中外油气管道工程环焊缝焊接技术比较与展望｜澜宁管道

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中外油气管道工程环焊缝焊接技术比较与展望

澜宁管道

2022-01-17 11:50:50 评论（0）

中外油气管道工程环焊缝焊接技术比较与展望

隋永莉

中国石油天然气管道科学研究院有限公司

国外油气管道的环焊缝焊接方法多种多样。北美、欧洲等地区主要以自动熔化极气保护焊为主、纤维素和低氢焊条电弧焊为辅，中东、中亚等地区和俄罗斯、印度等国家的环焊缝焊接方法有手工纤维素焊条电弧焊、手工低氢焊条电弧焊、半自动自保护药芯焊丝电弧焊和自动熔化极气保护焊等。我国20世纪70年代及以前采用传统的低氢型焊条手工上向焊工艺，80年代末推广使用纤维素型焊条和低氢型焊条手工下向焊工艺，90年代初应用自保护药芯焊丝半自动下向焊工艺，90年代中期开始引进和研发管道自动焊技术和设备，至今自动焊已成为油气管道建设的主要焊接方法。

半自动焊和手工焊的应用。半自动焊和手工焊在印度、泰国、墨西哥、俄罗斯、阿根廷、沙特阿拉伯、伊朗、伊拉克、苏丹等国家均有应用。自保护药芯焊丝半自动焊工艺在北美地区主要用于建筑行业。

中石油1995年承建的突尼斯天然气管道工程和1996年建设的库鄯线输油管道工程，是我国最早应用自保护药芯焊丝半自动焊工艺的管道工程。由于该焊接方法的环境适应性好、焊接工艺性优良、合格率及施工效率高，1999年以后应用范围逐渐扩大，并成为管道环焊缝焊接的主要方法。2013年以后的X80、X70等高钢级管道建设中，发现自保护药芯焊丝半自动焊的焊缝金属存在着显著的低温冲击韧性离散现象。有研究成果认为，这与焊缝金属中数量较多、尺寸粗大的M-A组元，以及分布在晶界的链状M-A有关。而大量M-A组织的出现，一方面与焊材中的高Al含量相关，另一方面与母材中的淬透性元素，如Nb、Cr、Mo等元素含量相关。因此，高钢级管道建设中应谨慎使用自保护药芯焊丝半自动焊。

我国未来的油气管道建设，在小口径、低钢级管线钢管现场焊接时，自保护药芯焊丝半自动焊和低氢焊条手工焊的工艺仍将是可选择的焊接方法。其他受地形条件和气候环境等因素限制、不利于管道自动焊施工的地段，也可能选择使用自保护药芯焊丝半自动焊和低氢焊条手工焊。但在应用自保护药芯焊丝半自动焊工艺时，需合理限定管线钢管的冶金成分，并严格遵守薄层多道焊的半自动焊工艺原则，以确保环焊接头的力学性能满足工程要求。

自动焊的应用。20世纪70、80年代，国外已采用自动焊装备进行管道建设，目前应用最广泛的国外自动焊装备包括美国CRC-evans公司的PFM坡口机、IWM内焊机、P260单焊炬外焊机以及P625双焊炬外焊机，焊接工艺主要采用内焊机根焊外焊机填充盖面，在北美、欧洲、中东、非洲、亚洲以及俄罗斯、澳大利亚等陆地管道中规模化应用。法国Serimax 公司的PFM坡口机、MAXILUC带铜衬对口器、Saturnax系列的外焊机，焊接工艺主要采用带铜衬对口器外焊机根焊外焊机填充盖面。

我国全自动焊装备主要有中国石油天然气管道局工程有限公司的PFM坡口机、IWM内焊机、CPP900 W1单焊炬外焊机和CPP900 W2双焊炬外焊机、带铜衬内对口器，以及四川熊谷的系列自动焊装备，其技术先进性与国外基本持平，包括同步涨紧技术、快速定位技术、坡口加工技术、内根焊技术、对接搭接技术、自动控制技术、电弧跟踪技术等，在无线传输技术方面甚至超过了国外同类产品。国产自动焊装备在国家重点管道建设中的应用效果越来越显著。随着国家对安全、环保、高效、高质管道建设要求不断提升，自动焊方法将成为管道建设的首选。

无损检测方法的应用。常用的无损检测方法包括目视、射线、超声、磁粉、渗透检测等，每种检测方法因所依据的物理原理不同而具有特定的适用范围，仅用一种方法检测不足以得出确定的结果，也很难或无法实现被检对象的完整评估，往往需要根据不同情况同时使用两种或多种无损检测方法，才能对结构异常做出可靠判断。同时，还应选择与焊接工艺相适应的无损检测方法和检测工艺进行焊接缺欠控制，如气保护实心焊丝自动焊的主要焊接缺欠是未熔合和气孔，宜选用全自动超声波（AUT）检测方法；气保护药芯焊丝自动焊的主要焊接缺欠是气孔和夹渣，宜选用射线（RT）检测方法，或含有超声波衍射时差（TOFD）功能的相控阵超声波（PAUT）检测方法；焊条手工电弧焊的主要焊接缺欠是夹渣和气孔，宜选用RT检测，或含有TOFD功能的PAUT方法。

一些无损检测方法的结果记录情况较差、甚至没有（如目视、磁粉和渗透检测往往没有记录，手动超声波检测的可重复性和监督性差），因此同一道环焊缝的多种无损检测结果难以实现综合分析。当前的油气管道建设过程中越来越多地使用了数字化射线（DR）检测、数字化超声波（AUT、PAUT、TOFD）检测等方法，克服了检测数量大、不易存储、数据重现性差、复审难度大、检测效率低等问题，提高缺陷识别能力以及缺陷定量、定位的精度，实现检测数据的远程传输和专家诊断，减少缺陷漏判、误判。

未来的管道建设还将大力发展数字化无损检测系统，通过将目视、渗透、磁粉、射线、超声等检测结果的数字化采集、数字系统处理、缺陷识别、准确定量等数字化处理手段，实现对无损检测工艺的优化和无损检测质量的保证，提高检测质量和效率，提高管道环焊缝服役可靠性。

焊接缺陷的验收。北美、欧洲的陆地和海洋管道采用自动焊方法时，使用与AUT检测方法相结合的工程临界评估（ECA）方法，对环焊缝中的焊接缺陷进行评估和验收。通过ECA得到的缺陷临界尺寸与挪威船级社DNV-OS-F101和美国石油学会API 1104等标准中可接受缺陷的范围进行比较，ECA的缺陷可接受范围要大于标准规定，其意义在于使得原本需要返修的焊接接头不用返修，降低了返修率，节约了成本，提高了施工效率。

我国的海洋管道工程接受ECA方法，但陆地管道工程目前还不接受ECA方法，环焊缝缺陷的检测和验收是按质量验收的方法、执行国家或行业的无损检测标准GB/T 50818或SY/T 4109。这在很大程度上限制了管道自动焊效率和质量的优势发挥，同时对含有非危害性缺欠的环焊缝进行大量返修，实际上带来了更大的不安全风险。

基于断裂力学的ECA方法，不仅在“合于使用”的前提下保证了焊接接头的安全性，可极大地提高施工效率，并且在实际应用中具有较高的经济效益，是一种安全且兼顾经济性的缺陷评估手段。随着油气管道工程建设技术的不断进步，ECA方法的应用将会越来越广泛。

管道施工组织方法。为保证管道环焊缝的焊接效率和质量，应将环焊缝焊接技术与钢铁冶金、钢管制造、焊材生产、工程设计和施工管理等作为一个技术体系进行协调和管理。如钢板或卷板的冶金成分和在轧制工艺设计时考虑其焊接性，在降低冷裂纹和热裂纹敏感性的同时避免热影响区软化和脆化；制管过程的管端不圆度和制管焊缝错边量、管周长偏差等满足焊接组对要求，减小对坡口加工和组对的精度影响；研发专用的焊接材料，提高焊材的纯净度和工艺稳定性，通过焊接材料的质量一致性来保证焊接过程稳定，确保焊接质量；设计和勘察过程中采取降坡、取直的设计思路，满足自动焊施工对地形的要求；合理布置检测工作站与焊接工作站的距离，保证无损检测能够及时反馈焊接质量信息等。