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天然气管道
18世纪后期用铸铁管，19世纪90年代开始使用钢管。输气动力开始全靠天然气井口压力，1880年，美国采用蒸汽驱动的压气机。20世纪20～30年代采用了双燃料发动机驱动的压气机给管内天然气加压，输气压力从原来5883.6帕上升到27,440帕～41,160帕。输送距离也越来越长。后来又出现了规模巨大的管网系统。60年代开始，在天然气进出口国之间，相继建成了许多跨国管道，如由苏联经原捷克和斯洛伐克、奥地利、德国的1780千米的输气管道；由奥地利到意大利的长774千米的管道；由阿尔及利亚经突尼斯、地中海和突尼斯海峡到意大利的全长2,500千米的管道等。到1983年时，世界输气管道总长达到91.34万千米。长距离输气管道普遍采用压气机增压输送。输气管道在管材选用、提高输送效率、实现全线自动化等方面的技术也有了迅速的发展。管材广泛采用X—60低合金钢（度极限41,160帕），并开始采用X—65、X—70等更高强度的材料。为降低管道内的摩擦阻力，426毫米以上的新钢管已普遍采用内涂层。此外还开展了不同物性的气体在同一管道中顺序输送，以及－70℃低温、75,460帕高压的气态和液态天然气管道输送试验
天然气管道的特点
该天然气管道工程,具有长输管道工程的所有特点,即:
(1) 相对流动性。管道与输送介质之间是相对流动的,因此要求管道内部,特别是管壁内焊口部位尽
可能光滑,以利减少摩阻力。
(2) 固定性。天然气管道埋于地下,除改造、敷设新线路等特殊原因外,管道一般不会发生位移。
(3) 输送的连续性。天然气管道一旦建成、投产,一般情况下应连续运行。
(4) 威胁性。天然气属易燃易爆气体,在役运行的天然气管道穿越中心城区对地面建、构筑物或区域
长期构成威胁。
(5) 潜在的危险性。天然气管道除特殊地形、特殊要求外,一般均为地下敷设,建设中未检出的缺陷在
运行中不易发现,存在不可预见的潜在危险。
上述特点说明,天然气管道工程质量是确保安全运行和延长使用寿命的决定性因素。而天然气管道
敷设则完全依靠焊接而成,因此焊接质量在很大程度上决定了工程质量,焊接工序是天然气管道施工的关
键环节。而管材、焊材、焊接工艺以及焊接设备等是影响焊接质量的关键因素。
焊接特点与难点
(1) 流动性施工对焊接质量的影响。施工作业点随着施工进度而不断迁移,与工厂化生产相比,施工、
质量、安全等各个方面的管理都增加了难度;因此,焊接质量的保证也增加了难度。
(2) 地形地貌对焊接质量的影响。施工单位不能主动选择理想的施工场地,该天然气管道工程将穿越
城市沟渠、箱涵、土堤等处, 可能会遇到多种地形,焊接位置复杂,焊接难度大。
(3) 气候环境对焊接质量的影响。本工程管道焊接主要集中在夏季及雷雨风暴较多的期间内,气候环
境条件的影响,增加了焊接质量控制难度。
(4) 现场焊接时,采用对口器进行管口组对。为提高作业效率,一般在对好的管口下垫置枕木或土堆,
在焊接前一个对接口的同时,开始下一个对接口的准备。由于钢管热胀冷缩的影响,在碰死口时因对口不
当容易造成附加应力而导致焊接出现质量问题。
(5) 现场焊接位置多为管道水平固定或倾斜固定对接,包括平焊、立焊、仰焊、横焊等焊接位置。对焊
工的操作技能要求更高、更严。
(6) 施工环境对焊接质量的影响。该天然气管道穿越城市主干道,由于种种不可预见的因素,导致施
工不能连续进行,往往给焊接带来困难;外界因素的干扰,造成现场施焊接头数量增加,质量难以保证,使
得焊接成本上升。
(7) 焊接质量要求高。根据《钢质管道焊接及验收》(SYPT4103) 的规定,焊缝超声波探伤比例100 % ,合
格级别为Ⅱ级;焊缝X射线探伤比例为20 % ,合格级别为Ⅱ级。穿越段进行100 %X 射线探伤,合格级别
为Ⅱ级。
管道施工焊接技术
国内外管线常用的焊接技术
国外管道焊接施工经历了手工焊和自动焊的发展历程。手工焊主要为纤维素焊条下向焊和低氢焊条
下向焊。在管道自动焊方面,前苏联研制的管道闪光对焊机,在前苏联时期累计焊接大口径管道数万公
里。其显著特点在于效率高,环境适应能力强。美国CRC 公司研制的CRC 多头气体保护管道自动焊接系
统,由管端坡口机、内对口器与内焊机组合系统、外焊机三大部分组成;到目前为止,累计焊接管道长度超
过30000 千米。法国、前苏联等其他国家也都研究应用了类似的管道内外自动焊技术,此技术已成为当今
世界大口径管道自动焊技术发展主流方向。
我国钢质管道环缝焊接技术经历了几次大的变革,七十年代采用传统焊接方法,低氢型焊条手工电弧
焊上向焊操作技术;八十年代初开始推广手工下向焊工艺,同时研制开发了纤维素型和低氢型向下焊条,
与传统的向上焊工艺比较,向下焊具有速度快、质量好,节省焊材等突出优点,因此在管道环缝焊接中得到
了广泛的应用;90 年代初开始推广自保护药芯焊丝半自动手工焊,有效地克服了其它焊接工艺方法野外
作业抗风能力差的缺点,同时也具有焊接效率高、质量好且稳定的特点,成为现今管道环缝焊接的主要方
式。
归纳目前国内外管道常用焊接方法主要有:
(1) 手工焊,包括药皮焊条电弧焊(SMAW) 、手工钨极氩弧焊(TIG) ;
(2) 半自动焊,包括熔化极气体保护半自动焊[含活性气体保护STT(Surface Tension TransferTM) 半自动
焊、半自动熔化极氩弧焊(MIG) 、半自动活性气体保护焊(MAG) ] 、自保护药芯焊丝电弧焊(FCAW) ;
(3) 熔化极活性气体保护自动焊(AW) ;
(4) 埋弧自动焊(SAW) 、电阻焊- 闪光对焊(FBW) 等。
本工程中应用的焊接技术
在上述对国内外管道焊接技术分析的基础上,结合本工程实际情况,因工程选用管材为L290711 ×11
螺旋缝双面埋弧焊钢管,其管径和壁厚都较大,同时鉴于公司目前焊接设备配备状况,在管道连接中采用
手工氩电联焊技术,即:手工钨极氩弧焊(TIG) 打底、手工电弧焊盖面的组合焊接技术。
焊接工艺
(1) 焊接工艺评定:
为检验制定的焊接工艺技术的可靠性和可操作性,施工前,按JB4708 - 2000《钢制压力容器焊接工艺
评定》、SYPT4103《钢质管道焊接及验收》及GB50236 - 98《现场设备工业管道焊接工程施工及验收规范》标
准规定的指标进行的焊接工艺评定,报监理进一步确认。并根据工艺评定编制相应焊接工艺作业指导书,
指导现场焊接施工。工艺评定适用范围见下表1。
(2) 焊接工艺指导书中制定了相应焊接工艺控制技术参数(见表2) 及焊接材料(见表3) 。
(3) 焊接接头坡口形式:
在施工现场采用坡口机加工管件坡口,坡口角度为32. 5°±2. 5°,钝边为1. 5 ±0. 75mm;加工好坡口的
管件,如不能及时组对,按要求堆放好,备用。
表1 焊接工艺评定项目适用范围对照表
评定标准评定方法适用范围
SYPT4103《钢质管道焊接及验收》Ⅱ类(L290) 钢管手工氩电联焊对接焊缝L290 材质钢管对接焊缝、弯头与直管对接
表2 氩电联焊工艺控制技术参数
焊接方法层次
填充金属
牌号直径mm
极性
焊接电流
(A)
电弧电压
(V)
焊接速度
(cmPmin)
钨极直径
mm
喷嘴直径
mm
气体流量
LPmin
TIG 根层J50 2. 4 直流正极135 - 145 17 - 19 10 - 25 3. 2 7 9
D 1 T427 3. 2 直流反极90 - 110 21 - 23 20 - 30
D 2 T427 3. 2 直流反极90 - 110 21 - 23 20 - 30
表3 碳素钢焊接选用的焊接材料
钢号
手工焊焊条
型号对应牌号
氩弧焊打底焊丝牌号
20 # 、L290 E4303 J422 J427 TIG- J50
L290 + 16MnR E4315 J427 TIG- J50
(4) 预热与层间温度控制:
预热的主要目的是为了降低钢材的淬硬程度,延缓或改善焊缝的冷却速度,以利于氢的逸出和改善应
力条件,从而降低接头的延迟裂纹倾向。管道焊接施工的预热温度范围应考虑母材的强度、组织性能变化
规律、管径和壁厚,以及焊接材料的含氢量等因素。对于厚壁钢管的多层焊,还要考虑控制焊道层间温度
来控制近缝区的冷却速度。层间温度一般与预热温度相近。在避免近缝区过热的前提下,较高的层间温
度可防止多层焊时冷裂纹的产生。本工程在施工中当焊件温度低于0 ℃时,将所有焊缝始焊处100mm 范
围内预热到15 ℃以上。
4. 4 焊接质量控制
(1) 由于现场施焊条件差,因此对焊工的技能要求更为严格。参与管道焊接的焊工除必须具有锅炉压
力容器焊工合格证外,且必须通过业主及监理组织的现场模拟考试方可上岗。
(2) 加强焊接设备的管理。根据焊材要求和施工条件,选用直流逆变氩弧焊P手工焊专用焊机,焊机性
能必须稳定,功率等参数应能满足焊接条件;现场配置的焊机应处于良好的工作状态,具备良好的安全性
能,有较强适用于露天的工作性能。
(3) 加强焊接材料的管理。管道焊接采用焊材必须有产品合格证和同批号的质量证明书,严格按规定
保管、烘烤、发放;氩气使用前应检查瓶上的合格证,要求氩气纯度≥99. 96 %以上。
(4) 加强工序管理。正式焊接前,分别对装配质量、坡口清理、临时支撑或固定设施、预热、焊条烘烤等
焊前准备工作逐项确认。
(5) 严格工艺评定管理。在施焊过程中,应严格按照工艺评定所确定工艺技术参数实施焊接作业控
制,克服工艺评定与施工现场参数控制不一致的现象。
(6) 焊接裂纹的预防措施:
a. 采取焊前预热,管口净化并确定合理的焊接顺序,可较大程度地减少焊接应力,控制焊接变形。
b. 高度重视焊缝始端和终端的质量。始端采用后退引弧法,终端须将弧坑填满。多层焊的每层接头
应予以错开。
c. 拆除对口器等工、卡具时不得伤及管道焊缝。拆除后应打磨平滑,并进行磁粉或渗透探伤检查。
d. 每条焊缝宜采用连续焊接,不得随意中断,如因故中断,在继续焊接前,首先应确认焊缝无裂纹,同
时根据工艺要求采取预热措施,方可按原工艺要求继续施焊。
e. 焊接后宜立即对焊缝实施后热消氢处理,操作过程中应按要求保证加热温度与保温时间。
f . 焊缝如出现气孔、裂纹等缺陷,应磨去重焊。并严格控制返修、补焊工艺。
g. 焊缝同一部位的补焊次数不宜超过两次,如超过,补焊前应经单位技术总负责人批准,并采取可靠
的技术措施;所有修补的焊缝长度,均应大于50mm。
(7) 在管道焊接施工过程中应考虑到钢管所承受的外部应力作用带来的影响。同时应考虑环境温度、
环境湿度和环境风速对不同焊接方法的影响,采取必要的措施保证焊接质量。
18世纪后期用铸铁管，19世纪90年代开始使用钢管。输气动力开始全靠天然气井口压力，1880年，美国采用蒸汽驱动的压气机。20世纪20～30年代采用了双燃料发动机驱动的压气机给管内天然气加压，输气压力从原来5883.6帕上升到27,440帕～41,160帕。输送距离也越来越长。后来又出现了规模巨大的管网系统。60年代开始，在天然气进出口国之间，相继建成了许多跨国管道，如由苏联经原捷克和斯洛伐克、奥地利、德国的1780千米的输气管道；由奥地利到意大利的长774千米的管道；由阿尔及利亚经突尼斯、地中海和突尼斯海峡到意大利的全长2,500千米的管道等。到1983年时，世界输气管道总长达到91.34万千米。长距离输气管道普遍采用压气机增压输送。输气管道在管材选用、提高输送效率、实现全线自动化等方面的技术也有了迅速的发展。管材广泛采用X—60低合金钢（度极限41,160帕），并开始采用X—65、X—70等更高强度的材料。为降低管道内的摩擦阻力，426毫米以上的新钢管已普遍采用内涂层。此外还开展了不同物性的气体在同一管道中顺序输送，以及－70℃低温、75,460帕高压的气态和液态天然气管道输送试验
天然气管道的特点
该天然气管道工程,具有长输管道工程的所有特点,即:
(1) 相对流动性。管道与输送介质之间是相对流动的,因此要求管道内部,特别是管壁内焊口部位尽
可能光滑,以利减少摩阻力。
(2) 固定性。天然气管道埋于地下,除改造、敷设新线路等特殊原因外,管道一般不会发生位移。
(3) 输送的连续性。天然气管道一旦建成、投产,一般情况下应连续运行。
(4) 威胁性。天然气属易燃易爆气体,在役运行的天然气管道穿越中心城区对地面建、构筑物或区域
长期构成威胁。
(5) 潜在的危险性。天然气管道除特殊地形、特殊要求外,一般均为地下敷设,建设中未检出的缺陷在
运行中不易发现,存在不可预见的潜在危险。
上述特点说明,天然气管道工程质量是确保安全运行和延长使用寿命的决定性因素。而天然气管道
敷设则完全依靠焊接而成,因此焊接质量在很大程度上决定了工程质量,焊接工序是天然气管道施工的关
键环节。而管材、焊材、焊接工艺以及焊接设备等是影响焊接质量的关键因素。
焊接特点与难点
(1) 流动性施工对焊接质量的影响。施工作业点随着施工进度而不断迁移,与工厂化生产相比,施工、
质量、安全等各个方面的管理都增加了难度;因此,焊接质量的保证也增加了难度。
(2) 地形地貌对焊接质量的影响。施工单位不能主动选择理想的施工场地,该天然气管道工程将穿越
城市沟渠、箱涵、土堤等处, 可能会遇到多种地形,焊接位置复杂,焊接难度大。
(3) 气候环境对焊接质量的影响。本工程管道焊接主要集中在夏季及雷雨风暴较多的期间内,气候环
境条件的影响,增加了焊接质量控制难度。
(4) 现场焊接时,采用对口器进行管口组对。为提高作业效率,一般在对好的管口下垫置枕木或土堆,
在焊接前一个对接口的同时,开始下一个对接口的准备。由于钢管热胀冷缩的影响,在碰死口时因对口不
当容易造成附加应力而导致焊接出现质量问题。
(5) 现场焊接位置多为管道水平固定或倾斜固定对接,包括平焊、立焊、仰焊、横焊等焊接位置。对焊
工的操作技能要求更高、更严。
(6) 施工环境对焊接质量的影响。该天然气管道穿越城市主干道,由于种种不可预见的因素,导致施
工不能连续进行,往往给焊接带来困难;外界因素的干扰,造成现场施焊接头数量增加,质量难以保证,使
得焊接成本上升。
(7) 焊接质量要求高。根据《钢质管道焊接及验收》(SYPT4103) 的规定,焊缝超声波探伤比例100 % ,合
格级别为Ⅱ级;焊缝X射线探伤比例为20 % ,合格级别为Ⅱ级。穿越段进行100 %X 射线探伤,合格级别
为Ⅱ级。
管道施工焊接技术
国内外管线常用的焊接技术
国外管道焊接施工经历了手工焊和自动焊的发展历程。手工焊主要为纤维素焊条下向焊和低氢焊条
下向焊。在管道自动焊方面,前苏联研制的管道闪光对焊机,在前苏联时期累计焊接大口径管道数万公
里。其显著特点在于效率高,环境适应能力强。美国CRC 公司研制的CRC 多头气体保护管道自动焊接系
统,由管端坡口机、内对口器与内焊机组合系统、外焊机三大部分组成;到目前为止,累计焊接管道长度超
过30000 千米。法国、前苏联等其他国家也都研究应用了类似的管道内外自动焊技术,此技术已成为当今
世界大口径管道自动焊技术发展主流方向。
我国钢质管道环缝焊接技术经历了几次大的变革,七十年代采用传统焊接方法,低氢型焊条手工电弧
焊上向焊操作技术;八十年代初开始推广手工下向焊工艺,同时研制开发了纤维素型和低氢型向下焊条,
与传统的向上焊工艺比较,向下焊具有速度快、质量好,节省焊材等突出优点,因此在管道环缝焊接中得到
了广泛的应用;90 年代初开始推广自保护药芯焊丝半自动手工焊,有效地克服了其它焊接工艺方法野外
作业抗风能力差的缺点,同时也具有焊接效率高、质量好且稳定的特点,成为现今管道环缝焊接的主要方
式。
归纳目前国内外管道常用焊接方法主要有:
(1) 手工焊,包括药皮焊条电弧焊(SMAW) 、手工钨极氩弧焊(TIG) ;
(2) 半自动焊,包括熔化极气体保护半自动焊[含活性气体保护STT(Surface Tension TransferTM) 半自动
焊、半自动熔化极氩弧焊(MIG) 、半自动活性气体保护焊(MAG) ] 、自保护药芯焊丝电弧焊(FCAW) ;
(3) 熔化极活性气体保护自动焊(AW) ;
(4) 埋弧自动焊(SAW) 、电阻焊- 闪光对焊(FBW) 等。
本工程中应用的焊接技术
在上述对国内外管道焊接技术分析的基础上,结合本工程实际情况,因工程选用管材为L290711 ×11
螺旋缝双面埋弧焊钢管,其管径和壁厚都较大,同时鉴于公司目前焊接设备配备状况,在管道连接中采用
手工氩电联焊技术,即:手工钨极氩弧焊(TIG) 打底、手工电弧焊盖面的组合焊接技术。
焊接工艺
(1) 焊接工艺评定:
为检验制定的焊接工艺技术的可靠性和可操作性,施工前,按JB4708 - 2000《钢制压力容器焊接工艺
评定》、SYPT4103《钢质管道焊接及验收》及GB50236 - 98《现场设备工业管道焊接工程施工及验收规范》标
准规定的指标进行的焊接工艺评定,报监理进一步确认。并根据工艺评定编制相应焊接工艺作业指导书,
指导现场焊接施工。工艺评定适用范围见下表1。
(2) 焊接工艺指导书中制定了相应焊接工艺控制技术参数(见表2) 及焊接材料(见表3) 。
(3) 焊接接头坡口形式:
在施工现场采用坡口机加工管件坡口,坡口角度为32. 5°±2. 5°,钝边为1. 5 ±0. 75mm;加工好坡口的
管件,如不能及时组对,按要求堆放好,备用。
表1 焊接工艺评定项目适用范围对照表
评定标准评定方法适用范围
SYPT4103《钢质管道焊接及验收》Ⅱ类(L290) 钢管手工氩电联焊对接焊缝L290 材质钢管对接焊缝、弯头与直管对接
表2 氩电联焊工艺控制技术参数
焊接方法层次
填充金属
牌号直径mm
极性
焊接电流
(A)
电弧电压
(V)
焊接速度
(cmPmin)
钨极直径
mm
喷嘴直径
mm
气体流量
LPmin
TIG 根层J50 2. 4 直流正极135 - 145 17 - 19 10 - 25 3. 2 7 9
D 1 T427 3. 2 直流反极90 - 110 21 - 23 20 - 30
D 2 T427 3. 2 直流反极90 - 110 21 - 23 20 - 30
表3 碳素钢焊接选用的焊接材料
钢号
手工焊焊条
型号对应牌号
氩弧焊打底焊丝牌号
20 # 、L290 E4303 J422 J427 TIG- J50
L290 + 16MnR E4315 J427 TIG- J50
(4) 预热与层间温度控制:
预热的主要目的是为了降低钢材的淬硬程度,延缓或改善焊缝的冷却速度,以利于氢的逸出和改善应
力条件,从而降低接头的延迟裂纹倾向。管道焊接施工的预热温度范围应考虑母材的强度、组织性能变化
规律、管径和壁厚,以及焊接材料的含氢量等因素。对于厚壁钢管的多层焊,还要考虑控制焊道层间温度
来控制近缝区的冷却速度。层间温度一般与预热温度相近。在避免近缝区过热的前提下,较高的层间温
度可防止多层焊时冷裂纹的产生。本工程在施工中当焊件温度低于0 ℃时,将所有焊缝始焊处100mm 范
围内预热到15 ℃以上。
4. 4 焊接质量控制
(1) 由于现场施焊条件差,因此对焊工的技能要求更为严格。参与管道焊接的焊工除必须具有锅炉压
力容器焊工合格证外,且必须通过业主及监理组织的现场模拟考试方可上岗。
(2) 加强焊接设备的管理。根据焊材要求和施工条件,选用直流逆变氩弧焊P手工焊专用焊机,焊机性
能必须稳定,功率等参数应能满足焊接条件;现场配置的焊机应处于良好的工作状态,具备良好的安全性
能,有较强适用于露天的工作性能。
(3) 加强焊接材料的管理。管道焊接采用焊材必须有产品合格证和同批号的质量证明书,严格按规定
保管、烘烤、发放;氩气使用前应检查瓶上的合格证,要求氩气纯度≥99. 96 %以上。
(4) 加强工序管理。正式焊接前,分别对装配质量、坡口清理、临时支撑或固定设施、预热、焊条烘烤等
焊前准备工作逐项确认。
(5) 严格工艺评定管理。在施焊过程中,应严格按照工艺评定所确定工艺技术参数实施焊接作业控
制,克服工艺评定与施工现场参数控制不一致的现象。
(6) 焊接裂纹的预防措施:
a. 采取焊前预热,管口净化并确定合理的焊接顺序,可较大程度地减少焊接应力,控制焊接变形。
b. 高度重视焊缝始端和终端的质量。始端采用后退引弧法,终端须将弧坑填满。多层焊的每层接头
应予以错开。
c. 拆除对口器等工、卡具时不得伤及管道焊缝。拆除后应打磨平滑,并进行磁粉或渗透探伤检查。
d. 每条焊缝宜采用连续焊接,不得随意中断,如因故中断,在继续焊接前,首先应确认焊缝无裂纹,同
时根据工艺要求采取预热措施,方可按原工艺要求继续施焊。
e. 焊接后宜立即对焊缝实施后热消氢处理,操作过程中应按要求保证加热温度与保温时间。
f . 焊缝如出现气孔、裂纹等缺陷,应磨去重焊。并严格控制返修、补焊工艺。
g. 焊缝同一部位的补焊次数不宜超过两次,如超过,补焊前应经单位技术总负责人批准,并采取可靠
的技术措施;所有修补的焊缝长度,均应大于50mm。
(7) 在管道焊接施工过程中应考虑到钢管所承受的外部应力作用带来的影响。同时应考虑环境温度、
环境湿度和环境风速对不同焊接方法的影响,采取必要的措施保证焊接质量。
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