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西气东输线路工程焊接工艺研究
  2008年04月25日

  概述

    西气东输管道工程所用钢管的强度级别为API5LX70,外径为1016毫米,壁厚范围为14.6~26.2毫米,管道设计输量为120亿立方米,设计压力为10兆帕。 要完成这样一条大口径、高压输气管线的主体建设任务,焊接技术是制约工程建设质量和效率的重要环节之一。

    X70管线钢的焊接性

    西气东输管道工程用API5LX70管线钢的卷板供货商既有国内生产厂家,也有国外的生产厂家,供货钢管冷裂纹敏感系数(PCM)不超过0.21%,碳当量(CEQ)不超过0.42%。考虑到母材的含碳量较低,碳当量大于一般低合金钢的水平,可初步判定母材的焊接性良好,但焊接前还应采取必要的预热措施。

参照理论计算得出的预热温度值,进行斜Y型坡口焊接裂纹试验。试验结果表明,采用实心焊丝焊接,预热至80摄氏度时的表面裂纹率合格;采用纤维素焊条焊接,预热至100摄氏度时的表面裂纹率合格。据此,施工过程中焊接预热温度确定为不低于100摄氏度,焊接层间温度确定为不低于80摄氏度。另外,考虑钢管外防腐层的耐热能力和母材本身受热过程的影响,建议预热温度和层间温度的加热上限不超过200摄氏度。

    焊接接头的坡口型式设计

    管道焊接施工通常采用的坡口型式为API标准30度坡口。但对于大口径、厚壁钢管来说,这样的焊接接头坡口型式热影响区、焊接接头变形和应力、填充金属量都较大,劳动强度高,焊接效率低。经过调研和工艺试验验证,确定西气东输工程采用23度V型坡口型式。

西气东输工程中采用的坡口型式大大降低了焊接材料的消耗量和焊接劳动强度。以工程中使用的半自动焊方法焊接14.6毫米壁厚钢管为例,采用23度V型坡口与30度V型坡口相比,3200公里长的管线,可减少焊接材料消耗量460吨,减少焊接工作量226%,节约材料成本约2500万元人民币,节约焊接施工成本约3640万元人民币。

    各种不同焊接方法的应用特点

    半自动焊方法

    目前使用的半自动焊方法分为两种。一种是采用自保护药芯焊丝进行下向焊的方法。这种焊接方法操作灵活,环境适应能力强,焊接效率高,焊接质量好,并且具有相当多的施工经验,使用中没有更多的困难。另一种是采用实心焊丝进行二氧化碳气体保护电弧焊下向焊的方法,如STT型二氧化碳逆变焊机的应用等。这种焊接方法焊接效率高,操作灵活,但焊接过程受环境风速的影响较大。

    自动焊方法

    我国虽然在20世纪70年代就开始了管道自动焊技术的研究工作,但直到20世纪90年代才开始在管道建设中应用自动焊技术。如1998年管道局的PAW2000自动焊机在河南义马煤气管线进行了焊接试验,1999年进口英国NOREAST公司的自动焊机在港清输气管道工程中进行了焊接试验,以及2000年在涩宁兰输气管道工程中管道局的PAW2000自动焊机和进口英国NOREAST公司的自动焊机共同进行了自动焊工艺试验等。

    自动焊技术对施工过程中的各种变化适应性较差,因此保持管口椭圆度和坡口参数的一致性,对自动焊技术的质量稳定起着关键的作用。在西气东输工程中,自动焊技术主要应用于西部地形平坦地段,共有11家施工单位组建了15个自动焊施工机组,采用管道全位置自动焊的方法焊接完成了大约670公里长的管线,约占全线总体焊接任务的17%。

    自动焊技术适合于地形平坦地段的管道焊接施工,尤其是在自然环境条件比较恶劣的地区,如戈壁、沙漠、无人区等,自动焊技术具有不可替代的应用空间和优势。结合不同的工程特点和施工环境因素,合理分配自动焊、半自动焊和手工焊的焊接任务量,将会使焊接效率、焊接质量、劳动强度和施工成本之间的关系达到最合理的效果。

    手工焊接方法

    西气东输管道工程,大量采用了纤维素型焊条下向根焊方法,大多数返修焊、连头焊和一些特殊地段、特殊焊缝的焊接采用纤维素型焊条根焊和低氢型焊条填充、盖面上向焊组合的方法。

    焊条电弧焊具有灵活简便、适应性强等特点,其下向焊和上向焊两种方法的有机结合及纤维素焊条良好的根焊适应性,在很多场合下仍是其他焊接方法所不能代替的。

    焊接工作站

    水网和山区地段,在靠近施工现场处建立了专用焊接工作站,使用埋弧焊方法或半自动焊方法完成双联管或三联管的焊接,把现场施工的焊缝数量减少了40%-50%,大大缩短了铺设作业的周期。

    焊接施工措施

    自动焊的焊接方法对于坡口型式,以及管口组对要求相对比较严格,若坡口型式不能满足要求,或管口组对精度不够,将造成烧穿、未焊透等焊接缺陷。因此,要求管口椭圆度,必须在焊接施工现场配备管端坡口整形机,以保证坡口型式和管口组对精度。

    必须考虑到高强度、大壁厚钢管所承受的外部应力作用带来的影响。因此施工过程中,应注意钢管支撑的可靠性和对口器撤离时足够的焊道厚度,禁止强力组装对口,避免焊接裂纹的产生。

    结论

    西气东输管道工程的建设表明,我国焊接技术工作者大量采用国内外领先的高新技术,高效快速地解决了焊接施工中的难题,全面提升了我国长输管道的建设水平,实现了管道工业国产化的重大突破。通过西气东输管道工程的建设实践,从整体上提高了国内管道建设的能力和水平,增强了我国管道建设单位参与国际竞争的实力。

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