊 ER70S-6,直径0.9 75%Ar+25%CO2 190～220 19～21 75 热焊 E90S-G,直径0.9 100%CO2 240～260 24～26 127 填充焊 ER90S-G,直径0.9 100%CO2 210～250 22～25 36～45 盖面焊 ER90S-G,直径0.9 75%Ar+25%CO2 200～230 20～25 26～41 页码，12/18长输管道焊接技术 2007-03-22http://www.chinaweld.com.cn/onews.asp?id=48 ① 内焊机管内根焊+自动气体保护焊在管外填充盖面焊。 ② 半自动气体保护焊根+自动气体保护焊在管外填充盖面焊。按照设备的配套使用，现场应用有如下几种（下面所列 保护焊机）。 a. STT半自动根焊+APW-Ⅱ自动焊。 共焊接X70钢（ф1016mm×14.6mm）焊口890道；（ф1016mm×17.5）焊口362道，合计4.104km，焊接一次拍片合格率 STT——美国林肯公司的STT逆变电源，配用STTR-10送丝机。 APW-Ⅱ——国产全位置管道自动焊机，以直流脉宽调速为基础，主要适用于大、中口径管道外环缝热焊道、填充焊道 接，焊丝直径0.9mm、1.0mm、1.2mm。设备包括焊接电源（IGBT500A）、控制箱、焊接小车、操作盒、轨道五部分，混合 O2）。 b. PWT-CWS.02NRT外自动根焊+PAW自动外焊机填充、盖面焊（用于焊接壁厚14.6mm、17.5mm管道）。 PWT-CWS.02NRT焊机是意大利PWT公司生产的一种由计算机实施控制的MIG/MAG焊接系统，它的特点是：对焊接熔池可 证焊接质量；同时完成根焊和填充、盖面焊，既克服内焊机受管径限制的弱点，又克服了半自动焊打底和手工焊打底的固 大于406.4mm（16in）的各种壁厚管道的焊接；与STT半自动根焊和手工焊相比，其在焊接速度、焊接质量、降低焊工劳动 的优势。PWT-CWS.02NRT由一台2×400内燃弧焊发电机、两个焊机电流控制单元、两个焊接小车控制单元、两台焊接小车 统、一个焊接编程器、一大焊接保护气配比混合单元、焊接防风棚和一条轨道组成。该机计算机控制管道自动焊机技术特 机、送丝电机、摆动电机、焊枪横向调节电机、焊枪对中和纵向调节电机来控制焊接小车的焊接；计算机通过重力角度传 各点位置的工艺参数，该机还可通过焊机自带软件实现焊接工艺参数和焊接线能量计算。 c. NOREAST内焊机根焊+PAW2000外焊机填充、盖面焊。 内焊机根焊采用的设备为英国NOREAST公司的IWM40-42型焊机；PAW2000是国产自动外焊机，焊接钢管规格为ф1016m 形，焊接速度40～50道吊胃口/日，最高60道口/日，ATU探伤一次合格率98％～99％，共焊了160km。 d. STT半自动根焊+PAW2000外焊机填充、盖面焊。 焊接钢管规格ф1016mm×17.5mm，坡口V形，在前40km中，日焊接20～25道口，最高30道口/日，焊接一次拍片合格率 慢，主要是使用本法时间较短，磨合不够。另外是管壁较厚，采用V形坡口焊缝填充金属量大，也影响焊接速度，后来改 e. STT半自动根焊+NOREAST外焊机自动焊（用于14.6mm、17.5mm管壁的管道）。 f. PWT-CWS.02NRT自动焊根+NOREAST自动外焊机填充、盖面焊（用于14.6mm、17.5mm壁厚管道），PWT-CWS.02NRT焊 生产，由微机控制的管道全位置气体保护自动焊机。 （2）工艺装备及辅助设施 在野外作业，现场焊接，必须配备如下设施及工艺装备。 ① 吊管机（兼作发电设备）。 ② 防风棚。气体保护焊允许施焊的环境风速不大于2m/s，当风速大于2m/s时，必须采取有效的防风措施，因此防风 系到焊接质量。国内外采用的防风措施一般为吊装式防风棚。前几年国内几条管线用的是简易防风棚，不能折叠，没有底 处，棚壁底部与地面接触不严密，极易透风，影响气体保护效果，严重影响焊接质量。车外采用的防风棚带有底板并可折 当管道组装完毕，扣上防风棚，打开底板，焊工站在底板上焊接，形成一个独立的密封整体，不受地面起伏不平的影响， ③ 坡口机（管端开坡口用）。 ④ 中频感应加热器，烤炬预热器（预热用）。 ⑤ 组对器、对管器（定位对接管子用）。 ⑥ 焊缝探伤仪。 ⑦ 测温仪，氧气、乙炔、氩气、CO2气瓶。 （3）焊接管材钢级及规格 焊接钢管符合“API Spec 5L X70”标准，直径ф1016mm×14.6mm，ф1016mm×17.5mm，分别符合《西气东输工程用螺 页码，13/18长输管道焊接技术 2007-03-22http://www.chinaweld.com.cn/onews.asp?id=48 条件》（Q/SYXQ14-2002）和《西气东输工程用直缝埋弧焊管技术条件》（Q/SYXQ15-2002），国内供货的钢管厂家 市、辽阳、珠江钢管厂等多家单位，其中华北的巨龙和珠钢钢管厂主要提供直缝埋弧焊钢管，生产钢管用X70卷板，部分 钢和武钢），X70化学成分、力学性能参见管道金属材料。 （4）焊接材料（见表18） 表18  实芯焊丝与保护气体 （5）焊接坡口 采用复合坡口比传统的V形坡口好，可减少焊丝填充量，提高焊接速度。内焊机根焊，钝边高0.9～1.0mm，对口间隙 根焊（STT），钝边高度1.6mm±0.4mm，对口间隙2～3mm，见图7(b)。 （6）焊接参数 可以采用大电流高速焊接，西气东输全自动焊接参数见表19。 表19  西气东输全自动焊焊接参数 ① 峰值350～420A，基值55～85A。 （7）加强管口组对 由于国产螺旋缝埋弧焊钢管在生产过程中不扩径，管端圆度较差，周长偏差较大，为保证组对质量（管子接口对齐 级配选管，控制其周长偏差在5mm以内，严格控制错边量，管口组对前，将管内脏物和杂物彻底清除干净，管口清理及组 超过2h，以免二次清口。 （8）提前进行管口预热 X70为低合金高强度钢，含碳量0.05％，由于含有合金元素，有一定淬硬倾向和冷裂纹敏感性。按照规范要求，焊前 行预热，预热温度不小于100℃，预热范围为坡口两侧各75mm以内，现场预热一般采用中频感应加热器或用烤炬火焰（即 在环境温度为20℃左右，用烤炬预热到100～120℃，需要3～5min。 在环境温度较低情况下，为减少预热时间，提高根焊速度，管口在组对前就预热到100℃左右，组对完成后，稍加热 实  芯  焊  丝 保  护  气  体部位 CO2/% 部位 标准号 型号 牌号 直径/㎜ STT根焊 100 内根焊 20 焊根 AWSA5.18 ER70S-G 锦泰JM-58 1.2、0.9 热焊 70 填充 AWSA5.28 ER80S-G 锦泰JM-68 1.0 填充 60 盖面 AWSA5.28 ER80S-G 锦泰JM-68 1.0 盖面 30 位置 焊丝牌号 焊丝直径 /㎜ 极性 焊接电流 /A 电弧电压 /V 焊接速度 /cm·min-1 STT根焊 ER70S-G 0.9 DC- 350～420① 16～25 16～25 内根焊 ER70S-G 1.2 DC+ 180～220 19～21 150 热焊 ER80S-G 1.0 DC+ 245～260 24～25 100 填充焊 DC+ 170～210 19～21 30 盖面焊 DC+ 160～200 18～20 21 页码，14/18长输管道焊接技术 2007-03-22http://www.chinaweld.com.cn/onews.asp?id=48 www.bzfxw.com 度。 （9）根焊要领 根焊质量至关重要，采用内焊机根焊、焊道较薄，仅2mm左右，而主管重达4.2t，在外应力或载荷作用下，可能在根 根焊后不能搬走内焊机，必须等热焊后再搬，下面着重介绍现场应用实例。 3) STT半自动 根焊＋APW-Ⅱ自动焊工艺现场应用 辽河油建二公司在西气东输管道工程第17标段的管道焊接中，成功地采用了STT半自动根焊＋APW-Ⅱ自动焊工艺，其 焊口1252道，焊接一次合格率95％，同时在300道实验口焊接施工中创下了X射线、超声波检测连续百道口100％合格的施 该公司从1999年下半年就已开始进行管道全位置自动焊的试验和培训工作，并于2002年7月组建全自动焊机组进行焊 ① 管口组对使用一台意大利生产的气动对口器（ILC814.40），适用于1016～1066mm管径在进行根部焊缝或初焊缝焊 个接口对齐并卡紧。 ② 用中频感应加热或火焰加热器对管口进行预热。 ③ 根焊一组两名焊工。采用STT半自动根焊，应用STT－Ⅱ表面张力过渡电源，配用STTR-10送丝机，共两套100％CO （锦泰JM-58）+下向焊，电源及送丝机安装在防风棚内，棚外每侧放2瓶保护气体瓶，两台STT电源合用一台80kW电站（即 ④填充、盖面焊5组10名焊工，组对管口后，将根焊防风棚吊入，进行管口预热并根焊，两名焊工，一名在0点位置 点位置同时对称施焊，由