高鋼級管道焊接工藝技術工程應用探討

施昊彤 陳海翔 王金漢 蔡 亮

（1.國家管網集團建設項目管理分公司西四線甘寧（新疆）項目部，寧夏 中衛 755000；2.中國石油管道局工程有限公司第三工程分公司，河南 鄭州 451450；3.國家管網北方管道公司沈陽調度中心，遼寧 沈陽 110031；4.中航油京津冀物流有限公司，天津 300300）

1 高鋼級管道焊接技術需求

X80鋼級管道是國內外新建大型管道工程的首選鋼級，隨著在山區、高寒等環境惡劣地區建設長輸管道，對焊接質量和效率提出更高要求[1]。國外長輸管道廣泛采用熔化極氣保護自動焊技術（GMAW），焊接工藝成熟、設備系列化。中俄東線天然氣管道是典型高鋼級、大口徑、高壓力長輸管道，管材L555M低合金高強度管線鋼管，設計輸量380×108m3/a、設計壓力12MPa、管徑1422mm。建設施工環境溫度低（寒季平均溫度-24℃～-14℃）。中俄東線高鋼級、大壁厚和低溫特征對焊接工藝性能、效率、坡口加工、管口組對要求更高。應系統總結中俄東線在建設施工中焊接工藝技術的工程實踐和經驗教訓，有助于改進我國高鋼級管道焊接工藝技術，提高管道建設施工水平。

2 高強鋼管道焊接技術難點和瓶頸問題

高鋼級管道焊接中存在以下技術難點和瓶頸問題：

（1）熱影響區脆化/軟化。西氣東輸三線、中貴線、中緬油氣管道施工采用半自動焊技術，焊接熱輸入量控制不規范，產生熱影響區軟化情形，焊縫金屬夏比沖擊韌性離散問題；

（2）高鋼級管材屈強比增大，管道抗側向彎曲能力降低，應用于高寒凍土區、地質災害多發區和地震斷裂帶時失效風險增大，特別是針對環焊接頭機械性能提出更高要求；

（3）我國鋼管廠L555M鋼管制造產品機械強度存在差異，屈服強度最大偏差可達200MPa，造成鋼管強度高、環焊接頭強度低的不匹配問題。

3 高鋼級管道自動焊關鍵技術要素

3.1 焊接工藝設備

中俄東線管道干線采用全自動焊（熔化極氣保護實心焊絲電弧焊），自由連頭采用組合電動焊（熔化極氣體保護藥芯焊絲電弧焊）。環焊縫采取下向焊、上向焊及其組合的方式。全自動焊設備是內焊機和雙焊炬外焊機，保護氣體成分是80%氬氣和20%二氧化碳氣體。全自動焊優點是環焊接頭強度韌性良好，臨界韌脆轉變溫度高達-60℃。缺點是熔寬較窄、熔深較淺，對坡口尺寸和組對精度容錯性非常敏感，可能產生坡口壁未熔合缺陷。組合自動焊設備是單焊炬外焊機，保護氣體成分是80%氬氣和20%二氧化碳氣體。組合自動焊優點是環焊接頭強度和韌性較好，臨界韌脆轉變溫度可達-30℃；對坡口尺寸和組對精度容錯性寬泛，產生未熔合缺陷幾率小。缺點是不適用過窄坡口，焊接填充量大，影響焊接效率；焊接過程有造渣、造氣機制，可能產生氣孔、夾渣等缺欠。組合自動焊采用現場坡口機加工。

3.2 焊接材料

X80管線鋼管容焊性較好，宜采用低氫型焊接材料，需考慮環焊接頭與母材等強或高強匹配問題。

（1）全自動焊工藝采用實心焊絲，焊絲產品質量差異化是影響焊接質量的重要因素，包括焊絲光潔度、直徑偏差、輸絲力度、繞絲條理度、鍍銅工藝、引電嘴磨損水平等因素決定了電弧質量、熱量、溫度及穩定性，進而影響焊接質量。全自動焊設備通常使用定制焊絲，例如CRC焊機焊絲、Serimax焊機焊絲等。實心焊絲產生焊縫機械強度高于熔敷金屬約100MPa，因此選擇焊絲比母材抗拉強度低1個等級；

（2）單焊炬自動焊采用藥芯焊絲，對現場環境、保護氣體等級敏感，如環境潮濕，或者氣體純度、配備、流量有誤，產生一氧化碳氣孔缺陷。藥芯焊絲產生焊縫金屬強度與熔敷金屬強度基本相當，因此焊絲選擇與母材抗拉強度相等的等級。

3.3 坡口加工

全自動焊坡口加工關鍵3項技術參數是坡口表面寬度指、拐點距離內側高度值和鈍邊高度值。坡口表面寬度值是8mm，最佳實踐寬度范圍是7.7～8.4mm之間，可保證雙焊炬蓋面焊道一次成型。拐點距離內壁高度值選擇5.25mm，鈍邊高度值是1.0mm，可保證熱焊層完全焊透，并與根焊縫良好熔合。

質量合格的坡口技術條件為：滿足鈍邊與內坡口圓滑過渡，拐點處無凹坑，鈍邊和拐點高度符合焊接標準規范。現場加工的坡口應在24h內完成作業，坡口兩側15cm內清潔無雜質，滿足超聲無損檢測對鋼管表面粗糙度要求。坡口兩側2cm范圍內打磨出金屬光澤，滿足焊接前坡口技術條件。

3.4 組對精度

全自動焊對坡口尺寸和組對精度容錯范圍要求很高，要求偏差不超過0.5mm，超過該指標即造成坡口壁未熔合缺陷。鋼管吊管下溝作業應保持結構穩定性，避免強力組對產生應力集中。滿足焊接要求的組對管口，錯邊量不大于2.0mm且沿管口均勻布置。組合焊對坡口尺寸和組對精度的容錯能力較低，偏差超過2.0mm才會造成坡口壁未熔合缺陷。

3.5 焊接前預熱

焊接前預熱目的是預防冷裂紋。高鋼級、大壁厚需要多層焊以及低溫環境下，焊接前應預熱。綜合國外高鋼級管道焊接實踐，X80鋼級管道預熱溫度范圍為100℃～150℃，多層焊的道間溫度應高于60℃。焊接預熱可采用火焰加熱、環形火焰加熱方式。中俄東線冬季嚴寒低溫和大風條件下采用中頻加熱方法，并采用電伴熱措施，保證預熱溫度和道間溫度滿足上述要求。如焊接意外中斷，重新焊接前重新加熱至預熱溫度。

3.6 焊接施工技術要點

全自動焊和組合自動焊在專用防風防雨棚進行。引弧在坡口內或已完成焊縫進行，不允許在鋼管表面引弧。高鋼級管道焊接應特別重視環焊縫及熱影響區，嚴格控制焊接工藝參數，例如嚴格控制焊前預熱溫度，嚴格控制焊接熱輸入量在較小數值（線能量小于58kJ/cm）。根焊焊接應避免熔合不良、未焊透及內咬邊缺陷，保證機械性能條件下提高焊接效率。

焊接如產生氣孔缺陷，將缺陷打磨去除，整形出新坡口后進行修復焊接。修復焊接單個焊縫不小于10cm，總長度不大于1/3鋼管周長。現場切割焊口切割寬度應超過蓋面焊道兩側約5mm，整體去除焊縫熱影響區。全壁厚管段返修應進行整體預熱，非全壁厚管段返修應對返修區域及上下各100mm區域進行預熱。

4 高強鋼管道焊接工藝評定

4.1 環焊接頭強度試驗

為增強管道抗側向彎曲性能，要求環焊接頭具備與母材等強或高強匹配性能。鋼管在不同方向上強度指標呈現各向異性，直縫埋弧焊鋼管其管體縱向強度略低于橫向強度。國家標準GB/T 9711-2017《管道輸送系統用鋼管》規定拉伸試驗斷裂在母材的抗拉強度基準值不小于95%鋼管公稱抗拉強度。調研我國7家鋼管廠X80鋼管實際強度指標，近50%達到X90等級。中石油標準Q/SY 0503-2016《中俄東線天然氣管道工程技術規范》規定L555M鋼管實際強度差異范圍不超過140MPa，避免由于鋼管制造強度過高、環焊接頭低強匹配的問題。

4.2 環焊接頭韌性試驗

為預防環焊縫開裂失效，進行夏比沖擊韌性試驗。在環焊接頭的焊縫和熔合線處提取試樣，試樣沖擊功最小值高于38J，三個試樣沖擊功平均值高于50J，測試溫度為-20℃，并測定-30℃沖擊功。中俄東線設計溫度-5℃，管道干線夏比沖擊韌性試驗溫度為-10℃，考慮管道冬季焊接施工過程焊縫開裂風險，環焊縫韌性試驗溫度降至-20℃，環焊縫試驗條件嚴于管道干線，保證了中俄東線建設過程中未發生矛盾爭議。

4.3 環焊接頭硬度試驗

硬度指標反映焊縫在外力作用下抗彈性變形、塑性變形和破裂的機械性能。中俄東線L555M鋼管環焊接頭硬度值要求是維氏硬度值（HV10）不大于300。

5 結語

高強鋼管道在預防冷裂紋和HAZ脆化方面優勢顯著，在環焊縫焊接中存在高低強度匹配、熱影響區軟化/脆化、焊接質量控制和改進焊接效率等問題。中俄東線在建設施工過程中針對高鋼級管道焊接工藝技術要素進行了多項有益試驗和探索。從根本解決上述問題，還應從冶金技術、制造工藝、施工條件和自動焊工藝設備等多方面加以改進解決。