西氣東輸線路工程焊接工藝研究

概述

西氣東輸管道工程所用鋼管的強度級別為API5LX70，外徑為1016毫米，壁厚范圍為14.6～26.2毫米，管道設(shè)計輸量為120億立方米，設(shè)計壓力為10兆帕。要完成這樣一條大口徑、高壓輸氣管線的主體建設(shè)任務(wù)，焊接技術(shù)是制約工程建設(shè)質(zhì)量和效率的重要環(huán)節(jié)之一。

X70管線鋼的焊接性

西氣東輸管道工程用API5LX70管線鋼的卷板供貨商既有國內(nèi)生產(chǎn)廠家，也有國外的生產(chǎn)廠家，供貨鋼管冷裂紋敏感系數(shù)(PCM)不超過0.21%，碳當(dāng)量(CEQ)不超過0.42%。考慮到母材的含碳量較低，碳當(dāng)量大于一般低合金鋼的水平，可初步判定母材的焊接性良好，但焊接前還應(yīng)采取必要的預(yù)熱措施。

參照理論計算得出的預(yù)熱溫度值，進行斜Y型坡口焊接裂紋試驗。試驗結(jié)果表明，采用實心焊絲焊接，預(yù)熱至80攝氏度時的表面裂紋率合格；采用纖維素焊條焊接，預(yù)熱至100攝氏度時的表面裂紋率合格。據(jù)此，施工過程中焊接預(yù)熱溫度確定為不低于100攝氏度，焊接層間溫度確定為不低于80攝氏度。另外，考慮鋼管外防腐層的耐熱能力和母材本身受熱過程的影響，建議預(yù)熱溫度和層間溫度的加熱上限不超過200攝氏度。

焊接接頭的坡口型式設(shè)計

管道焊接施工通常采用的坡口型式為API標(biāo)準(zhǔn)30度坡口。但對于大口徑、厚壁鋼管來說，這樣的焊接接頭坡口型式熱影響區(qū)、焊接接頭變形和應(yīng)力、填充金屬量都較大，勞動強度高，焊接效率低。經(jīng)過調(diào)研和工藝試驗驗證，確定西氣東輸工程采用23度V型坡口型式。

西氣東輸工程中采用的坡口型式大大降低了焊接材料的消耗量和焊接勞動強度。以工程中使用的半自動焊方法焊接14.6毫米壁厚鋼管為例，采用23度V型坡口與30度V型坡口相比，3200公里長的管線，可減少焊接材料消耗量460噸，減少焊接工作量226%，節(jié)約材料成本約2500萬元人民幣，節(jié)約焊接施工成本約3640萬元人民幣。

各種不同焊接方法的應(yīng)用特點

半自動焊方法

目前使用的半自動焊方法分為兩種。一種是采用自保護藥芯焊絲進行下向焊的方法。這種焊接方法操作靈活，環(huán)境適應(yīng)能力強，焊接效率高，焊接質(zhì)量好，并且具有相當(dāng)多的施工經(jīng)驗，使用中沒有更多的困難。另一種是采用實心焊絲進行二氧化碳氣體保護電弧焊下向焊的方法，如STT型二氧化碳逆變焊機的應(yīng)用等。這種焊接方法焊接效率高，操作靈活，但焊接過程受環(huán)境風(fēng)速的影響較大。

自動焊方法

我國雖然在20世紀(jì)70年代就開始了管道自動焊技術(shù)的研究工作，但直到20世紀(jì)90年代才開始在管道建設(shè)中應(yīng)用自動焊技術(shù)。如1998年管道局的PAW2000自動焊機在河南義馬煤氣管線進行了焊接試驗，1999年進口英國NOREAST公司的自動焊機在港清輸氣管道工程中進行了焊接試驗，以及2000年在澀寧蘭輸氣管道工程中管道局的PAW2000自動焊機和進口英國NOREAST公司的自動焊機共同進行了自動焊工藝試驗等。

自動焊技術(shù)對施工過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，對自動焊技術(shù)的質(zhì)量穩(wěn)定起著關(guān)鍵的作用。在西氣東輸工程中，自動焊技術(shù)主要應(yīng)用于西部地形平坦地段，共有11家施工單位組建了15個自動焊施工機組，采用管道全位置自動焊的方法焊接完成了大約670公里長的管線，約占全線總體焊接任務(wù)的17%。

自動焊技術(shù)適合于地形平坦地段的管道焊接施工，尤其是在自然環(huán)境條件比較惡劣的地區(qū)，如戈壁、沙漠、無人區(qū)等，自動焊技術(shù)具有不可替代的應(yīng)用空間和優(yōu)勢。結(jié)合不同的工程特點和施工環(huán)境因素，合理分配自動焊、半自動焊和手工焊的焊接任務(wù)量，將會使焊接效率、焊接質(zhì)量、勞動強度和施工成本之間的關(guān)系達到最合理的效果。

手工焊接方法

西氣東輸管道工程，大量采用了纖維素型焊條下向根焊方法，大多數(shù)返修焊、連頭焊和一些特殊地段、特殊焊縫的焊接采用纖維素型焊條根焊和低氫型焊條填充、蓋面上向焊組合的方法。

焊條電弧焊具有靈活簡便、適應(yīng)性強等特點，其下向焊和上向焊兩種方法的有機結(jié)合及纖維素焊條良好的根焊適應(yīng)性，在很多場合下仍是其他焊接方法所不能代替的。

焊接工作站

水網(wǎng)和山區(qū)地段，在靠近施工現(xiàn)場處建立了專用焊接工作站，使用埋弧焊方法或半自動焊方法完成雙聯(lián)管或三聯(lián)管的焊接，把現(xiàn)場施工的焊縫數(shù)量減少了40%-50%，大大縮短了鋪設(shè)作業(yè)的周期。

焊接施工措施

自動焊的焊接方法對于坡口型式，以及管口組對要求相對比較嚴格，若坡口型式不能滿足要求，或管口組對精度不夠，將造成燒穿、未焊透等焊接缺陷。因此，要求管口橢圓度，必須在焊接施工現(xiàn)場配備管端坡口整形機，以保證坡口型式和管口組對精度。

必須考慮到高強度、大壁厚鋼管所承受的外部應(yīng)力作用帶來的影響。因此施工過程中，應(yīng)注意鋼管支撐的可靠性和對口器撤離時足夠的焊道厚度，禁止強力組裝對口，避免焊接裂紋的產(chǎn)生。

結(jié)論

西氣東輸管道工程的建設(shè)表明，我國焊接技術(shù)工作者大量采用國內(nèi)外領(lǐng)先的高新技術(shù)，高效快速地解決了焊接施工中的難題，全面提升了我國長輸管道的建設(shè)水平，實現(xiàn)了管道工業(yè)國產(chǎn)化的重大突破。通過西氣東輸管道工程的建設(shè)實踐，從整體上提高了國內(nèi)管道建設(shè)的能力和水平，增強了我國管道建設(shè)單位參與國際競爭的實力。