蘭州-成都原油管道工程第三標(biāo)段關(guān)鍵焊接技術(shù)

張龍

1. 項目概況及焊接特點

由我公司承建的蘭州-成都原油管道工程第3標(biāo)段線路全長318.81km，管徑610mm，材質(zhì)X65。管道設(shè)計壓力為8~13.4MPa，設(shè)計輸量1 000×104t/a。線路沿線設(shè)工藝站場3座，閥室18座，穿越公路33處、鐵路6處，穿越大中型河流18處，大型跨越1座，山體隧道5處，工程概況如圖1所示。

線路施工所處四川境內(nèi)，自然災(zāi)害特別是洪澇災(zāi)害頻繁，易對施工造成不良影響。線路長、專業(yè)多、施工作業(yè)機組分散，管理、協(xié)調(diào)難度大。山區(qū)地形復(fù)雜，管溝開挖、布管、組對、施焊等施工條件及外部環(huán)境極其惡劣。受運輸條件的限制，部分大型設(shè)備需現(xiàn)場組焊，焊接難度大于工廠組焊。站場焊接的鋼種、規(guī)格多，建設(shè)完成的站場如圖2所示。

2. 關(guān)鍵焊接工藝及焊接新技術(shù)

圖1 工程概況

圖2 已建成的站場

（1）金口焊接技術(shù) 采用優(yōu)化的上向焊分段清除點焊的焊接工藝，將對口錯邊量嚴(yán)格控制在3mm內(nèi)。采用外對口器對口，避免強力組對，將相鄰制管焊縫在對口處錯開≥100mm的距離。使其在組對應(yīng)力最小情況下，確保一次根部焊縫完全熔透，保證了金口焊接一次合格率達(dá)100%。

根據(jù)焊接工藝評定，工程技術(shù)人員設(shè)計焊接接頭坡口形式為V形，如圖3所示。

焊接時，要求每層由兩名焊工同時焊接。根焊結(jié)束與熱焊開始時間間隔應(yīng)控制在10min內(nèi)。根焊設(shè)備為具有陡降外特性的直流焊接電源，填充蓋面設(shè)備為具有平外特性的直流焊接電源配相應(yīng)送絲機。焊接參數(shù)如表1所示。

（2）專業(yè)化連頭工藝技術(shù) 針對連頭焊接中易產(chǎn)生氣孔、未熔合及未焊透等，運用機械半自動切割機在現(xiàn)場冷切割管段，以減少焊接組對過程中的管材變形。該設(shè)備連頭坡口管端切斜最大不超過3°，如圖4所示，符合焊接工藝規(guī)程要求。

對于連頭焊口處管材壁厚變化，優(yōu)化設(shè)計加工內(nèi)坡口，增加焊口組對成功率；對于不同壁厚連頭焊口又設(shè)定了如表2所示的標(biāo)準(zhǔn)化施焊層數(shù)，每層焊道的厚度控制在3mm，不等壁厚管道坡口對接形式如圖5所示。通過上述各項措施的落實、監(jiān)控，進(jìn)一步提高了焊接一次合格率。

圖3 坡口形式

圖4 管端切斜示意注：1為切斜量。

（3）山區(qū)大坡度管道焊接質(zhì)量和效率控制技術(shù) 采取了“搭設(shè)人工組焊預(yù)制平臺”、“二接一”及“索道布管”等深度預(yù)制工藝，如圖6所示。通過不同坡度的焊接參數(shù)、工序、運弧手法的優(yōu)化，保證了不同陡坡下的焊縫焊接質(zhì)量。

（4）山區(qū)復(fù)雜地形的溝下焊接操作防護技術(shù) 為滿足復(fù)雜環(huán)境的安全施工，開發(fā)了具有適用于不同管徑、復(fù)雜地形、便于拆卸、組裝、運輸以及兼具焊接防風(fēng)功能的防塌棚，該工裝在焊接過程中能有效保護溝下焊焊工人身安全，如圖7所示。

（5）基于管材性質(zhì)和結(jié)構(gòu)完整性的分析評估技術(shù) 針對地震斷裂帶管道穿越的特點，研究了不同塑性變形時的極限承壓能力、應(yīng)力分布特性，建立了容許應(yīng)變模型，可分析計算管材和焊接接頭的安全性，如圖8所示。

表1 焊接參數(shù)

表2 不同壁厚標(biāo)準(zhǔn)化的施焊層數(shù)

圖5 不等壁厚管道坡口對接形式

圖6 指力溝索道布管及搭設(shè)的組焊平臺

圖7 防塌棚現(xiàn)場搬運、組裝

（6）焊接運布管設(shè)備的技術(shù)研發(fā) 因蘭成線3標(biāo)段工程山區(qū)路段多，大多數(shù)道路無法通行大型運輸車輛，主要采用了四輪改裝炮車進(jìn)行鋼管運輸，該設(shè)備動力強勁，可適應(yīng)地形較多，能滿足于在山區(qū)多轉(zhuǎn)彎地段上行駛的要求。繼續(xù)改進(jìn)完善隧道已有布管工裝設(shè)備的組合，研發(fā)了先進(jìn)水平的隧道半自動龍門吊裝設(shè)備，如圖9所示。極大地提高了隧道內(nèi)管道安裝的機械化流水作業(yè)程度，提高了有限空間作業(yè)施工工效。

自主研發(fā)的全回轉(zhuǎn)山地布管機、帶折疊副臂的履帶運管車、挖掘機抓管器等機械化專用設(shè)備，成功解決了山區(qū)復(fù)雜地形管道運布管難題，如圖10所示。

圖8 模擬的變形管材內(nèi)應(yīng)力分布

（7）新型穿跨越施工技術(shù)針對白龍江、石亭江等斷裂地層、河流沖溝復(fù)雜地質(zhì)的管道穿跨越，研發(fā)了預(yù)應(yīng)力施工、跨越橋身非對稱安裝、“人造巖體”隔離、砂卵石地層定向鉆等系列配套技術(shù)，保障了復(fù)雜地形及地質(zhì)條件下穿跨越的順利實施，降低了季節(jié)、外部環(huán)境變化對焊接作業(yè)造成的不利影響，保證了焊接質(zhì)量和施工工期，如圖11所示。

圖9 改裝的運管炮車和半自動龍門吊裝設(shè)備

圖10 研制的山地布管機和挖掘機抓管器

圖11

（8）地質(zhì)災(zāi)害防御與治理技術(shù) 通過對復(fù)雜地質(zhì)主要災(zāi)害的研究，采取“先治理，后組焊施工”的科學(xué)方式，建立了一套完善的針對地質(zhì)災(zāi)害特點的防御體系，有效消除了地質(zhì)災(zāi)害高危地段的安全隱患，為管道組焊安裝創(chuàng)造了良好外部條件，確保了管道施工及運營安全。

3. 焊接設(shè)備應(yīng)用情況

本工程中焊接工作量占工程安裝的47%。為保證焊接質(zhì)量，結(jié)合工程地形實際情況，施工中主要采用預(yù)制化、裝配化、機械化相結(jié)合的方式組織施工。

施工高峰期現(xiàn)場投入16個焊接作業(yè)隊、36個焊接機組，焊機、移動電站等焊接主要機具242臺套。打底根焊、半自動填蓋均采用2人對稱焊接形式，使得施工操作符合焊接工藝規(guī)程要求，確保了焊接施工質(zhì)量。

主要選用國產(chǎn)熊谷低能耗數(shù)字化焊接設(shè)備用于焊條電弧焊和藥芯半自動焊接。

此外，還針對冬季山區(qū)高海拔地區(qū)大風(fēng)和雨霧天氣，當(dāng)大氣相對濕度＞90%、環(huán)境溫度＜5℃、風(fēng)速＞2m/s時，設(shè)置防護棚，以滿足施焊環(huán)境要求。管道焊接設(shè)置防護棚，設(shè)備焊接在設(shè)備周圍設(shè)置防護棚，如圖12所示。

4. 焊接材料應(yīng)用情況

針對所處的地理位置和環(huán)境條件，本工程線路施工主要選用了焊條電弧焊根焊+焊絲半自動焊填充蓋面進(jìn)行管線全位置下向焊的焊接工藝。線路焊接選用焊材根焊為φ4.0mm、E6010伯樂焊條，填充、蓋面為φ2.0mm、E71T8—Ni1 HOBART焊絲。用于線路X65和站場L415、L360及L245等材料的根焊打底和填充蓋面，管徑適用于φ159~φ610mm、壁厚7.9~24mm。

5. 結(jié)語

我公司在施工過程中，大力推廣應(yīng)用山區(qū)大坡度管道焊接效率控制技術(shù)、金口焊接技術(shù)及專業(yè)化連頭工藝技術(shù)等多項新技術(shù)、新工藝，采取線路優(yōu)化改線、減少作業(yè)帶寬度、加強對水土保持的監(jiān)控等節(jié)能環(huán)保措施的綜合治理和落實，縮短了組焊施工工期，節(jié)約了管線鋼材使用，減少了工程投資及施工費用，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。該工程于2013年12月按期順利投產(chǎn)，至今安全平穩(wěn)運行。

圖12 在防護棚內(nèi)焊接管道