焊接技術在我國石油工程建設中的應用

雷 毅，吳 斌，宮大猛

(中國石油大學 機電工程學院，山東 青島 266555)

焊接技術在我國石油工程建設中的應用

雷 毅，吳 斌，宮大猛

(中國石油大學 機電工程學院，山東 青島 266555)

石油工程領域中的焊接結構存在多種類型，其應用條件各不相同，對結構用鋼的性能提出了不同的要求。綜述了焊接技術在我國油氣儲運、鉆采機械、石油化工機械和海洋平臺等石油工程建設中的應用現狀。隨著石油工程建設中焊接結構復雜化程度的增加和應用條件的不斷提高，解決其相關焊接關鍵技術將是未來石油工程建設中的重要發展方向。

焊接技術；油氣儲運；鉆采機械；石油化工機械；海洋平臺

0 前言

油氣儲運設備中的各種儲油罐、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；石油化工機械中各種化工容器、反應塔、加熱爐和換熱器的制造與安裝等都需要進行大量的焊接工作；在鉆采機械方面，焊接可用于架體、泵體、鉆桿、抽油桿和鉆頭等各種金屬結構的制造及安裝修理；海洋鉆探及采油平臺、海洋鉆井船的制造等也都離不開焊接技術。焊接技術在石油工程建設領域中占有重要地位。

1 油氣儲運中的焊接技術

1.1 儲罐焊接

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

埋弧自動焊是大型儲罐建造中應用最早的自動焊方法，主要應用于正裝法施工的浮頂儲罐的罐壁環焊縫、罐底對接焊縫和大角縫等。近年來，國內在借鑒正裝儲罐自動焊技術的基礎上，開發出了倒裝儲罐自動焊設備及工藝，并將該技術應用到大慶、勝利、遼河、長慶等多個油田，到2005年累計焊接儲罐總容量達66萬m3[1]。為提高生產效率，在大型儲罐的施工中，埋弧自動焊已開始向雙絲和多絲焊方向發展。

由于氣電立焊采用的坡口角度相對較小，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罐建造中被廣泛應用，主要焊接罐壁立焊縫[2]。近年來，國內一些施工單位將CO2半自動焊應用到儲罐的罐底板、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，質量好，變形小，而且減少了打磨量。藥芯焊絲富氬保護焊可以用在焊接工作溫度-60℃～-33℃的大型低溫儲罐，已成為特殊用途儲罐建造的發展方向之一。

但在拱頂儲罐的施工中主要采用焊條電弧焊，尤其是1萬m3以下儲罐的焊接，自動焊應用較少[3]。目前我國儲罐建設的焊接自動化水平與國外相比仍有一定差距，發展自動焊接技術是今后儲罐制造的重要發展方向，其中焊縫自動跟蹤是提高儲罐制造自動焊水平的關鍵技術。

1.2 油氣管道焊接

管道輸送是石油、天然氣最為經濟合理的運輸方式，全世界目前油氣管線的總長度已超過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下向焊。20世紀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和對低溫韌性要求較高的管道或者厚壁管的焊接[4]。20世紀90年代我國正式推廣應用自保護藥芯焊絲半自動焊。該項技術于1995年首次在突尼斯工程中獲得應用，并成為后來的庫鄯線、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]。自保護藥芯焊絲半自動焊采用下向焊工藝，實現了連續送絲，施工效率高。

目前，國內油氣輸送管道正朝著大管徑、高工作壓力、遠距離輸送的方向發展。隨著管道建設用鋼管強度等級的提高，管徑和壁厚的增大，在管道施工中逐漸開始應用自動焊技術[6]。如西氣東輸一期工程全長4 200 km中大約有650 km采用了自動焊。西氣東輸二線干線總長近5 000 km，由于鋼的強度等級較高，管徑和板厚較大，管線建設中主要以自動焊和半自動焊為主，以焊條電弧焊為輔，自動焊根焊主要采用STT半自動焊[7-8]。在部分大直徑厚壁管道施工中，應用了全位置GMAW自動焊技術，這也代表了目前世界管道建設的較高水平，標志著我國管線建設已邁向國際先進行列。

2 海洋石油工程中的焊接技術

開發海洋石油離不開海洋構筑物的建造和安裝，包括海洋平臺、導管架、海底管線及海洋管道鋪設船等。隨著海洋石油開發的水深不斷加大，海洋結構不斷加重，結構物體積和使用的鋼板厚度也不斷加大，水下焊接技術已成為組裝、維修諸如采油平臺、輸油管線以及海底倉等大型海洋結構的關鍵技術。目前，世界各國正在應用和研究的水下焊接方法種類繁多，按焊接所處的環境大體上分為三類焊接技術：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備簡單、成本低廉、操作靈活、適應性較強等優點。因此，濕法水下焊接技術被廣泛用于海洋條件好的淺水區以及承受低應力構件的焊接。但由于濕法水下焊接難以獲得高質量的焊接接頭，一般只用于水深幾米至幾十米的海岸工程非重要結構物的維修。局部干法焊接能夠滿足水下較重要工程結構的焊接質量要求，也是當前水下焊接的重要研究方向。英國曾將此方法用于北海大陸架挪威海域，修復被冬季風暴破壞的Ekofisk鉆井平臺兩根位于水深7 m、直徑3 500 mm的管子。美國在水深12 m處用此法修復了采油平臺管徑406 mm的立管[9]。

水下焊接技術在我國一直受到高度重視。早在20世紀50年代，水下濕法焊條電弧焊已得到應用。20世紀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助下，開發了水下局部排水氣體CO2保護焊技術，簡稱LD-CO2焊接法[10]。近年來，國內部分單位針對海底管道泄露的水下維修問題，開展了水下局部干法焊接技術的研究，并取得突破性進展，從而推動了我國水下焊接技術的實用化進程。

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構物修復，實際應用水深一般不超過40 m，為了適應海洋工程向深海發展需要，許多國家加大了對高壓干法水下焊接技術的研究與應用。挪威STATOIL公司的PRS系統于1994年進行了334m水深的管道焊接，獲得成功[11]。我國于2002年10月將水下干式高壓焊接技術研究作為國家863計劃重大專項“渤海大油田勘探開發關鍵技術”中的一個重要組成部分，并于2006年11月在渤海成功地進行了海底試驗[12]，這一研究成果也標志著我國的海洋水深結構物焊接技術達到世界先進水平。

3 石油鉆采機械中的焊接技術

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：一種是泵體制作過程中的焊接，另一種是泵體缺陷的補焊。常用焊接方法有：焊條電弧焊、CO2氣體保護焊、堆焊、摩擦焊以及擴散焊等。

在泵體制造中，為了提高工作效率和保證焊縫質量，一些新的焊接工藝正在被采用，如擴散焊在加長抽油泵泵筒的焊接中的應用，用真空擴散焊接方法在最佳焊接規范下可獲得優質的擴散焊接頭，該接頭不僅能保證焊接質量，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程中也有一定的應用，在泵體的易摩擦部位進行鈷、鉻、鎢等硬質合金的堆焊，使泵體具有可靠性好，耐磨損、耐腐蝕性能好，延長壽命的特性。另一方面，由于油田用泵常常應用于具有較強腐蝕性介質的環境中，并承受較高的工作壓力，泵體在這種惡劣的環境下長期運行，容易產生裂紋，對此常采用焊條電弧焊、CO2氣體保護焊和堆焊等方法進行補焊。

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焊，從早期的電弧焊、閃光對焊逐步發展到當今的連續驅動摩擦焊接和慣性摩擦焊接，鉆桿對焊的生產效率越來越高，焊縫的質量也越來越好。目前，慣性摩擦焊接方法應用最為廣泛[14]。

20世紀70年代哈爾濱焊接研究所首先研制成功了我國第一臺1 200 kN石油鉆桿摩擦焊機，開創了我國摩擦焊生產或修復石油鉆桿的歷史。這套工藝技術在華北油田、遼河油田、中原油田進行了多年的鉆桿修復生產，累計修復鉆桿近50萬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[15]，使接頭在焊接過程中獲得形變強韌化效果，這不但克服了摩擦焊接頭韌性差的缺點，而且提高了焊件的生產效率，節約了能源。

由于摩擦焊中接頭處存在的飛邊、焊接錯位等問題，以及焊后要進行熱處理，瞬時液相擴散焊(ransient liquid phase bonding，簡稱TLP連接)在鉆桿制造過程中開始得到應用。采用TLP連接技術焊接石油鉆桿，不僅解決了摩擦焊中接頭處存在的飛邊、焊接錯位等問題，而且接頭成形良好，性能與母材相同[16]。海隆石油工業集團有限公司通過自主研發，成功研制出一種新型鉆桿耐磨堆焊設備，利用藥芯焊絲來實現對鉆桿耐磨帶的堆焊，進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(牙輪上鑲裝硬質合金齒)牙輪鉆頭；按牙輪數目可分為單牙輪、雙牙輪、三牙輪和多牙輪鉆頭。鋼齒牙輪鉆頭傳統的齒面強化工藝是采用顆粒鑄造硬質合金堆焊，由于堆焊后硬質合金的強度還不足以達到要求，需要進一步處理。對于不同的基體，堆焊時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合片鉆頭的簡稱，是20世紀80年代鉆井技術的重大創新之一，現在已廣泛應用于石油鉆探開發中，是破碎巖石的有效工具。PDC鉆頭是用聚晶人造金剛石復合片作為切削元件，通過焊接的方法把復合片切削齒與鉆頭基體結合在一起。采用的焊接方法有焊條電弧焊、堆焊、釬焊、激光焊和擴散焊等。有研究表明[18]：采用釬焊的方式提高了焊接強度，同時穩定性也大幅提高，增加PDC鉆頭壽命。美國桑迪亞實驗室對PDC鉆頭進行真空擴散焊，可使PDC復合片的硬質合金與刀柱基體的剪切強度為413.36～551.2 MPa[19]。但由于復合片在PDC鉆頭基體焊接的位置分布復雜，采用手工焊接時往往難以保證復合片的焊接質量。因此，發展PDC鉆頭自動焊接技術對于穩定PDC鉆頭的焊接質量具有重要意義。

4 化工機械中的焊接技術

石油化工機械包括各種化工容器、反應塔、加熱爐和換熱器等。在化工機械生產中，需要根據不同的結構和材料特點采用相應的焊接方法。常用的焊接方法有焊條電弧焊、埋弧自動焊、CO2氣體保護焊、鎢極氬弧焊等。焊條電弧焊是化工機械生產中低碳鋼結構的基本焊接方法，適應力強。該方法適用于用中板制造的結構復雜的化工機械；埋弧自動焊適用于厚板制造的結構比較簡單的化工機械；CO2氣體保護焊適合于焊接中薄板的化工機械，也可用于焊接厚板化工機械；鎢極氬弧焊適用于化工機械生產中的打底焊。

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用越來越多。如鎳基高溫合金是石油、化學、石化工業中適于高溫、高壓并伴有各種苛刻腐蝕環境的理想金屬結構材料，在石油化工的各種化學爐和高溫裝置中應用廣泛。鎢極氬弧焊是鎳基合金生產中應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穩定的焊接質量。

隨著各類化工容器和反應塔壁厚的不斷增加，焊接工作量越來越大，焊條電弧焊方法因焊接速度慢等原因不適于現場大型厚壁容器和反應塔的組焊，傳統的埋弧焊方法也存在諸多問題。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，該技術在厚壁容器、反應塔的組焊領域發揮著越來越大的作用。中國石油天然氣第七建設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鍵設備胺液吸收塔，公稱直徑3800 mm、塔體總高度38 822 mm、主體壁厚124 mm，質量521 t?，F場采用窄間隙埋弧焊方法，生產效率得到明顯提高，且焊接一次合格率為99.9%。這一技術成果也填補了中國石油工程建設中特大型裝備現場制造的空白[20]。

5 結論

我國石油工業正處于穩步發展時期，隨著國民經濟的快速增長，石油需求量也迅速增加，中國的石油工業將進入一個新的發展階段。石油工程離不開鋼鐵材料，隨著其使用條件的嚴酷復雜，對鋼鐵材料的性能要求也越來越高。石油工業建設用鋼正朝著高強度、高韌性方向發展，并要求焊接各種耐高、低溫及耐各種腐蝕介質的壓力容器，從而對新鋼種和特殊性能材料如高強鋼、超高強鋼、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題也提出了更高要求。解決有關焊接關鍵技術也是未來石油工程建設中的重要發展方向。

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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

中國石油大學教學改革重點資助項目(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、無損檢測方面的科研工作。