管線鋼管焊接技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

趙明，李晴，宋慧琴，喻竹，楊培慶，郭圣龍，耿會(huì)龍

中國石油大學(xué)（華東） 山東青島 266580

1 序言

油氣管網(wǎng)是長距離油氣輸送的主要方式，是連接油氣資源與其應(yīng)用市場的核心紐帶，也是保障國家能源安全的重要戰(zhàn)略通道。在國務(wù)院政府工作報(bào)告《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中明確指出：要進(jìn)一步提高我國能源供給保障能力，加快建設(shè)天然氣主干管道，完善油氣互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)[1]。根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會(huì)與國家能源局制定的《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，“十四五”期間我國油氣管道建設(shè)將有更大發(fā)展，到2025年全國長輸油氣管網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到24×104km，到2030年將達(dá)到30×104km[2]。

管道焊接是油氣管網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵工序。我國油氣管網(wǎng)的大建設(shè)和大發(fā)展，對管道的焊接工藝、焊接設(shè)備和焊接材料等也提出了更高要求。本文綜述了國內(nèi)外管線鋼管制造和油氣管道建設(shè)中先進(jìn)焊接技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀，并結(jié)合我國油氣管網(wǎng)建設(shè)的特色，展望了長輸油氣管網(wǎng)建設(shè)工程中焊接技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。

2 管線鋼的發(fā)展

隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，人類對石油和天然氣的需求量越來越大，用于運(yùn)輸石油和天然氣的管線鋼也經(jīng)歷了巨大的發(fā)展。在X60級(jí)管線鋼誕生之前，通常采用熱軋正火態(tài)的含有C、Mn、Si的普通碳素鋼作為輸送油氣管道用鋼[3]。直到20世紀(jì)70年代，先后研發(fā)了X60級(jí)和X70級(jí)管線鋼，拉開了油氣管網(wǎng)建設(shè)的序幕[3-5]。在中國，X70級(jí)管線鋼在“西氣東輸”“澀寧蘭”“中亞”“中緬”“中俄”等管線工程中得以大量應(yīng)用[6，7]。到20世紀(jì)80年代中期又開發(fā)出了X80級(jí)管線鋼，并在世界范圍內(nèi)迎來了油氣管網(wǎng)建設(shè)的高峰。在過去30多年中有大量的X80級(jí)油氣管線工程項(xiàng)目陸續(xù)建成并投入使用[8-10]。X100級(jí)和X120級(jí)超高強(qiáng)管線鋼誕生于20世紀(jì)90年代，截至目前，在世界范圍內(nèi)還沒有正式投入到長輸油氣主管網(wǎng)的建設(shè)中，僅建有少量試用段用于測試和分 析[11-13]。

管線鋼的發(fā)展史如圖1所示。與X70級(jí)及以下級(jí)別的管線鋼的開發(fā)和工程應(yīng)用不同的是，X80級(jí)管線鋼的綜合力學(xué)性能和焊接性都非常好，從誕生至今一直是長距離油氣輸送管道的主要用鋼。此外，在一些不需要增加年輸送能力的長距離管道工程中，在不改變輸送壓力和鋼管直徑的情況下，通過降低X80級(jí)管線鋼的壁厚，可有效地降低工程的建設(shè)成本，因此這些項(xiàng)目也首選X80級(jí)管線鋼。

圖1 管線鋼的發(fā)展史

基于美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API SPEC 5L—2018《管線管規(guī)范》和中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》，表1和表2分別給出了各種管線鋼的主要化學(xué)成分和力學(xué)性能的參考指標(biāo)值。根據(jù)不同的服役環(huán)境，鋼板的化學(xué)成分不完全相同。此外，因不同廠家的生產(chǎn)軋制條件不完全相同，故所生產(chǎn)的成品之間也存在差異。結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目的使用要求，微合金元素的具體含量及性能指標(biāo)需要用戶與供貨商進(jìn)行協(xié)商確定?？傮w來看，隨著管線鋼等級(jí)的增加，強(qiáng)度指標(biāo)越來越高，對低溫沖擊韌度的要求也在增加。由此可見，隨著油氣輸送壓力的提高，對管線鋼的安全等級(jí)也提出了更高要求。

表1 管線鋼的主要化學(xué)成分及參數(shù) （%）

表2 管線鋼的最小力學(xué)性能指標(biāo)

3 管線鋼縱縫焊接技術(shù)

目前，長輸油氣管線鋼管根據(jù)縱向焊縫的焊接工藝不同可分為兩類：直縫焊管和螺旋焊管（見圖2）。當(dāng)鋼管的壁厚超過14mm時(shí)，需開X形坡口，采用多絲埋弧焊接工藝，先焊接內(nèi)焊道，再焊接外焊道。兩種不同壁厚管線鋼板的坡口參數(shù)如圖3所示，在實(shí)際制管時(shí)通常根據(jù)具體壁厚和使用情況來確定坡口的加工參數(shù)。在板厚較大時(shí)外焊道通常采用雙V形復(fù)合坡口，以減少熔敷金屬填充量。

圖2 常見大直徑管線鋼管

圖3 縱向焊縫坡口示意

螺旋焊管成形過程如圖4所示，螺旋焊管多絲埋弧焊焊接位置如圖5所示。在展開的鋼帶兩側(cè)，首先需要加工出帶有2～3 mm鈍邊的雙V形坡口，再將鋼帶加工成筒體并采用熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）進(jìn)行固定。內(nèi)部V形坡口在鋼管的5點(diǎn)鐘位置附近用雙絲或三絲螺旋埋弧焊工藝焊接，外部V形坡口在鋼管的1點(diǎn)鐘位置附近用三絲或四絲螺旋埋弧焊接工藝焊接；先焊內(nèi)焊道，再焊外焊道，外焊道距離內(nèi)焊道約1.5個(gè)螺距。

圖4 螺旋焊管成形過程

圖5 螺旋焊管多絲埋弧焊焊接位置

采用UOE成形或JCOE成形的直縫焊管具有制造工藝簡單、生產(chǎn)效率高、質(zhì)量穩(wěn)定可靠、規(guī)格不受限制，以及易于實(shí)現(xiàn)流水線生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而適用于各種等級(jí)和厚度的管線鋼，市場競爭優(yōu)勢明顯。而螺旋焊管強(qiáng)度比直縫焊管高，殘余應(yīng)力低，低溫沖擊韌度優(yōu)異；此外，還能用較窄的鋼帶生產(chǎn)直徑較大的螺旋焊管，以及用同樣寬度的鋼帶生產(chǎn)不同直徑的螺旋焊管。因此，盡管螺旋焊管的出現(xiàn)晚于直縫焊管，但螺旋焊管在全球的消費(fèi)總量正在不斷攀升?？傮w來看，較小口徑的管線鋼管大都采用直縫埋弧焊工藝制造，而大口徑管線鋼管則越來越傾向于采用螺旋埋弧焊工藝制造。

4 管線鋼環(huán)縫焊接技術(shù)

為方便管道的鐵路或公路運(yùn)輸，目前筒體的長度控制在24m以內(nèi)。這些筒體經(jīng)過組對焊接而成，就組成了覆蓋全國和遍布全世界的油氣輸送管網(wǎng)。在長輸管道建設(shè)工程中，環(huán)縫焊接質(zhì)量是影響管道長期安全運(yùn)行和使用壽命的關(guān)鍵因素之一。

管線鋼管的壁厚通常為10～30mm，當(dāng)鋼管壁厚較小時(shí)，可采用帶鈍邊的單V形坡口；隨著鋼管壁厚的增加，通常采用復(fù)合V形坡口（見圖6a）或U形坡口（見圖6b），有利于減少熔敷金屬的填充量，提高焊接效率。

圖6 環(huán)縫坡口示意

由于不同壁厚的環(huán)縫焊道層數(shù)各不相同，通常將位于鋼管內(nèi)壁的第一焊層稱為根焊層。當(dāng)管徑足夠大時(shí)，根焊層可從管道內(nèi)壁施焊。從內(nèi)往外，第二層稱為熱焊層，熱焊層從管外施焊，要求與根焊層之間有足夠的重熔量，防止未焊透和未熔合等焊接缺陷。此后的各焊層稱為填充層，填充層的道次數(shù)與壁厚和坡口形狀密切相關(guān)。最外層通常稱為蓋面層，以保證焊道具有足夠余高，提高環(huán)縫接頭強(qiáng)度。通常前一焊層對后一焊層有預(yù)熱作用，后一焊層對前一焊層有焊后熱處理效果。尤其是對X80及以上鋼級(jí)的管線鋼，焊前預(yù)熱溫度和層間溫度要嚴(yán)格控制為150～200℃。

管線鋼管環(huán)縫的焊接工藝方案復(fù)雜多樣，可分為焊條電弧焊、半自動(dòng)焊、自動(dòng)焊或全自動(dòng)焊。

4.1 焊條電弧焊

現(xiàn)場施工中的管道水平放置，環(huán)形焊縫由2～4名焊工采用立向下或立向上位姿同時(shí)進(jìn)行焊條電弧焊，焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度非常大。

選用纖維素型焊條焊接X70級(jí)以下管線鋼環(huán)縫時(shí)，根焊層采用立向上焊接具有較好的搭橋能力，填充層和蓋面層采用立向下焊接效果較好。纖維素型焊條的典型焊接缺陷有夾渣、冷隔、缺口、氣孔、側(cè)壁打?。ㄓ捎谄驴陂g隙不合適，或多層焊接時(shí)焊條運(yùn)動(dòng)過程中距離側(cè)壁較近，導(dǎo)致電弧偶爾會(huì)在側(cè)壁與焊條末端形成）和裂紋等。此外，纖維素型焊條不能滿足高強(qiáng)管線鋼對韌性的要求，且冷裂敏感性大。

選用堿性焊條立向下焊進(jìn)行環(huán)縫焊接質(zhì)量較優(yōu)。通常堿性焊條的焊接效率高于纖維素型焊條，但采用堿性焊條進(jìn)行根焊時(shí)，與纖維素型焊條相比，間隙要略寬，鈍邊要略小。堿性焊條可能產(chǎn)生的焊接缺陷包括引弧氣孔、根焊層氣孔、冷隔、側(cè)壁打弧及夾渣等。

在實(shí)際管道建設(shè)工程中，通常采用纖維素型焊條打底，堿性焊條填充、蓋面。此工藝被稱為聯(lián)合焊條電弧焊法（Combined-Electrode Manual Welding Method）。此種工藝方案既能保障環(huán)焊縫內(nèi)層具有較好的塑韌性以及提高對輸送介質(zhì)的耐蝕能力，又能保障整個(gè)環(huán)焊縫接頭具有足夠的強(qiáng)韌性，以抵抗大變形。

4.2 半自動(dòng)焊

半自動(dòng)焊是手工操作和機(jī)械裝置共同完成的一種焊接方式。其焊接熱源的移動(dòng)由手工操作完成，而送絲、送氣等則由相應(yīng)的機(jī)械裝置完成。在管道環(huán)縫焊接中使用的半自動(dòng)焊，一般使用焊條電弧焊打底，而填充焊及蓋面焊則使用半自動(dòng)焊。

例如，美國在夏延（CHEYNNE）平原管線項(xiàng)目中，采用的是PipePro450RFC焊接系統(tǒng)[14]，RMT（短弧控制技術(shù)）打底，填充和蓋面采用自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊。我國“西氣東輸”二線工程中，采用STT（表面張力過渡技術(shù)）打底+自保護(hù)藥芯焊絲填充和蓋面的半自動(dòng)焊接方法[10]。焊接方向?yàn)槿恢茫?G）下向焊。焊前需預(yù)熱，焊接時(shí)均采用單道焊，每層焊道由4名焊工中心對稱施焊（見圖7），以減小因受熱不均勻而產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力。

圖7 環(huán)縫施焊方向及順序

4.3 全自動(dòng)焊

管道全自動(dòng)焊是借助于機(jī)械和電氣等方法使焊接過程實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化、程序化的焊接施工方法。全自動(dòng)焊對于操作人員的焊接技術(shù)水平要求較低，焊接過程中受人為因素干擾較小，焊工勞動(dòng)強(qiáng)度低；但全自動(dòng)焊對設(shè)備的要求較高，好的全自動(dòng)焊接工藝具有電弧燃燒穩(wěn)定、焊縫成形美觀、焊接效率高等優(yōu)勢。全自動(dòng)焊接工藝在平原、沙漠、凍土等開闊地域的管道建設(shè)中具有顯著優(yōu)勢。

熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）是管道全自動(dòng)焊接中應(yīng)用最普遍的焊接技術(shù)。CRC-Evans和CAPS就是成功開發(fā)的全自動(dòng)焊接系統(tǒng)[15，16]。這種成套的全自動(dòng)焊接系統(tǒng)，對管端的坡口加工精度要求非常高。CRC-Evans工藝的根焊層是通過安裝在內(nèi)對口器上的6把焊槍同時(shí)在管道內(nèi)側(cè)施焊，可有效地提高焊接生產(chǎn)效率并防止管口翹曲變形。其他各焊層從管道外部立向下施焊，每個(gè)焊層的厚度約為3mm，對于18m m厚的鋼管約需要焊接6個(gè)焊層。C A P S工藝的核心技術(shù)是雙絲串列熔化極氣體保護(hù)焊接（Tandem-GMAW），是由克蘭菲爾德大學(xué)為阿拉斯加天然氣管道項(xiàng)目開發(fā)的窄間隙焊接工藝。

管道環(huán)縫全自動(dòng)焊接工藝在發(fā)達(dá)國家已日趨成熟，焊接一次合格率可達(dá)97%～98%。雖然我國管道全自動(dòng)焊接技術(shù)起步較晚，但如今也有了巨大進(jìn)步，在大口徑、厚管壁的“西氣東輸”三線和四線管道建設(shè)中已有使用。

5 發(fā)展趨勢與展望

國內(nèi)外對于X80級(jí)及以下等級(jí)管線鋼的冶煉、軋制、成形和焊接等相關(guān)技術(shù)已趨于成熟。對于X100級(jí)和X120級(jí)管線鋼，還需要進(jìn)行深入的開發(fā)和探究。對于某些特殊服役環(huán)境使用的管材，可以通過調(diào)節(jié)合金化的途徑使其具有特殊的性能，比如：抗酸性管線鋼要求具有一定的耐腐蝕性能、優(yōu)良的抗氫致開裂（HIC）和硫化物應(yīng)力腐蝕（SSCC）性能；深海用管線鋼的力學(xué)性能指標(biāo)則更加嚴(yán)格，不但要求具有高強(qiáng)度、良好的低溫沖擊韌度和抗裂韌度，同時(shí)還要求很低的屈強(qiáng)比；通過常發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害地區(qū)的管道，應(yīng)采用大應(yīng)變管線鋼，在保證鋼管高強(qiáng)度和高韌性的同時(shí)具有低的屈強(qiáng)比、高的均勻塑性變形伸長率、高的形變硬化指數(shù)和高的臨界屈曲應(yīng)變能力，以防止因大應(yīng)變引起管道屈曲、失穩(wěn)和延性斷裂進(jìn)而引發(fā)災(zāi)難性事故。未來的管線鋼將朝著低碳含量、多合金化、高強(qiáng)度、高韌性、抗大變形及耐腐蝕等方向發(fā)展。

目前，我國直縫焊管和螺旋焊管的加工技術(shù)已相當(dāng)成熟，但油氣管道全自動(dòng)焊接的應(yīng)用還不是很廣，管口組對與打底焊接全自動(dòng)化方面的裝備和技術(shù)比較薄弱。管線建設(shè)中環(huán)縫焊接以半自動(dòng)焊為主，口徑較小時(shí)采用焊條電弧焊，焊道修補(bǔ)采用鎢極氬弧焊。管線建設(shè)中最為關(guān)鍵的組對工序和打底焊接裝備還有許多關(guān)鍵技術(shù)亟待攻克。此外，與高等級(jí)管線鋼相配套的焊接材料的研發(fā)也相對滯后。

油氣管網(wǎng)建設(shè)不僅為經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)發(fā)展提供和輸送能源，也為改善人類居住環(huán)境、維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定和保障國家安全提供有力保障。目前，我國正在新建的油氣輸送主管道一般都選用X80或X70級(jí)管線鋼管，支管路一般采用X52、X60、X65級(jí)管線鋼管。選用大直徑、大壁厚的超高鋼級(jí)管材及采用12MPa以上的高壓輸送是石油和天然氣輸送管道未來發(fā)展的重要趨勢。