焊接技術(shù)在我國(guó)石油工程建設(shè)中的應(yīng)用

雷 毅，吳 斌，宮大猛

(中國(guó)石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266555)

焊接技術(shù)在我國(guó)石油工程建設(shè)中的應(yīng)用

雷 毅，吳 斌，宮大猛

(中國(guó)石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266555)

石油工程領(lǐng)域中的焊接結(jié)構(gòu)存在多種類型，其應(yīng)用條件各不相同，對(duì)結(jié)構(gòu)用鋼的性能提出了不同的要求。綜述了焊接技術(shù)在我國(guó)油氣儲(chǔ)運(yùn)、鉆采機(jī)械、石油化工機(jī)械和海洋平臺(tái)等石油工程建設(shè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。隨著石油工程建設(shè)中焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜化程度的增加和應(yīng)用條件的不斷提高，解決其相關(guān)焊接關(guān)鍵技術(shù)將是未來(lái)石油工程建設(shè)中的重要發(fā)展方向。

焊接技術(shù)；油氣儲(chǔ)運(yùn)；鉆采機(jī)械；石油化工機(jī)械；海洋平臺(tái)

0 前言

油氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備中的各種儲(chǔ)油罐、油氣管道、油槽車和油輪等都是以焊接為主要加工手段的制造工程；石油化工機(jī)械中各種化工容器、反應(yīng)塔、加熱爐和換熱器的制造與安裝等都需要進(jìn)行大量的焊接工作；在鉆采機(jī)械方面，焊接可用于架體、泵體、鉆桿、抽油桿和鉆頭等各種金屬結(jié)構(gòu)的制造及安裝修理；海洋鉆探及采油平臺(tái)、海洋鉆井船的制造等也都離不開焊接技術(shù)。焊接技術(shù)在石油工程建設(shè)領(lǐng)域中占有重要地位。

1 油氣儲(chǔ)運(yùn)中的焊接技術(shù)

1.1 儲(chǔ)罐焊接

儲(chǔ)罐是一種存儲(chǔ)氣體、液體或液化氣體的壓力容器。根據(jù)其應(yīng)用條件的不同，油氣儲(chǔ)罐有多種類型。焊接是儲(chǔ)罐建造的主要工序，儲(chǔ)罐焊接的主要方法有焊條電弧焊、埋弧自動(dòng)焊、氣電立焊和藥芯焊絲氣體保護(hù)全位置自動(dòng)焊。在大型浮頂儲(chǔ)罐的建造中，國(guó)外罐體普遍采用自動(dòng)焊工藝。

埋弧自動(dòng)焊是大型儲(chǔ)罐建造中應(yīng)用最早的自動(dòng)焊方法，主要應(yīng)用于正裝法施工的浮頂儲(chǔ)罐的罐壁環(huán)焊縫、罐底對(duì)接焊縫和大角縫等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在借鑒正裝儲(chǔ)罐自動(dòng)焊技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了倒裝儲(chǔ)罐自動(dòng)焊設(shè)備及工藝，并將該技術(shù)應(yīng)用到大慶、勝利、遼河、長(zhǎng)慶等多個(gè)油田，到2005年累計(jì)焊接儲(chǔ)罐總?cè)萘窟_(dá)66萬(wàn)m3[1]。為提高生產(chǎn)效率，在大型儲(chǔ)罐的施工中，埋弧自動(dòng)焊已開始向雙絲和多絲焊方向發(fā)展。

由于氣電立焊采用的坡口角度相對(duì)較小，在相同條件下，其焊材用量只有MAG焊的三分之一。因此，氣電立焊在大型立式浮頂儲(chǔ)罐建造中被廣泛應(yīng)用，主要焊接罐壁立焊縫[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些施工單位將CO2半自動(dòng)焊應(yīng)用到儲(chǔ)罐的罐底板、壁板、罐頂板、浮頂和附件等部位的焊接施工中，不僅焊縫美觀，質(zhì)量好，變形小，而且減少了打磨量。藥芯焊絲富氬保護(hù)焊可以用在焊接工作溫度-60℃～-33℃的大型低溫儲(chǔ)罐，已成為特殊用途儲(chǔ)罐建造的發(fā)展方向之一。

但在拱頂儲(chǔ)罐的施工中主要采用焊條電弧焊，尤其是1萬(wàn)m3以下儲(chǔ)罐的焊接，自動(dòng)焊應(yīng)用較少[3]。目前我國(guó)儲(chǔ)罐建設(shè)的焊接自動(dòng)化水平與國(guó)外相比仍有一定差距，發(fā)展自動(dòng)焊接技術(shù)是今后儲(chǔ)罐制造的重要發(fā)展方向，其中焊縫自動(dòng)跟蹤是提高儲(chǔ)罐制造自動(dòng)焊水平的關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 油氣管道焊接

管道輸送是石油、天然氣最為經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)輸方式，全世界目前油氣管線的總長(zhǎng)度已超過(guò)2.30× 106km，并以每年(4～5)×104km的速度增加。管道施工焊接的主要方法有纖維素焊條下向焊、低氫焊條下向焊和藥芯焊絲半自動(dòng)下向焊。20世紀(jì)80年代開始推行下向焊工藝，采用纖維素焊條和低氫焊條。低氫焊條下向焊主要用于氣候條件極端惡劣、輸送酸性氣體及高含硫油氣介質(zhì)和對(duì)低溫韌性要求較高的管道或者厚壁管的焊接[4]。20世紀(jì)90年代我國(guó)正式推廣應(yīng)用自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊。該項(xiàng)技術(shù)于1995年首次在突尼斯工程中獲得應(yīng)用，并成為后來(lái)的庫(kù)鄯線、鄯烏線、蘇丹工程，澀寧蘭、蘭成渝等管道工程中的主要焊接方法[5]。自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊采用下向焊工藝，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)送絲，施工效率高。

目前，國(guó)內(nèi)油氣輸送管道正朝著大管徑、高工作壓力、遠(yuǎn)距離輸送的方向發(fā)展。隨著管道建設(shè)用鋼管強(qiáng)度等級(jí)的提高，管徑和壁厚的增大，在管道施工中逐漸開始應(yīng)用自動(dòng)焊技術(shù)[6]。如西氣東輸一期工程全長(zhǎng)4 200 km中大約有650 km采用了自動(dòng)焊。西氣東輸二線干線總長(zhǎng)近5 000 km，由于鋼的強(qiáng)度等級(jí)較高，管徑和板厚較大，管線建設(shè)中主要以自動(dòng)焊和半自動(dòng)焊為主，以焊條電弧焊為輔，自動(dòng)焊根焊主要采用STT半自動(dòng)焊[7-8]。在部分大直徑厚壁管道施工中，應(yīng)用了全位置GMAW自動(dòng)焊技術(shù)，這也代表了目前世界管道建設(shè)的較高水平，標(biāo)志著我國(guó)管線建設(shè)已邁向國(guó)際先進(jìn)行列。

2 海洋石油工程中的焊接技術(shù)

開發(fā)海洋石油離不開海洋構(gòu)筑物的建造和安裝，包括海洋平臺(tái)、導(dǎo)管架、海底管線及海洋管道鋪設(shè)船等。隨著海洋石油開發(fā)的水深不斷加大，海洋結(jié)構(gòu)不斷加重，結(jié)構(gòu)物體積和使用的鋼板厚度也不斷加大，水下焊接技術(shù)已成為組裝、維修諸如采油平臺(tái)、輸油管線以及海底倉(cāng)等大型海洋結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。目前，世界各國(guó)正在應(yīng)用和研究的水下焊接方法種類繁多，按焊接所處的環(huán)境大體上分為三類焊接技術(shù)：濕法水下焊接、干法水下焊接和局部干法水下焊接。

濕法水下焊接具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉、操作靈活、適應(yīng)性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，濕法水下焊接技術(shù)被廣泛用于海洋條件好的淺水區(qū)以及承受低應(yīng)力構(gòu)件的焊接。但由于濕法水下焊接難以獲得高質(zhì)量的焊接接頭，一般只用于水深幾米至幾十米的海岸工程非重要結(jié)構(gòu)物的維修。局部干法焊接能夠滿足水下較重要工程結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量要求，也是當(dāng)前水下焊接的重要研究方向。英國(guó)曾將此方法用于北海大陸架挪威海域，修復(fù)被冬季風(fēng)暴破壞的Ekofisk鉆井平臺(tái)兩根位于水深7 m、直徑3 500 mm的管子。美國(guó)在水深12 m處用此法修復(fù)了采油平臺(tái)管徑406 mm的立管[9]。

水下焊接技術(shù)在我國(guó)一直受到高度重視。早在20世紀(jì)50年代，水下濕法焊條電弧焊已得到應(yīng)用。20世紀(jì)70年代后期哈爾濱焊接研究所在上海海難救助打撈局和天津石油勘探局的協(xié)助下，開發(fā)了水下局部排水氣體CO2保護(hù)焊技術(shù)，簡(jiǎn)稱LD-CO2焊接法[10]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)部分單位針對(duì)海底管道泄露的水下維修問(wèn)題，開展了水下局部干法焊接技術(shù)的研究，并取得突破性進(jìn)展，從而推動(dòng)了我國(guó)水下焊接技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。

由于濕法水下焊接和局部干法水下焊接主要局限于幾米至幾十米水深非重要結(jié)構(gòu)物修復(fù)，實(shí)際應(yīng)用水深一般不超過(guò)40 m，為了適應(yīng)海洋工程向深海發(fā)展需要，許多國(guó)家加大了對(duì)高壓干法水下焊接技術(shù)的研究與應(yīng)用。挪威STATOIL公司的PRS系統(tǒng)于1994年進(jìn)行了334m水深的管道焊接，獲得成功[11]。我國(guó)于2002年10月將水下干式高壓焊接技術(shù)研究作為國(guó)家863計(jì)劃重大專項(xiàng)“渤海大油田勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”中的一個(gè)重要組成部分，并于2006年11月在渤海成功地進(jìn)行了海底試驗(yàn)[12]，這一研究成果也標(biāo)志著我國(guó)的海洋水深結(jié)構(gòu)物焊接技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

3 石油鉆采機(jī)械中的焊接技術(shù)

3.1 油田泵體焊接

油田使用的泵體主要有兩大類：一類是地面輸油泵，主要用于流體傳輸，如油、氣、水等；第二類是油井抽油泵，有井下抽油泵和井口抽油泵之分。泵體的焊接有兩種：一種是泵體制作過(guò)程中的焊接，另一種是泵體缺陷的補(bǔ)焊。常用焊接方法有：焊條電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊、堆焊、摩擦焊以及擴(kuò)散焊等。

在泵體制造中，為了提高工作效率和保證焊縫質(zhì)量，一些新的焊接工藝正在被采用，如擴(kuò)散焊在加長(zhǎng)抽油泵泵筒的焊接中的應(yīng)用，用真空擴(kuò)散焊接方法在最佳焊接規(guī)范下可獲得優(yōu)質(zhì)的擴(kuò)散焊接頭，該接頭不僅能保證焊接質(zhì)量，而且大大提高了工作效率[13]。堆焊工藝在油田用泵的制造過(guò)程中也有一定的應(yīng)用，在泵體的易摩擦部位進(jìn)行鈷、鉻、鎢等硬質(zhì)合金的堆焊，使泵體具有可靠性好，耐磨損、耐腐蝕性能好，延長(zhǎng)壽命的特性。另一方面，由于油田用泵常常應(yīng)用于具有較強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中，并承受較高的工作壓力，泵體在這種惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行，容易產(chǎn)生裂紋，對(duì)此常采用焊條電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊和堆焊等方法進(jìn)行補(bǔ)焊。

3.2 石油鉆桿焊接

石油鉆桿是油氣井鉆探所用鉆具的主要組成部分。石油鉆桿工具接頭與管體之間的對(duì)焊，從早期的電弧焊、閃光對(duì)焊逐步發(fā)展到當(dāng)今的連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接和慣性摩擦焊接，鉆桿對(duì)焊的生產(chǎn)效率越來(lái)越高，焊縫的質(zhì)量也越來(lái)越好。目前，慣性摩擦焊接方法應(yīng)用最為廣泛[14]。

20世紀(jì)70年代哈爾濱焊接研究所首先研制成功了我國(guó)第一臺(tái)1 200 kN石油鉆桿摩擦焊機(jī)，開創(chuàng)了我國(guó)摩擦焊生產(chǎn)或修復(fù)石油鉆桿的歷史。這套工藝技術(shù)在華北油田、遼河油田、中原油田進(jìn)行了多年的鉆桿修復(fù)生產(chǎn)，累計(jì)修復(fù)鉆桿近50萬(wàn)m。為提高接頭性能，哈爾濱焊接研究所研制了具有形變熱處理功能的HSMZ系列摩擦焊機(jī)[15]，使接頭在焊接過(guò)程中獲得形變強(qiáng)韌化效果，這不但克服了摩擦焊接頭韌性差的缺點(diǎn)，而且提高了焊件的生產(chǎn)效率，節(jié)約了能源。

由于摩擦焊中接頭處存在的飛邊、焊接錯(cuò)位等問(wèn)題，以及焊后要進(jìn)行熱處理，瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊(ransient liquid phase bonding，簡(jiǎn)稱TLP連接)在鉆桿制造過(guò)程中開始得到應(yīng)用。采用TLP連接技術(shù)焊接石油鉆桿，不僅解決了摩擦焊中接頭處存在的飛邊、焊接錯(cuò)位等問(wèn)題，而且接頭成形良好，性能與母材相同[16]。海隆石油工業(yè)集團(tuán)有限公司通過(guò)自主研發(fā)，成功研制出一種新型鉆桿耐磨堆焊設(shè)備，利用藥芯焊絲來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆桿耐磨帶的堆焊，進(jìn)一步提高了鉆桿使用壽命[17]。

3.3 石油鉆頭焊接

石油鉆頭是石油鉆井的重要破巖工具，其工作性能的好壞將直接影響鉆井質(zhì)量、鉆井效率和鉆井成本。石油鉆頭有牙輪鉆頭和PDC鉆頭兩類。

牙輪鉆頭按牙齒類型可分為銑齒(鋼齒)牙輪鉆頭、鑲齒(牙輪上鑲裝硬質(zhì)合金齒)牙輪鉆頭；按牙輪數(shù)目可分為單牙輪、雙牙輪、三牙輪和多牙輪鉆頭。鋼齒牙輪鉆頭傳統(tǒng)的齒面強(qiáng)化工藝是采用顆粒鑄造硬質(zhì)合金堆焊，由于堆焊后硬質(zhì)合金的強(qiáng)度還不足以達(dá)到要求，需要進(jìn)一步處理。對(duì)于不同的基體，堆焊時(shí)所采用的焊絲材料也不盡相同，一種是采用管裝粒狀鑄造碳化鎢焊條，用氧-乙炔火焰堆焊。也有的采用鈷基焊條，鈷基堆焊層的硬度高，抗磨損性能良好，能較好地保證表面的耐磨性。

PDC鉆頭是聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭的簡(jiǎn)稱，是20世紀(jì)80年代鉆井技術(shù)的重大創(chuàng)新之一，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于石油鉆探開發(fā)中，是破碎巖石的有效工具。PDC鉆頭是用聚晶人造金剛石復(fù)合片作為切削元件，通過(guò)焊接的方法把復(fù)合片切削齒與鉆頭基體結(jié)合在一起。采用的焊接方法有焊條電弧焊、堆焊、釬焊、激光焊和擴(kuò)散焊等。有研究表明[18]：采用釬焊的方式提高了焊接強(qiáng)度，同時(shí)穩(wěn)定性也大幅提高，增加PDC鉆頭壽命。美國(guó)桑迪亞實(shí)驗(yàn)室對(duì)PDC鉆頭進(jìn)行真空擴(kuò)散焊，可使PDC復(fù)合片的硬質(zhì)合金與刀柱基體的剪切強(qiáng)度為413.36～551.2 MPa[19]。但由于復(fù)合片在PDC鉆頭基體焊接的位置分布復(fù)雜，采用手工焊接時(shí)往往難以保證復(fù)合片的焊接質(zhì)量。因此，發(fā)展PDC鉆頭自動(dòng)焊接技術(shù)對(duì)于穩(wěn)定PDC鉆頭的焊接質(zhì)量具有重要意義。

4 化工機(jī)械中的焊接技術(shù)

石油化工機(jī)械包括各種化工容器、反應(yīng)塔、加熱爐和換熱器等。在化工機(jī)械生產(chǎn)中，需要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)和材料特點(diǎn)采用相應(yīng)的焊接方法。常用的焊接方法有焊條電弧焊、埋弧自動(dòng)焊、CO2氣體保護(hù)焊、鎢極氬弧焊等。焊條電弧焊是化工機(jī)械生產(chǎn)中低碳鋼結(jié)構(gòu)的基本焊接方法，適應(yīng)力強(qiáng)。該方法適用于用中板制造的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化工機(jī)械；埋弧自動(dòng)焊適用于厚板制造的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的化工機(jī)械；CO2氣體保護(hù)焊適合于焊接中薄板的化工機(jī)械，也可用于焊接厚板化工機(jī)械；鎢極氬弧焊適用于化工機(jī)械生產(chǎn)中的打底焊。

隨著化工裝備需求和化工類容器使用壽命的提高，鈦合金、鋯合金、鎳基合金和不銹鋼等材料的應(yīng)用越來(lái)越多。如鎳基高溫合金是石油、化學(xué)、石化工業(yè)中適于高溫、高壓并伴有各種苛刻腐蝕環(huán)境的理想金屬結(jié)構(gòu)材料，在石油化工的各種化學(xué)爐和高溫裝置中應(yīng)用廣泛。鎢極氬弧焊是鎳基合金生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的焊接方法，采用等離子焊接工藝可以獲得一次性連續(xù)穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。

隨著各類化工容器和反應(yīng)塔壁厚的不斷增加，焊接工作量越來(lái)越大，焊條電弧焊方法因焊接速度慢等原因不適于現(xiàn)場(chǎng)大型厚壁容器和反應(yīng)塔的組焊，傳統(tǒng)的埋弧焊方法也存在諸多問(wèn)題。窄間隙埋弧焊是減少焊接工作量、降低焊接成本的高效焊接技術(shù)，該技術(shù)在厚壁容器、反應(yīng)塔的組焊領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。中國(guó)石油天然氣第七建設(shè)公司承接的哈薩克斯坦扎那諾爾第三油氣處理廠脫硫裝置的關(guān)鍵設(shè)備胺液吸收塔，公稱直徑3800 mm、塔體總高度38 822 mm、主體壁厚124 mm，質(zhì)量521 t。現(xiàn)場(chǎng)采用窄間隙埋弧焊方法，生產(chǎn)效率得到明顯提高，且焊接一次合格率為99.9%。這一技術(shù)成果也填補(bǔ)了中國(guó)石油工程建設(shè)中特大型裝備現(xiàn)場(chǎng)制造的空白[20]。

5 結(jié)論

我國(guó)石油工業(yè)正處于穩(wěn)步發(fā)展時(shí)期，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，石油需求量也迅速增加，中國(guó)的石油工業(yè)將進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。石油工程離不開鋼鐵材料，隨著其使用條件的嚴(yán)酷復(fù)雜，對(duì)鋼鐵材料的性能要求也越來(lái)越高。石油工業(yè)建設(shè)用鋼正朝著高強(qiáng)度、高韌性方向發(fā)展，并要求焊接各種耐高、低溫及耐各種腐蝕介質(zhì)的壓力容器，從而對(duì)新鋼種和特殊性能材料如高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼、耐熱鋼、不銹鋼、鋁合金、鈦合金、耐熱合金及異種金屬材料的焊接問(wèn)題也提出了更高要求。解決有關(guān)焊接關(guān)鍵技術(shù)也是未來(lái)石油工程建設(shè)中的重要發(fā)展方向。

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Application of welding technology in domestic petroleum engineering construction

LEI Yi，WU Bin，GONG Da-meng
(School of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China)

In the 21st century，steel material plays a key role in the structural materials for petroleum and petrochemical industry in China and the world.As an important method of material forming，welding technology is one kind of indispensable metal processing technology in modern industrial production，and widely used in petroleum engineering construction field.There are many types of welding structures in the field of petroleum engineering，and their application conditions are different from each other，so different requirements are put forward for the property of structural steel.This paper summarizes the application status of welding technology in oil and gas storage and transportation，drilling machinery，petrochemical machinery and offshore platform.As the complication degree of welding structure increases and application conditions of that become severer and severer in petroleum engineering construction，solving related key welding technology will be an important development direction of petroleum engineering construction in the future.

welding technology；oil and gas storage and transportation；drilling machinery；petrochemical machinery；offshore platform

TG47

B

1001-2303(2012)07-0051-04

2011-08-23

中國(guó)石油大學(xué)教學(xué)改革重點(diǎn)資助項(xiàng)目(JY-A201005)

雷 毅(1960—)，男，湖南茶陵人，教授，主要從事材料成型及控制工程、無(wú)損檢測(cè)方面的科研工作。