石油管线的焊接工艺方案

吕俊峰1张军2张立军3

摘要：X90级管线钢以其高强度、高韧性、良好的焊接性、低的韧脆转变温度以及良好的耐腐蚀性能在油气长输管道建设中有着广阔的应用前景。焊接是管线钢管生产的关键技术，在焊接过程中，焊接热循环对焊接接头组织产生影响，引起焊接接头性能变化，影响管道的使用寿命，研究X90级管线钢的焊接技术显得尤为必要。

关键词：石油管线；焊接；工艺

1引言

管道运输已经成为石油、天然气等流体物资最主要、最经济的运输方式，为了降本增效，应对市场竞争，各石油天然气管道运输公司积极寻求解决方案。据专家测算，长输管道的口径和压力确定后，所用管线钢强度每提高一个等级，可节约钢材使用量7%-8%，节约管道建设成本3%-7%。采用更高强度级别的管线钢、持续提高管线钢管的强度水平成为今后石油天然气管道建设发展的必然趋势，高压力、大口径、大输量、长距离油气输送管道己经成为国际石油天然气管道的发展方向，成为世界天然气管道发展的主流。

2X90级管线钢焊接性分析

X90级管线钢具备优异的力学性能，但是焊接过程的热循环会破坏其原来的组织结构，因此有必要研究X90级管线钢的焊接性。焊接性指特定焊接工艺下，获得优质的焊接接头的困难程度和焊接接头能否在使用条件下安全运行的能力。良好的焊接性对保证焊接质量和管道的整体性至关重要。多数文献都从工艺焊接性和使用焊接性两方面来研究管线钢焊接性，即焊接过程中管线钢对缺陷的敏感程度以及使用条件下焊接接头的可靠运行能力。

碳当量可以反映钢材的淬透倾向和焊接加工的难易程度，是评价钢材焊接性最简便、最常用的理论方法，在钢材的焊接性评价中具有重要作用。碳和合金元素对钢的焊接性的影响不同，与合金元素相比，碳是对钢材焊接性影响最显著的元素，把钢材中其它合金元素对焊接性的影响按一定系数折合成碳的影响，与碳含量一起叠加所得数值即为碳当量。

3X90级埋弧焊管焊接工艺设计

3.1焊接接头坡口设计

焊接接头有多种形式，但螺旋缝双面埋弧焊管生产均采用对接接头型式的双面埋弧焊接。坡口的设计，主要取决于母材的厚度、焊接方法和工艺要求。适宜的坡口不仅可以使焊接热源到达焊缝底部，防止未焊透，而且可以调节填充金属与母材熔化金属的比例，形成良好的焊缝。坡口型式对焊缝的成形质量有非常重要的作用，螺旋缝双面埋弧焊管生产中常见的焊接坡口型式有I型、V型、双面V型等，所选坡口型式应便于加工，且应尽量减少填充金属，节省生产成本，提高成材率。预精焊钢管的焊接顺序是：先预焊，然后内焊（一层、一道），最后外焊（一层、一道）。由于预焊在钢管内部进行，且高速预焊时进行焊缝自动跟踪的激光传感器需采集成型缝内部坡口信息，所以必须开内坡口；另外钢管精焊时，内、外焊缝进行焊缝自动跟踪都采用外置激光传感器采集外部坡口信息，所以钢管必须开外坡口；所以坡口型式选用带钝边的双面V型坡口。

3.2预焊焊接材料选择

预焊是两步法（预焊—精焊）螺旋焊管生产工艺的重要工序，是整个生产线生产效率的保证，预焊速度即是钢管的成型速度。预焊焊接材料主要包括保护气体和预焊焊丝。预焊焊缝是起定位作用的工艺焊缝，预焊焊接材料可以采用不影响后续精焊焊缝性能的常规焊丝和保护气体。预焊保护气体对预焊速度有直接影响。目前国内大多数直缝埋弧焊管生产线以及两步法螺旋焊管生产线的预焊均采用Ar+CO2的富Ar混合气体保护，富Ar混合气体保护焊焊接过程稳定、熔深大、飞溅少，焊缝成形好，但预焊速度最大不超过5m/min，随着预焊焊接速度的进一步提高，富Ar混合气体保护焊出现了焊接过程不稳定、熔深浅、飞溅大、焊缝成形恶化、甚至驼峰焊道等问题，无法满足生产需要；为了适应高速预焊，提高生产效率，经过大量试验，最终选择用纯CO2作为预焊保护气体。

3.3精焊焊接材料选择

精焊采用埋弧焊工艺，埋弧焊焊接材料主要包括焊丝和焊剂。埋弧焊焊接材料是保证埋弧焊管焊缝性能的最重要因素之一。埋弧焊缝是承载焊缝，焊缝性能不仅取决于钢的化学成分，还取决于所使用的焊接材料及其他相关因素，合理选择焊接材料对保证焊缝足够强度的同时又能保证焊缝良好的韧性非常重要。对于高强度、高韧性管线钢，填充金属应与母材金属合金化程度相近或者比母材合金化程度高，以使焊缝金属获得相当于母材的强度和韧性。为了保证焊接质量，焊丝尽可能选用低碳当量的成分设计，有助于降低焊接后的冷裂倾向。

3.4精焊焊接工艺设计

对于埋弧焊焊缝，焊缝合金含量对焊缝强度具有重要影响。同样的合金元素在不同的焊接工艺、不同焊接热输入的情况下，对焊缝性能会产生不同的影响，所以必须制定合适的焊接工艺，选择合适的焊接工艺参数。埋弧精焊内、外双道焊接，内焊、外焊可采用单丝或串列双丝、串列三丝，内外缝各焊一层、一道，预焊缝应完全熔化并熔入埋弧焊缝，成为埋弧焊缝的一部分。埋弧双丝（或三丝）焊接的情况下，1#丝（前丝）直径一般为4.0mm，2#丝（后丝）直径一般为3.2mm或3.0mm；施焊时，1#丝的焊接电流和电弧电压可按单丝焊的规范进行选择与调整。1#丝主要用来填充焊缝和控制焊缝的熔深，需要采用较大的焊接电流、较低的电弧电压，并采用直流反接；2#丝采用交流，以降低电弧问相互影响和磁偏吹，2#丝应采用较高的电弧电压以确保焊缝得到足够的熔宽，通常2#丝的电弧电压比1#丝高2-5V；焊接电流逐步减小，2#丝的焊接电流比1#丝小20-80%为宜。相邻焊丝之间的距离通常在10-25mm范围内调整。焊接时1#丝基本垂直于焊件，倾角很小，约0-5°，相邻焊丝问夹角约为8-15°。根据所用焊丝直径确定焊丝干伸长，干伸长通常为焊丝直径的5-8倍。焊剂烘焙温度一般为300-350℃，保温90-120min。

结束语：

综上所述，应充分推广和利用新型数字焊接电源，开发适应当前低碳微合金高强度管线钢管焊接的低热输入、高熔敷率的焊接工艺，在确保产品生产效率及焊缝质量的情况下，降低热输入对焊接热影响区的不利影响，推动焊接技术发展以适应管线钢轧制技术的进步。

参考文献：

[1]李鹤林.天然气输送钢管研究与应用中的几个热点问题[J].焊管，2000.

[2]王红伟，吉玲康，张晓勇等.批量试制X90级管线钢管及板材强度特性研究[J].石油管材与仪器，2015.