施昊彤 陈海翔 王金汉 蔡 亮

（1.国家管网集团建设项目管理分公司西四线甘宁（新疆）项目部，宁夏 中卫 755000；2.中国石油管道局工程有限公司第三工程分公司，河南 郑州 451450；3.国家管网北方管道公司沈阳调度中心，辽宁 沈阳 110031；4.中航油京津冀物流有限公司，天津 300300）

1 高钢级管道焊接技术需求

X80钢级管道是国内外新建大型管道工程的首选钢级，随着在山区、高寒等环境恶劣地区建设长输管道，对焊接质量和效率提出更高要求[1]。国外长输管道广泛采用熔化极气保护自动焊技术（GMAW），焊接工艺成熟、设备系列化。中俄东线天然气管道是典型高钢级、大口径、高压力长输管道，管材L555M低合金高强度管线钢管，设计输量380×108m3/a、设计压力12MPa、管径1422mm。建设施工环境温度低（寒季平均温度-24℃～-14℃）。中俄东线高钢级、大壁厚和低温特征对焊接工艺性能、效率、坡口加工、管口组对要求更高。应系统总结中俄东线在建设施工中焊接工艺技术的工程实践和经验教训，有助于改进我国高钢级管道焊接工艺技术，提高管道建设施工水平。

2 高强钢管道焊接技术难点和瓶颈问题

高钢级管道焊接中存在以下技术难点和瓶颈问题：

（1）热影响区脆化/软化。西气东输三线、中贵线、中缅油气管道施工采用半自动焊技术，焊接热输入量控制不规范，产生热影响区软化情形，焊缝金属夏比冲击韧性离散问题；

（2）高钢级管材屈强比增大，管道抗侧向弯曲能力降低，应用于高寒冻土区、地质灾害多发区和地震断裂带时失效风险增大，特别是针对环焊接头机械性能提出更高要求；

（3）我国钢管厂L555M钢管制造产品机械强度存在差异，屈服强度最大偏差可达200MPa，造成钢管强度高、环焊接头强度低的不匹配问题。

3 高钢级管道自动焊关键技术要素

3.1 焊接工艺设备

中俄东线管道干线采用全自动焊（熔化极气保护实心焊丝电弧焊），自由连头采用组合电动焊（熔化极气体保护药芯焊丝电弧焊）。环焊缝采取下向焊、上向焊及其组合的方式。全自动焊设备是内焊机和双焊炬外焊机，保护气体成分是80%氩气和20%二氧化碳气体。全自动焊优点是环焊接头强度韧性良好，临界韧脆转变温度高达-60℃。缺点是熔宽较窄、熔深较浅，对坡口尺寸和组对精度容错性非常敏感，可能产生坡口壁未熔合缺陷。组合自动焊设备是单焊炬外焊机，保护气体成分是80%氩气和20%二氧化碳气体。组合自动焊优点是环焊接头强度和韧性较好，临界韧脆转变温度可达-30℃；对坡口尺寸和组对精度容错性宽泛，产生未熔合缺陷几率小。缺点是不适用过窄坡口，焊接填充量大，影响焊接效率；焊接过程有造渣、造气机制，可能产生气孔、夹渣等缺欠。组合自动焊采用现场坡口机加工。

3.2 焊接材料

X80管线钢管容焊性较好，宜采用低氢型焊接材料，需考虑环焊接头与母材等强或高强匹配问题。

（1）全自动焊工艺采用实心焊丝，焊丝产品质量差异化是影响焊接质量的重要因素，包括焊丝光洁度、直径偏差、输丝力度、绕丝条理度、镀铜工艺、引电嘴磨损水平等因素决定了电弧质量、热量、温度及稳定性，进而影响焊接质量。全自动焊设备通常使用定制焊丝，例如CRC焊机焊丝、Serimax焊机焊丝等。实心焊丝产生焊缝机械强度高于熔敷金属约100MPa，因此选择焊丝比母材抗拉强度低1个等级；

（2）单焊炬自动焊采用药芯焊丝，对现场环境、保护气体等级敏感，如环境潮湿，或者气体纯度、配备、流量有误，产生一氧化碳气孔缺陷。药芯焊丝产生焊缝金属强度与熔敷金属强度基本相当，因此焊丝选择与母材抗拉强度相等的等级。

3.3 坡口加工

全自动焊坡口加工关键3项技术参数是坡口表面宽度指、拐点距离内侧高度值和钝边高度值。坡口表面宽度值是8mm，最佳实践宽度范围是7.7～8.4mm之间，可保证双焊炬盖面焊道一次成型。拐点距离内壁高度值选择5.25mm，钝边高度值是1.0mm，可保证热焊层完全焊透，并与根焊缝良好熔合。

质量合格的坡口技术条件为：满足钝边与内坡口圆滑过渡，拐点处无凹坑，钝边和拐点高度符合焊接标准规范。现场加工的坡口应在24h内完成作业，坡口两侧15cm内清洁无杂质，满足超声无损检测对钢管表面粗糙度要求。坡口两侧2cm范围内打磨出金属光泽，满足焊接前坡口技术条件。

3.4 组对精度

全自动焊对坡口尺寸和组对精度容错范围要求很高，要求偏差不超过0.5mm，超过该指标即造成坡口壁未熔合缺陷。钢管吊管下沟作业应保持结构稳定性，避免强力组对产生应力集中。满足焊接要求的组对管口，错边量不大于2.0mm且沿管口均匀布置。组合焊对坡口尺寸和组对精度的容错能力较低，偏差超过2.0mm才会造成坡口壁未熔合缺陷。

3.5 焊接前预热

焊接前预热目的是预防冷裂纹。高钢级、大壁厚需要多层焊以及低温环境下，焊接前应预热。综合国外高钢级管道焊接实践，X80钢级管道预热温度范围为100℃～150℃，多层焊的道间温度应高于60℃。焊接预热可采用火焰加热、环形火焰加热方式。中俄东线冬季严寒低温和大风条件下采用中频加热方法，并采用电伴热措施，保证预热温度和道间温度满足上述要求。如焊接意外中断，重新焊接前重新加热至预热温度。

3.6 焊接施工技术要点

全自动焊和组合自动焊在专用防风防雨棚进行。引弧在坡口内或已完成焊缝进行，不允许在钢管表面引弧。高钢级管道焊接应特别重视环焊缝及热影响区，严格控制焊接工艺参数，例如严格控制焊前预热温度，严格控制焊接热输入量在较小数值（线能量小于58kJ/cm）。根焊焊接应避免熔合不良、未焊透及内咬边缺陷，保证机械性能条件下提高焊接效率。

焊接如产生气孔缺陷，将缺陷打磨去除，整形出新坡口后进行修复焊接。修复焊接单个焊缝不小于10cm，总长度不大于1/3钢管周长。现场切割焊口切割宽度应超过盖面焊道两侧约5mm，整体去除焊缝热影响区。全壁厚管段返修应进行整体预热，非全壁厚管段返修应对返修区域及上下各100mm区域进行预热。

4 高强钢管道焊接工艺评定

4.1 环焊接头强度试验

为增强管道抗侧向弯曲性能，要求环焊接头具备与母材等强或高强匹配性能。钢管在不同方向上强度指标呈现各向异性，直缝埋弧焊钢管其管体纵向强度略低于横向强度。国家标准GB/T 9711-2017《管道输送系统用钢管》规定拉伸试验断裂在母材的抗拉强度基准值不小于95%钢管公称抗拉强度。调研我国7家钢管厂X80钢管实际强度指标，近50%达到X90等级。中石油标准Q/SY 0503-2016《中俄东线天然气管道工程技术规范》规定L555M钢管实际强度差异范围不超过140MPa，避免由于钢管制造强度过高、环焊接头低强匹配的问题。

4.2 环焊接头韧性试验

为预防环焊缝开裂失效，进行夏比冲击韧性试验。在环焊接头的焊缝和熔合线处提取试样，试样冲击功最小值高于38J，三个试样冲击功平均值高于50J，测试温度为-20℃，并测定-30℃冲击功。中俄东线设计温度-5℃，管道干线夏比冲击韧性试验温度为-10℃，考虑管道冬季焊接施工过程焊缝开裂风险，环焊缝韧性试验温度降至-20℃，环焊缝试验条件严于管道干线，保证了中俄东线建设过程中未发生矛盾争议。

4.3 环焊接头硬度试验

硬度指标反映焊缝在外力作用下抗弹性变形、塑性变形和破裂的机械性能。中俄东线L555M钢管环焊接头硬度值要求是维氏硬度值（HV10）不大于300。

5 结语

高强钢管道在预防冷裂纹和HAZ脆化方面优势显著，在环焊缝焊接中存在高低强度匹配、热影响区软化/脆化、焊接质量控制和改进焊接效率等问题。中俄东线在建设施工过程中针对高钢级管道焊接工艺技术要素进行了多项有益试验和探索。从根本解决上述问题，还应从冶金技术、制造工艺、施工条件和自动焊工艺设备等多方面加以改进解决。