第13章 长输管道典型焊接工艺简介
13.1 陕京输气管道工程（陕京一线）焊接工艺简介
13.1.1 工程概况
陕京输气管道工程（陕京一线）是陕西—北京的输送天然气的管道工程。1996年3月开始建设，1997年9月竣工投产，输送介质为天然气。管道全长912km，钢管材质为X60，管径ф660mm，设计压力6.4MPa，设计年输量36×108m3。管道起始于陕西靖边，途经山西、河北及京津地区，是中国当时陆上输送距离最长、所经地区地理条件最为复杂、自动化程度最高的天然气输送管道。
13.1.2 焊接工艺的选择
陕京一线管道工程，是当时我国规模最大的天然气管道工程。对于采取什么焊接工艺和什么焊接材料，进行了大量的试验和研究。当时，我国长输管道焊接比较成熟的焊接工艺只有低氢（型）J506/J507焊条上向焊和纤维素（型）焊条下向焊两种焊接工艺。采用低氢型J506/J507焊条焊接长输管道是我国最成熟、使用时间最长的一种焊接工艺，此焊接工艺的优点是焊接材料的价格低，焊接接头的强度能够满足管道工程的要求，并具有较强的塑性、韧性和抗裂性。但此种焊接工艺的焊接效率低，对焊工的操作技能水平要求高，焊接接头的无损检测合格率低。
纤维素型焊条下向焊焊接工艺，是我国20世纪80年代引进的焊接技术。此焊接工艺在长输管道工程的建设中已有较广泛应用，工艺比较成熟。纤维素型焊条下向焊焊接工艺具有操作简单、焊接效率较高、抗风能力强、焊条焊接前不需烘烤和焊缝无损检测合格率高等优点。纤维素型焊条的缺点是焊缝的含氢量高，塑性、韧性和抗裂性能差。
当时，选择了多个厂家生产的焊条进行焊接试验和焊接工艺评定，并结合我国焊接技术现状，最终选用了E6010纤维素型焊条焊接根焊焊道，E8010纤维素型焊条焊接热焊焊道，E8018低氢型下向焊焊条焊接填充、盖面焊道。纤维素型焊条焊接工艺性好，且有多年的应用经验，此工艺的应用在技术上是成熟的。但低氢型焊条下向焊在我国应用较少，对此种焊条的工艺性能还没有真正掌握。低氢型下向焊焊条具有良好力学性能，但工艺性能差，对焊工的操作技术要求高。
陕京一线管道工程采用E6010焊条焊接根焊焊道，E8010焊条焊接热焊焊道，E8018焊条焊接填充、盖面焊道的焊接工艺。采用E6010焊条焊接根焊焊道，是利用E6010焊条工艺性能好、焊接效率高的优点来保证根焊焊道的内部成形和提高焊接效率。采用E6010焊条焊接X60管道，是利用低匹配的原理，虽然E6010焊接的焊缝强度低些，但塑性和韧性基本能够满足要求。利用E8010焊条焊接速度快、工艺性能好的特点快速完成焊接热焊焊道，防止根焊焊道开裂。利用E8018焊条强度高、塑韧性好的优点来保证焊接接头整体力学性能。
为了提高工程的施工进度，在陕京一线管道工程中还采用了双管联焊工艺。双管联焊就是将两根长约12mm的钢管在双联管站内接成长约24mm的长管，目的是减少现场作业的焊口量。双管联焊工艺采用E6010焊条焊接根焊焊道，E8010焊条焊接热焊焊道，采用埋弧自动焊焊接填充、盖面焊道。双联管的长度达到24m，这对钢管的运输带来一定的困难。所以双管联焊工艺只能用在地形较为平坦的地段，且双管联焊厂应设在管道施工作业线附近，以利于双联管的运输。
13.1.3 焊接工艺参数（见表2-13-1）
表2-13-1 焊接工艺规程
13.2 西气东输一线管道工程焊接工艺简介
13.2.1 工程简介
西气东输工程是国家实施西部大开发战略的标志性工程之一，管道西起新疆轮南，东至上海市白鹤镇，途径新疆维吾尔自治区、甘肃、宁夏回族自治区、陕西、山西、河南、安徽、江苏、上海共9个省（区）市，线路全长约4000km。
西气东输管道工程设计输量120×108m3/a，干线输送压力10MPa，管径ф1016mm，材质X70，按不同地区类别分别采用螺旋埋弧焊钢管和直缝焊钢管，Ⅰ类地区使用螺旋埋弧焊钢管，壁厚为14.6mm，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类地区使用直缝焊管，壁厚分别为17.5mm、21.0mm、26.2mm，热煨弯头全部采用直缝埋弧焊管，壁厚分别选用16.0mm、19.3mm、23.1mm、29.9mm，管道焊接采用自动焊和半自动焊，个别特殊地段采用手工焊，管口焊缝100％进行无损检测。全线共设工艺站场31座、截断阀室153座、阴极保护站40座。管道防腐采用外防腐涂层和强制电流阴极保护（局部采用牺牲阳极）相结合的保护方式。
西气东输管道工程是我国前所未有的大口径、大壁厚、高压力的长输天然气管道工程。我国原有的施工工艺和规范已不能满足西气东输管道工程的需要，在总结以往施工工艺和涩宁兰X70钢试验段自动焊工艺的基础上，结合西气东输管道工程特点，西气东输管道公司决定在工程干线上采用自动焊和药芯半自动焊两种工艺为主，结合手工返修工艺进行焊接施工。
13.2.2 管道全位置自动焊工艺
西气东输一线管道工程中，管道全位置自动焊较大规模的应用，以其生产效率高、焊接质量好等诸多优点收到了不错的效果。自动焊工艺有以下几种形式。
a.Noreast内焊机根焊+Noreast外焊机填充、盖面焊
b.Noreast内焊机根焊+PAW2000外焊机填充、盖面焊
c.PWT外焊机根焊+PAW2000外焊机填充、盖面焊
d.PWT外焊机根焊+RMS外焊机填充、盖面焊
e.STT半自动根焊+Noreast外焊机填充、盖面焊
f.STT半自动根焊+APW-Ⅱ外焊机填充、盖面焊
g.STT半自动根焊+CRC M300外焊机填充、盖面焊等
不同的工艺所使用的设备不同，坡口形式也有所不同。下面以Noreast内焊机根焊+Noreast外焊机填充、盖面焊为例进行介绍。
（1）工艺特点 焊接设备是进口英国的Noreast内、外焊机。利用Noreast内焊机根焊工艺性能好、焊接速度快的特点进行根焊焊道的焊接；利用Noreast外焊机焊接效率高的特点进行填充和盖帽焊道的焊接；利用复合坡口力学性能好、节省填充金属的特点而选用图2-13-1所示的坡口形式。此工艺具有如下特点。
图2-13-1 自动焊接头坡口形式
①Noreast内焊机根焊工艺特点
a.电弧燃烧稳定，飞溅较少。
b.焊接烟尘少，噪声小。
c.采用多机头（6个机头）施焊，焊接效率高。
d.焊缝成形较好，焊接熔敷率高。
e.焊缝含氢量低，低温冲击韧性好（较药芯半自动焊自保护焊）。
f.操作容易。
g.焊接生产率高，是手工焊的8～12倍。
②Noreast外焊机填充焊、盖面焊工艺特点
a.电弧燃烧稳定，飞溅小。
b.焊缝成形美观，不需打磨，焊丝熔敷率高。
c.采用专用的“储存器”可输入多组焊接工艺参数，使外焊机既能实行单机作业，也能实行流水作业，同时也可满足不同规格钢管的焊接需要。焊接工艺参数由焊接工程师设定，焊工不能随意更改，保证了焊接工艺参数的准确性。
d.焊接质量好。
e.焊接速度快，焊工劳动强度低。
③复合坡口的工艺特点
a.焊缝接头受热范围小，焊接热影响区小。
b.焊接变形和焊接应力小。
c.焊缝的内部组织和性能好。
d.节省焊接填充材料。
e.焊接效率高。
（2）工程中所用的焊材情况（见表2-13-2）
表2-13-2 工程焊接材料表
（3）焊接工艺参数（见表2-13-3）
表2-13-3 焊接工艺参数（ф1016mm×14.6mm）
（4）施工人员（见表2-13-4）
表2-13-4 施工人员表
（5）主要施工设备（表2-13-5）
表2-13-5 主要施工设备配备（一个机组）
13.2.3 药芯焊丝半自动焊工艺
药芯焊丝半自动焊工艺操作简单，效率较高，在我国20世纪90年代的工程施工中得到了大规模应用，是一套很成熟的工艺。与自动焊相比，具有成本低、受影响因素少、机动灵活的特点，在西气东输中，80％的焊口由药芯焊丝半自动焊工艺来完成。焊接工艺形式为：纤维素型焊条电弧焊根焊+自保护药芯焊丝半自动填充、盖面焊。根焊设备采用陡降外特性直流电源，填充盖面焊采用平外特性直流电源。纤维素型焊条电弧焊根焊+自保护药芯焊丝半自动填充、盖面焊工艺的焊接接头采用V形坡口，一般为管厂坡口，不需现场进行坡口加工，其坡口形式如图2-13-2所示：
图2-13-2 半自动焊接头坡口形式
（1）工程所用焊接材料（见表2-13-6）
表2-13-6 焊接材料表
（2）工艺要求
①焊接方法：纤维素型焊条手工根焊+自保护药芯焊丝半自动焊填充、盖面。
②层间温度：≥80℃。
③根焊与填充焊时间间隔：不大于10min。
④焊接操作：不摆动或稍微摆动，填充、盖面焊丝干伸长度为15～25mm。
（3）焊接工艺参数（见表2-13-7）
表2-13-7 焊接工艺参数
注：DC-表示焊条或焊丝接负。
（4）焊道层数分布（见表2-13-8）
表2-13-8 焊道层数分布
注：1.立焊位置允许采用立填焊。
2.坡口宽度超过12mm时，建议采用多道焊。
（5）主要施工人员（见表2-13-9）
表2-13-9 主要施工人员（以ф1016mm×17.5mm的机组为例）
（6）主要设备配备（见表2-13-10）
表2-13-10 主要设备配备（以ф1016mm×17.5mm的机组为例）
13.2.4 连头返修焊工艺
西气东输管道工程中的连头焊接也是采用纤维素型焊条手工根焊+药芯焊丝半自动焊的工艺，与主线路半自动焊接大致相同，在此不再赘述。与主线路不同的是根焊道采用的是上向焊。这里主要介绍一下返修焊接工艺。
（1）焊接方法 焊条电弧焊。
（2）焊接电源 直流电源。
（3）焊接材料（见表2-13-11）
表2-13-11 焊接材料
（4）接头形式（见图2-13-3）
图2-13-3 连头、返修接头形式
（5）焊接准备
①管位置：水平固定（5G）。
②预热方法：火焰加热。
③预热温度：≥100℃。
④加热宽度：坡口两侧加热宽度大于等于50mm。
⑤焊接设备：下降外特性直流电源。
⑥最小返修长度：50mm。
⑦最大返修长度：环焊接头总长度的8％。
⑧预热部位：全壁厚返修时，需对整口进行预热；非全壁厚返修时，可以仅对返修部位进行预热。
（6）工艺要求
①焊接材料：纤维素型焊条根焊+低氢型焊条填充、盖面。
②层间温度：≥80℃。
③根焊与填充焊时间间隔：不大于10min。
④焊接操作：不摆动或稍微摆动。
⑤其他：返修焊道的起点和终点应不与原焊道的起点与终点相重叠。
（7）焊接工艺参数（见表2-13-12）
表2-13-12 焊接工艺参数
13.2.5 焊接工艺应用情况及影响
西气东输管道工程是一条横亘我国东西的能源大动脉，对于改善我国能源结构、降低环境污染、促进国民经济的发展都有着重大战略意义。工程从2000年3月开始启动，2002年7月4日全线正式开工，2004年下半年具备投产条件。塔里木天然气于2004年12月输送至上海，实现西气东输和资源接替。西气东输管道工程是中国当时建成的距离最长、管径最大、投资最多、输气量最大、施工条件最复杂的天然气管道。管道沿途经过戈壁沙漠、黄土高原、太行山脉，并且三穿黄河、一穿长江，创造了中国管道建设史上的多项第一。
西气东输管道工程的开工建设，不仅提升了我国管道建设技术装备，而且大大提高了管道施工队伍的施工能力和综合竞争力。在西气东输管道工程中，管道全位置自动焊工艺在我国首次大规模应用，共完成管线焊接约700km，焊接一次合格率达95％，并且创造了机组单日焊接149道焊口、单月焊接23.48km（2044道）的施工纪录。药芯半自动焊工艺相比传统的焊条电弧焊，生产效率高、焊接质量好，在工程施工中扮演了重要角色，完成的焊接量占全线的80％（约3200km），对整个工程的按期投产发挥了重要作用，创造了机组单日焊接60道口的新纪录。
13.3 西气东输冀宁支线工程焊接工艺简介
13.3.1 工程简介
西气东输冀宁支线工程是两大能源动脉西气东输与陕京二线的联络线工程，是造福沿线地区的能源供给线，也是中国管道史上第一条数字化管道。它南接西气东输管道青山分输清管站，北连陕京二线输气管道安平分输站，全长约900km，设计输量120×108m3/a，干线输送压力10MPa，管径ф1016mm，材质X70，按不同地区类别分别采用螺旋埋弧焊钢管和直缝焊钢管，壁厚分别为17.5mm、21.0mm、26.2mm，管道焊接采用自动焊和半自动焊，个别特殊地段采用焊条电弧焊，管口焊缝100％进行无损检测。同时，中国石油天然气集团公司为了将国内油气管道向高压、大口径的高强钢发展，决定在冀宁支线上开展X80级钢管的试验应用。
西气东输冀宁支线工程采用的焊接工艺与西气东输工程是完全一样的（除X80钢工业性应用试验段），下面只介绍X80钢工业性应用试验段的焊接工艺。工程所用工艺为：主线路工艺——Noreast内焊机根焊+Noreast外焊机填充盖面焊；连头和返修焊工艺——低氢焊条上向根焊+低氢焊条下向填充盖面焊。
13.3.2 Noreast内焊机根焊+Noreast外焊机填充盖面焊工艺
（1）钢管 钢级：X80；制管标准：APISPEC5L；直径：1016mm；壁厚：15.3mm、18.4mm。
（2）焊接材料（见表2-13-13）
表2-13-13 焊接材料
（3）坡口尺寸及组对方式（见图2-13-4）
图2-13-4 自动焊接头坡口尺寸及组对方式
（4）工艺要求
①预热温度：不低于100℃，且不得超过管体防腐层所许可的极限。
②层间温度：不低于80℃。
③根焊与填充焊间隔：小于20min。
④加热宽度：两侧各大于75mm。
⑤附加要求：焊前清理焊口表面及边缘25mm内的油漆、铁锈等。
（5）焊接工艺参数（见表2-13-14）
表2-13-14 焊接工艺参数
以上工艺参数是焊接壁厚δ=15.3mm的焊口时的参数，如果焊接壁厚δ=18.4mm的焊口，则应增加一遍填充焊，参数同“填充3”。
（6）施工人员（见表2-13-15）
表2-13-15 施工人员表
（7）主要设备配备（见表2-13-16）
表2-13-16 主要设备配备
13.3.3 连头焊工艺（焊条上向根焊+焊条下向填充盖面焊）
（1）工艺要求
①预热温度：不低于100℃，且不得超过管体防腐层所许可的极限。
②层间温度：不低于80℃。
③加热宽度：两侧各大于75mm。
④附加要求：焊前清理焊口表面及边缘25mm内的油漆、铁锈等。
（2）坡口尺寸及组对方式（见图2-13-5） 当不同壁厚管材进行组对时，应按要求在厚壁管的内侧用砂轮机打磨出过渡坡口后再进行组对。
图2-13-5 连头接头坡口尺寸及组对方式
（3）焊接材料（见表2-13-17）
表2-13-17 连头焊焊接材料
（4）焊接工艺参数（见表2-13-18）
表2-13-18 连头焊焊接工艺参数
13.3.4 返修焊工艺（焊条上向根焊+焊条下向填充、盖面焊）
（1）焊接材料的选用 根焊采用日本神冈的LB-52U型焊条，该焊条尤其适用于管道的单面焊接，可使用较小电流获得较好性能的焊缝，且电弧稳定性非常好。填充、盖面焊采用CHE558GX低氢钾型低硫高韧性低合金钢焊条，使焊缝金属具有优良的塑性和韧性。焊接材料见表2-13-19。
表2-13-19 返修焊焊接材料
（2）工艺要求
①最小返修长度：50mm。
②最大返修长度：环焊接头总长度的8％。
③预热部位：全壁厚返修时，需对整口进行预热；非全壁厚返修时，可以仅对返修部位进行预热。
④其他：返修焊道的起点和终点应不与原焊道的起点与终点相重叠。
（3）焊接工艺参数（见表2-13-20）
表2-13-20 返修焊焊接工艺参数
13.3.5 焊接工艺应用情况及影响
西气东输冀宁支线X80钢工业应用工程共完成线路全长7.71km/701道（其中：X80直缝管ф1016mm×18.4mm，长2.22km；X80螺旋管ф1016mm×15.3mm，长5.49km），自动焊完成661道，RT一次合格率为97.13％，AUT一次合格率97.75％，总一次合格率96.37％；手工连头焊40道，RT一次合格率为100％。西气东输冀宁支线X80管线钢管应用工程质量检测组对整个工程进行检测，针对检测结果得出以下结论。
①该全自动焊和焊条电弧焊焊接工艺能够满足X80管线焊接，包括15.3mm与18.4mm不同壁厚、X80与X70不同强度等级钢管的水平固定位置的对接焊接。
②参加该工程建设的有关单位都能严格按照相关标准、规范执行，管道施工程序完全处于受控状态。
③经检查未发现有不符合相关规范的问题，冀宁支线X80管线钢管应用工程质量是合格的。
由X70钢改到X80钢，使钢管壁厚减小，使整个工程的投资大大降低，这是我国长输管道的发展趋势，这样的探索具有深远的意义，为X80钢实际应用积累了经验，扩大了焊接作业范围，提升了我国的国际竞争水平。
西气东输冀宁支线X80钢焊接应用的成功，在我国管道史上具有划时代的意义，标志着钢铁冶金、制管、焊接、无损检测等已经达到国际先进水平。
13.4 泰国天然气管道工程
13.4.1 工程简介
泰国天然气管道工程线路总长72.8km，沿线地貌以水田为主，地形复杂。管线的材质为X65，直径为ф914mm，壁厚为14.68mm、15.24mm，设计运行压力为10MPa。工程自2005年12月12日开始，于2006年6月30日圆满达到机械完工的目标。
由于泰国地区施工是水网作业，无法采用自动焊工艺进行大流水施工，只能采用药芯焊丝半自动焊接和焊条电弧焊接两种工艺进行干线及连头焊接，返修用焊条电弧焊接工艺。
13.4.2 药芯焊丝半自动焊
（1）坡口及组对尺寸（见图2-13-6）
图2-13-6 药芯焊丝半自动焊接头坡口及组对尺寸
（2）焊接材料（见表2-13-21）
表2-13-21 焊接材料
（3）工艺要求
①焊接方法：纤维素型焊条根焊+自保护药芯焊丝半自动焊填充、盖面。
②层间温度：≥80℃。
③根焊与填充焊时间间隔：不大于10min。
④焊接操作：不摆动或稍微摆动，填充、盖面焊丝干伸长度：15～25mm。
（4）焊接工艺参数（见表2-13-22）
表2-13-22 焊接工艺参数
注：DC-表示焊条或焊丝接负。
（5）施工人员（见表2-13-23）
表2-13-23 施工人员
（6）施工主要设备（见表2-13-24）
表2-13-24 施工主要设备配备表
13.4.3 焊条电弧焊接工艺
（1）坡口及组对尺寸（见图2-13-7）
图2-13-7 焊条电弧焊接头坡口及组对尺寸
（2）焊接材料（见表2-13-25）
表2-13-25 焊接材料
（3）工艺要求
①焊接方法：纤维素型焊条根焊+低氢焊条填充、盖面。
②层间温度：≥80℃。
③根焊与填充焊时间间隔：不大于10min。
④焊接操作：不摆动或稍微摆动。
（4）焊接工艺参数（见表2-13-26）
表2-13-26 焊接工艺参数
注：DC-表示焊条接负。
（5）施工人员（见表2-13-27）
表2-13-27 施工人员
（6）主要设备配备（见表2-13-28）
表2-13-28 主要设备配备表
13.4.4 焊条电弧焊返修工艺
（1）焊接材料（见表2-13-29）
表2-13-29 焊接材料
（2）焊接接头（见图2-13-8）
图2-13-8 返修接头尺寸
（3）焊接准备
①管位置：水平固定（5G）。
②预热温度：≥100℃。
③预热方法：烤把或喷灯加热。
④加热宽度：坡口两侧大于等于50mm。
⑤焊接设备：下降外特性直流电源。
⑥最小返修长度：50mm。
⑦最大返修长度：环焊总长度的8％。
⑧预热部位：全壁厚返修时，需对整口进行预热；非全壁厚返修时，可以仅对返修部位进行预热。
（4）工艺要求
①焊接方法：纤维素型焊条根焊+低氢型焊条填充、盖面。
②层间温度：≥80℃。
③根焊与填充焊时间间隔：不大于10min。
④焊接操作：不摆动或稍微摆动。
⑤其他：返修焊道的起点和终点应不与原焊道的起点与终点相重叠。
（5）焊接工艺参数（见表2-13-30）
表2-13-30 焊接工艺参数
13.4.5 焊接工艺应用情况
泰国管道工程中，90％以上焊口是由药芯焊丝半自动焊工艺完成，焊接一次合格率达到95％，这在泰国管道施工中还是第一次。药芯焊丝半自动焊以其焊接速度快、焊接质量高得到了美国Bechtel公司的高度认可。泰国工程快速、高效、安全地完成施工，这也为管道局拓宽东南亚市场奠定了坚实的基础。