管道焊接——連接千里「長龍」

2022-05-25   為漢科技

原標題:管道焊接——連接千里「長龍」

油氣長輸管道一般是用鋼管一根一根焊接起來的,我國鋼質管道環縫焊接技術經歷了幾次大的變革,七十年代採用傳統焊接方法,低氫型焊條手工電弧焊上向焊技術,八十年代推廣手工電弧焊下向焊技術,為纖維素焊條和低氫型焊條下向焊,九十年代應用自保護藥芯焊絲半自動焊技術,到今天開始全面推廣全位置自動焊技術。下面介紹長輸管道焊接的「千里」長龍。

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管線鋼的焊接性

長輸管道鋼管是用管線鋼製成的,現代管線鋼屬於低合金高強鋼、低碳或超低碳的微合金控軋鋼,鋼的潔凈度高,組織均勻,並採取微合金化,真空脫氣、連鑄過程,多級制以及多功能間歇加速冷卻等工藝,使力學性能得到顯著改善。由於精鍊技術、微合金鋼技術、控軋控冷技術、形變熱處理等一些先進技術的應用,使得現代管線鋼含碳量低、潔凈度高、晶粒細化,具有較高的強韌性和良好的焊接性,尤其是焊接熱影響區冷裂紋敏感性大大降低,粗晶區韌性大幅度提高,並進一步適合於高效率、大線能量的焊接工藝。然而,新的問題也伴隨著出現,如母材的低碳當量高強度化使得冷裂紋從焊接熱影響區轉移到焊縫金屬中,多層焊接頭中的局部脆性區問題等。因此對於強度較高的低合金高強鋼,應注意焊縫金屬冷裂紋問題。對於大線能量焊接,必須對其焊接熱影響區組織與韌性進行評定,特別要注意多層焊的局部脆性區問題。對於新發展的超細晶粒鋼,要採用高能量密度、低熱輸入的焊接工藝來防止焊接熱影響區晶粒的過分長大。

管線焊接材料

在焊接材料的選擇上,要滿足焊縫金屬的強韌性要求和使用要求。為了保證管道運行的經濟、可靠,要求焊縫金屬具有足夠的強度和韌性。在不同的環境下,同時還需具有其它的性能,如極地、高寒地帶的油氣管線要有更高的低溫韌性和較低的韌性轉變溫度,海洋油氣田的開發要求管線厚壁化和可靠的抗疲勞斷裂能力,含CO2、H2S和氯化物腐蝕介質的油氣管線要有較好的抗應力腐蝕和抗氫致裂紋的性能。焊接材料的工藝性能對管道焊接施工的質量十分重要。焊接材料的工藝性能包括引弧和穩弧性能、電弧吹力、鐵水流動性、熔渣粘度、脫渣性、飛濺率、全位置成型情況等。焊接材料工藝性能的好壞在一定程度上影響著焊接接頭的質量。

根據焊層的不同,焊接材料選擇依據下列原則:根焊用焊接材料一般選用適合於單面焊雙面成型、全位置操作性能好、具有一定延展性的材料,有利於保證根部成型,並預防根焊道冷裂紋。目前根焊焊接材料大多採用強度級別稍低的高纖維素型焊條,也使用強度級別稍低的實心焊絲。填充焊、蓋面焊焊接材料一般選用能夠保證焊縫金屬強韌性和使用性能,同時具有良好的全位置操作性能的材料。目前填充焊、蓋面焊焊接材料大多採用含Ni、Mo元素的自保護藥芯焊絲、鐵粉低氫型下向焊條和實心焊絲。

長輸管道焊接的保護氣體

長輸管道的焊接施工多採用二氧化碳或富氬混合氣作為保護氣體,其作用是把電弧和熔化金屬周圍的空氣排開,以免空氣中的有害成分影響電弧的穩定性和液態金屬的純凈度。保護氣體成分和流量對焊縫成型和缺陷出現幾率有一定的影響。如採用純CO2作為保護氣體進行根焊,當保護氣體流量偏大時,背面焊縫易熔合不良,正面焊縫易形成魚脊背,在隨後的焊接過程中可能出現邊緣未熔合、夾渣等缺陷,這在施焊環境溫度較低或焊接熱輸入量較低時尤為突出。一般採用富氬混合氣(如(15~20%)CO2+(85~80%)Ar)作為保護氣體時,可改善鐵水流動性,獲得良好的焊縫成型,且焊縫中含氧量低,韌性好。

長輸管道的焊接方法

管道焊接施工從焊接方法上分主要有焊條電弧焊,熔化極氣保護電弧焊(含自保護藥芯焊絲電弧焊)和埋弧焊等,從自動化程度上分有半自動、手工和自動。結合不同的工程特點和施工環境因素,合理分配不同焊接方法的任務量,將會使焊接效率、焊接質量、勞動強度和施工成本之間的關係達到最合理的效果。

長輸管道的半自動焊

目前使用的半自動焊有兩種方法,即自保護藥芯焊絲半自動焊和CO2氣保護半自動焊,它們都是下向焊的方法。

自保護藥芯焊絲半自動焊。該項技術是20世紀90年代初從美國引進的,在1996年的庫鄯線管道工程中首次應用於我國的管道焊接施工,隨後在蘇丹管道工程、蘭成渝管道工程、澀寧蘭管道工程中得到推廣。這種焊接方法操作靈活,環境適應能力強,焊接熔敷效率高,焊接質量好,焊工易於掌握,焊接合格率高,是目前國內管道工程中重要的填充、蓋面焊方法。

長輸管道的手工焊

手工焊主要指焊條電弧焊和手工鎢極氬弧焊。

(1)焊條電弧焊具有靈活簡便、適應性強等特點,同時由於焊條工藝性能的不斷改進,其熔敷效率、力學性能仍能滿足當今管道建設的需要。焊條電弧焊使用的纖維素型焊條和低氫型焊條,其下向焊和上向焊兩種方法的有機結合及纖維素焊條良好的根焊適應性在很多場合下仍是其它焊接方法所不能代替的。

(2)手工鎢極氬弧焊焊接質量好,背部無焊渣,一般用來進行站場壓縮機進出口、球閥等設備,以及管徑較小、壁厚較薄的工藝管道,安放式角焊縫的安裝焊接。鎢極氬弧焊方法要求焊前嚴格進行坡口清理,焊接過程中須有防風措施。

長輸管道的自動焊

20世紀60年代,國際上就開始在管道工程中應用管道全位置自動焊技術,它適用於大口徑、厚壁管、大機組流水作業,焊接質量穩定,操作簡便,焊縫成型美觀。我國在「西氣東輸」管道工程中,自動焊技術首次得到了大規模的應用。

管道自動焊接施工一般都採用自動焊接作業線的生產組織形式,這是由管道自動焊接工藝特點、設備特性和現場施工條件決定的。按照管道焊接的生產流程,一個典型的自動焊接作業線由以下設備組成:

管道坡口整形機 1台

管道氣動內對口器 1~2台

管口預熱設備 1台

管道根焊設備(帶焊接電源) 1~2台

管道全位置外焊機 (帶焊接電源) 8~14台

管道綜合施工車(發電、吊裝、運載輔助設備) 5~7台

防風施工棚 5~7個

吊管機 若干台

空氣壓縮機 1~2台

補口設備 1~2套

少量輔助設備(如:推土機等)

(1)根據根焊方法的不同,自動焊方法分為三類:

1、自動內焊機根焊,自動外焊機熱焊、填充、蓋面。「西氣東輸」管道工程中使用的內焊機是針對Φ1016mm管徑的管道根焊焊接專機,分別為英國NOREAST公司生產的內焊機和中國石油天然氣管道局PIW3640型內焊機

2、自動外焊機單面焊雙面成型根焊,自動外焊機熱焊、填充、蓋面,單面焊雙面成型根焊設備主要為義大利PWT公司的CWS.02NRT型自動外焊機,以及美國LINCOLN公司的STT電源匹配自動外焊機。

3、CO2氣保護半自動焊根焊,自動外焊機熱焊、填充、蓋面。根焊設備主要為STT電源,以及脈衝電源。

(2)根據擺動方式的不同,自動外焊機可以分為三種類型:

1平擺式自動外焊機。設備有中國石油天然氣管道局生產的PAW-2000型外焊機和中國石油天然氣集團公司工程研究院生產的APW-Ⅱ型自動外焊機等。

2角擺式自動外焊機。設備有英國NOREAST公司生產的自動外焊機,加拿大RMS公司生產的MOW-1型自動外焊機和美國CRC公司M-300型自動外焊機等。

3搖擺式自動外焊機。設備有義大利PWT公司生產的CWS.02NRT型自動外焊機等。

國內管道焊接技術的應用在焊接材料、方法、工藝和設備等應用方面與國外的技術差距越來越小,自動焊技術已基本普及應用。但是國內的焊接材料多滿足於手工焊,自動焊絲和半自動焊材相當一部分還需要進口。同時國外在新的施工方法上如:深熔電子束焊、雷射復合電弧焊等方面也已開展了應用研究。