大管径、高钢级天然气管道环焊缝焊接技术

陆 阳 邵 强 隋永莉 冯大勇

1.曹妃甸新天液化天然气有限公司 2. 中国石油天然气管道科学研究院有限公司·油气管道输送安全国家工程实验室

1 工程概况

唐山LNG外输管道工程采用D1 422、X80钢管，设计压力为10.0 MPa，线路全长288 km。工程起自唐山LNG项目接收站，途经曹妃甸滨海镇、宝坻分输站，终至永清末站，是与规划建设中的中俄东线天然气管道、涿州—永清天然气管道等项目的互联互通工程。工程用X80钢管分别为壁厚21.4 mm的螺旋缝埋弧焊钢管，壁厚为21.4 mm、25.7 mm、30.8 mm的3种规格直缝埋弧焊钢管，以及壁厚为25.7 mm、28.2 mm和33.8 mm的热煨弯管。对接环焊缝的组对种类如表1所示。

表1 对接环焊缝的组对种类表

唐山LNG外输管道工程及沿线特点如下。

1）工程用钢管的管径和壁厚最大、钢级最高，单根钢管自重超过10 t，焊接施工难度大大增加，同时对环焊缝焊接技术和质量管控的要求提高，以往的半自动、手工焊等焊接工艺不能完全满足工程需要[1-3]。

2）管道沿线主要地貌为沿海滩涂、水网和平原，其中沿海滩涂和水网这两种地形约占线路总长的32%。沿海滩涂常年有水，水网为网格状分布的连续鱼塘，这些地段的水深为1.0～1.5 m，水下淤泥质粉质黏土厚度为0.5～1.0 m，地基承载力较差，大型施工设备通过性差，不适宜作业机组流水施工。

3）管道沿线穿越工程较多，其中水域大型穿越5处，水域中型穿越6处，铁路穿越15处，等级公路穿越33处，焊接施工段落分散，不能进行连续施工作业。

4）管道沿线地质灾害主要为地面沉降、砂土液化，及近场区内有8条断裂与设计线路相交。设计文件针对相应地段分别采取了运行期监测和定期水准复测、柔性配重压载等措施，还通过抗拉伸、抗压缩校核明确工程无需采取抗震措施，同时要求环焊接头应实现与母材的等强或高强匹配。

2 环焊接头性能要求

依据相关标准和工程技术要求[4-7]，评价环焊接头性能的试验方法包括横向拉伸试验、夏比冲击韧性试验、10 kg载荷维氏硬度试验、导向弯曲试验、刻槽锤断试验和宏观金相试验等，具体的环焊接头性能验收要求如表2所示。

表2 环焊接头性能评价及验收要求表

此外，还针对典型环焊工艺的接头进行了环焊缝纵向拉伸试验、焊缝和热影响区的断裂韧性试验（CTOD）等，获得的试验结果将作为管道运行期的完整性管理工作的输入条件和数据基础。

3 环焊工艺方案设计

根据管道沿线地表形貌、焊口特点等，选择适用的焊接方法形成线路焊接工艺、自由口连头焊接工艺、固定口连头焊接工艺、返修焊工艺、不等壁厚对接焊工艺等。这些焊接工艺的自动化程度、环焊工艺分为全自动焊工艺、组合自动焊工艺、手工焊工艺等[8-9]。焊接材料和焊接设备的选择，是依据与焊接方法相适应，并遵循环焊接头等强或高强匹配、经焊接工艺评定合格、焊接工艺性能优良和对施工环境适应性强等原则而确定的[10-11]。

3.1 线路焊接

工程管道沿线的平原段长度超过60%，地表状况多为耕地、林地、果园等，适合采用焊接机组流水作业的施工方式。为提高焊接质量，保证施工效率，降低劳动强度，选择全自动焊的焊接工艺。

3.1.1 工艺方案

全自动焊工艺的工艺特点是使用内焊机进行根焊，使用单焊炬外焊机进行热焊，再使用双焊炬外焊机进行填充焊和盖面焊，自动化程度属于机动焊。焊材为实心焊丝，保护气体为80%氩气与20%二氧化碳的混合气体[12-14]。

该焊接工艺的优点是：环焊接头的强度和韧性表现优良，焊缝金属的韧脆转变温度可低至－60 ℃及以下。但由于该工艺的电弧特性限制，获得焊道的熔宽窄、熔深浅，使得其对于管口组对偏差的容错性较差，一些微小的坡口尺寸偏差、组对间隙变化、焊口错边量等，都易导致坡口壁未熔合缺欠。因此，该焊接工艺要求必须在施工现场采用坡口机完成加工坡口，并严格管控坡口加工尺寸、管口组对精度和错边量等偏差范围在允许的范围内[15]。

3.1.2 焊接坡口

全自动焊的坡口如图1所示，该坡口的参数分别是壁厚（δ）、钝边高度（P）、拐点至内壁高度（H）、坡口表面宽度（W/2）、内坡口高度（h）、下坡口角度（α）、上坡口角度（β）、内坡口角度（γ），其取值范围如表3所示。设计的钝边高度应能保证热焊道完全熔透，并与内焊机完成的根焊道良好熔合。选择的拐点至内壁高度应确保热焊道完成后其表面能刚好超过变坡口的拐点高度，并将拐点处良好熔合。确定的坡口表面宽度应能够实现双焊炬焊接时一次性完成盖面焊道成型。

图1 全自动焊焊接坡口形式图

表3 全自动焊焊接坡口参数取值范围表

3.1.3 焊接材料

全自动焊工艺的焊接材料包括内焊机用实心焊丝和双焊炬外焊机用实心焊丝。由于实心焊丝与母材熔合后共同形成的焊接接头，其强度比焊丝自身的熔敷金属强度高出120～150 MPa，因此，选取实心焊丝时可选择强度等级较低的材料。内焊机根焊用焊材选择使用了强度等级较低、扩散氢含量很低的实心焊丝，焊丝型号为AWS A5.18 ER70S-G，焊丝直径为0.9 mm，焊丝包装规格为1.5 kg丝盘。根焊时选用ER70S-G焊丝，其塑性和延展性好，可防止X80M钢管在根焊过程中因钢管强度太高、焊接过程承受应力太大或焊缝金属扩散氢含量较高等因素影响而造成根部冷裂纹或延迟开裂。双焊炬外焊机填充焊和盖面焊选择使用了强度等级相同、扩散氢含量很低的实心焊丝，焊丝型号为AWS A5.28 ER80S-G，焊丝直径为1.0 mm，焊丝包装规格为15 kg丝盘。填充焊和盖面焊选择使用ER80S-G实心焊丝，可实现环焊接头与X80钢管的高强度和高韧性匹配，同时具有优良的焊接工艺性能，保证焊接合格率。

3.1.4 焊接设备

全自动焊工艺的焊接设备包括坡口机、内焊机、单焊炬外焊机和双焊炬外焊机，以及小车轨道。本工程的具体自动焊设备配置如表4所示。

3.2 沿海滩涂、水网等不连续段的焊接

本工程管道沿线分布着沿海滩涂、连片鱼塘等水域地段，不适合流水作业的施工方式。另外，不同焊接机组完成的管道段进行连接作业时，由于地形条件往往较差，焊口数量少，不利于大型设备往复调迁。这些焊口的共同特点是施工作业带面积受限，不具备使用内焊机或内对口器的条件，适合小机组或单机组焊接作业。为保证焊接质量，降低劳动强度，选择组合自动焊的焊接工艺。

表4 全自动焊工艺的焊接设备表

3.2.1 工艺方案

组合自动焊工艺的工艺特点是使用手工或半自动的方法完成根焊后，使用单焊炬外焊机自动焊方法进行填充焊和盖面焊，是手工焊与机动焊的组合工艺。可使用的根焊方法包括STT半自动焊根焊和低氢焊条手工根焊。单焊炬外焊机填充盖面焊的焊材为气保护药芯焊丝，保护气体为80%氩气与20%二氧化碳的混合气体。

该焊接工艺的优点是：设备投资少，环焊接头的强度和韧性良好，焊缝金属的韧脆转变温度可达－30 ℃及以下。由于电弧热量高，焊接熔池的深、宽比例好，使得其对于管口组对偏差的容错性非常强，适合于坡口尺寸精度难以控制的工况条件。该焊接工艺的不足是对环境湿度、风速敏感，易产生气孔、夹渣等缺陷，焊接效率低于全自动焊。该焊接工艺通常要求在施工现场采用坡口机完成加工坡口。

3.2.2 焊接坡口

图2 组合自动焊焊接坡口形式示意图

组合自动焊的坡口如图2所示，该坡口的关键参数分别是坡口面角度（α）和组对间隙（b）。设计的坡口面角度约为22°，坡口面角度不宜过小，否则焊接过程中产生的熔渣和一氧化碳气体不能完全翻滚、浮出，将导致气孔、夹渣缺欠发生率增加。设计的组对间隙宜介于2.5～3.5 mm，焊接施工过程中应确保每道焊口组对间隙的一致性，保证填充、盖面焊过程中自动焊系统预置的焊枪摆动宽度、边缘停留时间等参数能够完全覆盖坡口。

3.2.3 焊接材料

组合自动焊工艺的焊接材料包括根焊用焊材和单焊炬外焊机用气保护药芯焊丝。根焊用焊材选择参照了以往管道工程的通用做法，使用强度等级较低、扩散氢含量很低的实心焊丝或低氢型焊条。实心焊丝型号为AWS A5.18 ER70S-G，焊丝直径为1.2 mm，焊丝包装规格为15 kg丝盘。低氢型焊条型号为AWS A5.1 E7016，焊条直径为3.2 mm，焊条包装规格为5 kg。这些焊接材料能够使根焊焊缝具有良好的塑性和延展性，防止根部冷裂纹或延迟开裂。

由于气保护药芯焊丝与母材熔合后共同形成的焊接接头，其强度比焊丝自身的熔敷金属强度高出0～50 MPa。因此选取药芯焊丝时可选择强度等级稍高的材料，同时考虑扩散氢含量、焊接工艺性能等因素，工程使用的药芯焊丝型号为AWS A5.36 E91T1，焊丝直径为1.2 mm，焊丝包装规格为15 kg丝盘，可实现环焊接头与X80钢管的高强度和高韧性匹配，同时具有优良的焊接工艺性能，保证焊接合格率。

3.2.4 焊接设备

组合自动焊工艺的焊接设备包括坡口机、内对口器或外对口器、单焊炬外焊机，以及小车轨道等。本工程的具体焊接设备配置如表5所示。其中的根焊设备选用STT电源或陡降外特性的直流电源。

3.3 固定口连头的焊接

固定口连头，俗称碰死口，受两侧未回填管段热胀冷缩的影响，在焊接过程中也会发生坡口形状的较大变化。这类焊口在焊接过程中均承受着较大的拘束应力，同时由于坡口参数发生较大变化，将诱使全自动焊工艺大概率地出现未熔合缺欠，焊接合格率大幅度下降。

固定口连头的焊接应选择氩弧焊手工根焊与气保护药芯焊丝自动焊的组合自动焊工艺。该组合自动焊工艺的根焊是采用钨极氩弧焊手工上向焊方法，填充焊和盖面焊与自由口连头焊的组合自动焊工艺相同，使用单焊炬外焊机自动焊，是手工焊与机动焊的组合工艺。根焊使用氩弧焊焊丝，采用氩气保护，且背面无需通氩。该焊接工艺的优点是，根焊质量可靠，焊接合格率较高。该焊接工艺的不足是受环境风速影响大，根焊劳动强度大，焊接效率低下。经过批准，该焊接工艺可采用管厂出厂坡口或机械式氧乙炔火焰切割焊口，坡口如图2所示，组对间隙（b）宜介于3.0～5.0 mm。

表5 组合自动焊工艺的焊接设备表

固定口连头焊的组合自动焊工艺，根焊焊材为氩弧焊焊丝，焊丝型号为AWS A5.18 ER70S-G，焊丝直径为2.5 mm，焊丝包装规格为2 m填充丝。填充焊和盖面焊用焊丝为气保护药芯焊丝，与自由口连头焊的组合自动焊工艺相同。

固定口连头焊的组合自动焊工艺所使用的自动焊设备如表4所示，其中根焊设备选用钨极氩弧焊机。

3.4 返修口的焊接

对于无损检测不合格的焊口进行返修焊时，采用低氢型焊条上向焊的方法，自动化程度为手工焊。该焊接工艺的优点是环境适应能力强，操作灵活，焊缝质量可靠，焊缝金属的韧脆转变温度可达－45 ℃及以下。不足是根焊劳动强度大，焊接效率低下，对焊工的操作技能要求高。返修口焊接时，焊接坡口是采用角向磨光机修磨得到的，坡口深宽比应小于等于1.45。

根焊焊材为低氢焊条，焊条型号为AWS A5.1 E7016，焊条直径为3.2 mm，焊条包装规格为5 kg。填充焊和盖面焊焊材为低氢焊条，焊条型号为AWS A5.5 E10018，焊条直径为3.2 mm，焊条包装规格为10 kg真空铁筒。

该焊接工艺对于焊接设备的要求不高，通常的陡降外特性的直流焊接电源即可满足使用要求。

3.5 不等壁厚焊口焊接

管道地区等级变化时的直管对接、管道转弯时直管与热煨弯管的对接等，都会形成不等壁厚焊口。不等壁厚焊口的焊接，主要存在如下问题：①焊口两侧的钢管厚度不同，单面焊双面成型的操作难度大，需要具有非常熟练的操作技巧才能保证薄壁侧和厚壁侧同时满意成型；②热煨弯管与直管的管端尺寸要求不同，这类不等壁厚焊口往往伴随着较大的焊口错边，此时的根焊缝内表面成形更差，在薄壁钢管侧形成锐角的焊趾或内表面开口未熔合等；③薄壁钢管侧的射线检测底片黑度大，往往掩盖了焊趾处的缺欠，造成漏检或误判；④在薄壁钢管侧的焊趾部位，由于几何形成突变而具有较大的应力集中。

当焊工操作技能没有达到足够的熟练、焊趾处存在有较大的应力集中、焊缝内表面含有开口缺欠等不利因素叠加时，若管道因各种外界因素影响而承受了较大外载荷，这些不等壁厚焊口就成为管道的薄弱环节，裂纹会从变壁厚焊口的内表面焊趾部位开始发源，逐渐扩展，并最终演变为环焊缝上的泄露、断裂等失效事故。

本工程给出了两种不等壁厚焊接的坡口形式，如图3所示。这些坡口形式不同于以往的管道设计文件和工程经验[16]。图3-a是内削薄的坡口形式，可在管件厂完成坡口加工或在施工现场打磨加工，内削薄坡口角度（β）应不大于15°。图3-b是内镗孔的坡口形式，应在管件厂出厂前完成坡口加工，内镗孔长度不小于42 mm，削薄坡口角度（β）为14°～30°。这两种坡口都有利于改善单面焊双面成型的内表面焊缝成型，降低薄壁钢管侧的锐角焊趾或内表面开口未熔合等缺欠的发生概率。

采用图3-a的坡口形式时，规定采用钨极氩弧焊或低氢型焊条电弧焊进行根焊焊接，这两种焊接方法的焊接热输入量较大，有利于根焊缝成型。采用图3-a的坡口形式时，可采用STT、钨极氩弧焊或低氢型焊条电弧焊进行根焊焊接。不等壁厚焊口的填充焊和盖面焊，与自由口连头焊的组合自动焊工艺相同，使用气保护药芯焊丝的单焊炬外焊机自动焊。

图3 不等壁厚焊口的坡口形式示意图

4 焊接工艺评定结果

4.1 环焊接头横向拉伸性能

按照上述的焊接工艺方案分别进行环焊缝焊件的焊接，对外观检查、射线检测和相控阵超声波检测合格的对接环焊缝进行力学性能测试。试验结果表明，所设计的全自动焊、组合自动焊和手工焊的环焊工艺，其环焊接头的抗拉强度值、低温冲击韧性值、HV10硬度值和低倍金相均满足工程相关标准和设计文件的要求。

环焊接头横向拉伸试验的试样断裂位置全部在母材上，抗拉试验结果如图4所示，表现出的环焊接头抗拉强度实际上是钢管管体的纵向抗拉强度值，其数值介于599～710 MPa，管体纵向抗拉强度的变化范围约110 MPa，说明钢管管体的强度稳定性好。

图4 环焊接头横向拉伸试验结果图

图5 环焊接头低温冲击韧性试验结果图

4.2 环焊接头低温韧性

环焊接头－10 ℃夏比冲击韧性试验结果如图5所示，无论采用哪种焊接工艺，环焊接头均具有优良的冲击韧性表现。图5-a是焊缝金属的试验结果，全自动焊的焊缝金属韧性值相对较高，而组合自动焊和手工焊的焊缝金属韧性值数据则更为集中、稳定。图5-b是熔合线的试验结果，所有的环焊工艺均在熔合线位置表现出了比焊缝金属更为离散的冲击韧性数值，说明X80钢管的热影响区存在着一定程度的脆化现象。

4.3 环焊接头硬度

环焊接头HV10硬度试验示意图及试验结果如图6所示。多数根焊焊缝和热影响区的硬度值与母材相当，而部分根焊焊缝和热影响区的硬度值比母材略低。多数盖面焊缝和热影响区的硬度值与母材相当，部分盖面焊缝的硬度值比母材高。这一现象符合环焊接头与母材等强或稍高强匹配的规律，也表明X80钢管的热影响区软化现象不明显。另外，全自动焊和焊条电弧焊的焊缝金属具有相对较高的硬度值表现，组合自动焊的焊缝金属硬度值表现与不同产地的焊接材料具有相关性。

图6 环焊接头HV10硬度试验结果图

4.4 环焊接头低倍金相

环焊接头宏观金相试验结果如图7所示，无论全自动焊还是组合自动焊，其断面检验面的焊缝形貌良好，无未熔合、未焊透、焊偏等缺欠，焊接道数和层数符合焊接工艺要求。

图7 环焊接头低倍金相实物图

4.5 环焊接头纵向拉伸性能

针对工程全线焊口数量最多的全自动焊环焊接头，进行了环焊缝纵向拉伸试验，试验结果如表6所示，环焊缝的全焊缝金属抗拉强度达800 MPa，比工程用X80钢管的管体强度高（100～170 MPa），实现了高强匹配。

表6 环焊缝纵向拉伸试验试验结果表

5 焊接质量管控的主要措施

5.1 全自动焊的坡口质量控制

全自动焊工艺由于采用富氩混合气体保护，电弧吹力较小，熔深较浅，主要焊接缺欠是未熔合和气孔。未熔合产生的主要原因在于坡口加工精度误差、管口组对偏差和焊接操作不当等，其中焊接坡口加工精度往往在质量管控过程中是容易被忽略的环节。焊接坡口尺寸和形状保持严格的一致性，这是全自动焊工艺实现高目标的一次合格率的基石。

坡口加工前，应先由专业技术人员将坡口机的刀具位置调整合适，再由经过培训的操作人员开始坡口加工操作。加工完成的坡口应经专职质检员使用游标卡尺和拐尺对坡口尺寸进行复查，合格后方可进行焊接作业。为保证坡口质量，加工时应确保“三个水平”原则，即操作平台水平、钢管水平和管内坡口机的水平。否则会导致坡口的尺寸不准、钝边不均、断面有毛刺及刀片崩刃等现象。有些坡口机具有定位夹紧和矫正功能，如CPP900-FM56坡口机，能够确保坡口机自身轴心与管轴心重合，这样只需保持钢管、坡口机和操作平台的相对水平即可，降低了操作难度。现场坡口加工中，部分钢管端面垂直度不好，导致坡口加工时间增加，降低效率；个别坡口机的大盘垂直度不好，会导致出现坡口对角间隙。

5.2 全自动焊的焊接质量控制

内焊机进行根焊焊接时，需关注因焊接速度较低导致的铁水下淌而造成的内坡口的侧壁未熔合及焊缝内表面边缘假熔现象。内焊机的焊接参数是影响根焊质量的重要因素之一，焊前应按焊接工艺规程给定的参数对每一个焊炬（内焊机通常有8个或10个焊炬）的送丝速度、焊接电压、焊接速度等进行调节并试焊，并观察焊缝成型和接头搭接长度是否符合要求。内焊机调试好后，方可由经过培训的内焊机操作工进行根焊道的焊接作业。针对无损检测发现的焊接缺陷，应定期召开质量分析会，通过针对性的实际案例讨论纠正操作工在认识和操作上的错误，提高质量意识。

外焊机自动焊过程受施焊环境影响较大，在风速较大，防风措施不好，管体潮湿等情况下易产生气孔。加强防风措施，如在防风棚内进行焊接操作、接头打磨时避开对面小车焊接，以及焊接过程中注意焊接参数，如电流、电弧电压和焊接速度的匹配等，能够有效地减少气孔的产生。另外，外焊机自动焊时需关注焊接过程中的异常现象，如送丝不稳、电弧飞溅、焊偏、接头打磨坡度等，及时纠正可避免出现侧壁未熔合。

焊接过程中如果发现导电嘴与坡口碰触，或导电嘴烧熔滴入熔池，应立即停止焊接，打磨干净接触点和环焊内的铜污染，必要时需切割焊口重新进行坡口加工，否则会引发热裂纹。

5.3 无损检测方法的确定

全自动焊的环焊缝采用全自动超声波检测（AUT），执行《石油天然气管道工程全自动超声波检测技术规范：GB/T 50818ü2013》[17]。AUT检测完成的环焊缝，再抽取20%的焊口采用射线检测（RT）方法对AUT检测效果进行监测，帮助质量管理人员管控AUT检测过程，纠正AUT检测出现的偏差。

组合自动焊和返修焊的环焊缝采用RT检测，并同时采用含有衍射时差功能的相控阵超声波检测方法（PAUT+TOFD）进行检测。RT检测执行《石油天然气钢质管道无损检测：SY/T 4109ü2013》[18]要求，合格标准为Ⅱ级及以上。PAUT检测执行《无损检测 超声检测 相控阵超声检测方法：GB/T 32563ü2016》[19]。

5.4 固定口连头焊口的质量控制

固定口连头地点宜选择在地势平坦的直管段上，不允许设置在热煨弯管、冷弯管及不等壁厚焊缝处，固定口连头施工前，应预留足够的两侧未回填长度，避免强力组对、附加外载荷等因素增加焊接拘束应力。

因各种原因需要切割管道上的焊口时，应根据切割后所形成新焊口的特性，选择确定将使用的焊接工艺，最终的选择结果应经过质量管理人员确定。如切割后形成的焊口是自由口，即环焊缝焊接过程中能够自由伸缩，可根据实际工况选择全自动焊、自由口连头自动焊等工艺。如切割后形成的焊口是固定口，即环焊缝焊接过程中不自由伸缩，则必须采用固定口连头的焊接工艺。

5.5 软土地基段焊口的质量控制

管道沿线的部分地段是淤泥质粉质黏土，地基承载力较差。在焊接施工过程中，受周边施工机具设备、过往通行车辆等因素影响所产生的土壤振动较为明显，组对好的焊口会随着管道的缓慢沉降而发生坡口形状的变化，尤其是在环焊缝下半圈的仰焊位置，会产生坡口宽度、组对间隙等参数的明显增加。这些软土地基段零散地分布在管道沿海滩涂的线路段中，长度从几十米至几百米不等，在施工初期造成了全自动焊合格率的显著波动。

为保证该地段的焊接质量稳定，提出了选择使用固定口连头焊焊接工艺的建议，即采用手工钨极氩弧焊根焊、自动气保护药芯焊丝填充和盖面焊的组合自动焊方法，利用了钨极氩弧焊的单面焊双面成型质量可靠、气保护药芯焊丝上向焊对焊接坡口和组对精度容错性好的优势，提高了软土地基段焊口的合格率，保证了自动焊施工的质量稳定性。

6 结束语

唐山LNG外输管道工程采用D1 422、X80钢管，单根钢管自重超过了10 t，且管道沿线主要地貌为沿海滩涂、连片鱼塘和耕地、果园等，焊接施工难度大，质量管控要求高。工程项目采用了以内焊机、双焊炬外焊机和单焊炬外焊机等自动焊为主的焊接施工方式，完成的环焊接头力学性能优良，焊接施工一次合格率良好，满足工程相关标准及设计文件的要求和规定，标志着油气管道建设水平再次上升至一个新高度。

为保证管道的顺利建设，工程前期借鉴了大量的以往管道焊接施工成果经验和高钢级管道焊接科研成果，同时也针对性地结合本工程的地形地貌特点，及施工承包商技术能力、水平，提出了适用的环焊缝焊接工艺方案和无损检测方法。

工程建设过程中，针对发现的焊接施工质量问题和技术争议，召开定期和不定期的质量分析会，积累了大量的焊接施工和质量管理经验，可为后续油气管道工程建设的焊接施工管理提供经验。