西气东输工程中与先进焊接技术及设备选型

1、引言

举世瞩目的西气东输工程于2002年7月4日正式开工。中央政治局委员、国务院副总理吴邦国在开工典礼主会场通过卫星向新疆塔里木气田、新疆库尔勒、陕西延川黄土源、江苏无锡新区、上海白鹤镇等7个开工现场发出了全线开工的指令。西气东输工程全线进入正式施工阶段。为此，江泽民总书记致信祝贺西气东输工程全线开工，并对广大工程建设者寄予了殷切希望。 

西气东输工程是党中央、国务院的重大决策，是国家“十五”期间特大型基础设施建设项目，是实现西部大开发战略的重要举措。它的开工建设标志着西部大开发和能源结构调整又迈出了重大步伐。 

西气东输工程创下了建国以来管道建设的距离最长、直径和壁厚最大、管输压力最高、第一次跨越长江、第一次采用多级压缩、第一次采用X70管材、第一次采用多气源向多用户供气7项第一次的纪录。 

除西气东输工程主干线之外，大规模的城市输气管网建设也要同期配套进行。面对如此大的市场，如此难得的发展机遇，国内各行业的金属结构施工单位都跃跃欲试，希望有机会参与管道工程建设。 

输油输气管道建设具有大投资、长距离、大管径、短工期、高质量、地质条件多样、施工单位众多、大兵团作战、多工种配合、远离基地、后勤保障困难、社会依托差等特点，焊接施工技术是其中的关键施工技术，焊接工艺的制订及焊接设备的选型将对施工进度、施工质量及施工单位的经济效益产生重大影响，应引起各级领导及相关部门的足够重视。 

2、焊接工艺的制订

目前广泛采用的管道焊接方法可分为电弧焊和闪光对焊两大类。其中后者在前苏联的管道建设中得到广泛应用，但在我国尚无应用实例。本文只涉及电弧焊技术。目前在我国大型管道施工工程招标文件中一般明确规定必须采用（电弧）向下焊技术的施工工艺方法，自动化（包括半自动）率需达到70%甚至更高。因此焊接工艺的制订不得偏离这个原则。管道焊接与常规焊接类似，在工序上分为打底焊和填充、盖面焊两大步。在长期的施工实践中，人们摸索出了多种焊接工艺及其组合，现分述如下。 

2.1 打底焊工艺

2.1.1使用纤维素焊条电弧焊

纤维素向下焊焊条的药皮中有质量分数为30%-50%的有机物（纤维素），具有极强的造气功能，焊接时在电弧热的作用下可以分解出大量的CO和CO₂气体，在保护电弧和熔池金属的同时，显著增加了电弧吹力，保证了熔滴在全位置焊接时向熔池的稳定过渡，还可阻止铁水和液态熔渣的下淌，同时还有较大的熔透能力和优异的填充间隙性能，对管子的对口间隙要求不很严格，焊缝背面成形好，气孔敏感性小，容易获得高质量的焊缝，因此特别适合打底焊。  

2.1.2 使用CO₂气保护实心焊丝半自动或自动焊

美国林肯电气公司于上世纪90年代初期推出了利用表面张力控制熔滴短路过渡的STT焊机，并以柔和的电弧、极小的飞溅、良好的焊缝背面成形及使用纯CO₂气体和实心焊丝为主要特点，已成功地应用于我国陕京管道二期工程永清—大港输气管道及援外工程苏丹Muglad管道施工的打底焊中。到目前为公司为我国西气东输工程专门推出了全自动STT焊机打底焊工艺，并得到众多参观者的赞同。气保护焊接工艺的主要缺点是抗风能力差，现场施工时需采取防风措施。全自动焊接时的焊前调整较为费时，而且技术要求比较高。 

2.2 填充、盖面焊工艺

2.2.1使用铁粉低氢型焊条电弧焊

使用铁粉低氢型下向焊条进行填充、盖面焊，无论在国内和国外都有许多成功的范例，其灵活简便、适应性强的优点在我国劳动力资源相对丰富的条件下，更得到了充分的发挥。特别是近年来焊条工艺性能的改进，其熔敷效率、力学性能指标等均能满足当今管道建设的需要，在焊接自动化率要求不高的场合是十分适用的。

2.2.2 使用自保护药芯焊丝半自动焊

与焊条电弧焊相比，自保护药芯焊丝半自动焊的生产效率高、焊接质量好、综合成本低。特别是自保护药芯焊丝的焊接工艺性能优良，电弧稳定，成形美观，能实现全位置（向下）焊接，抗风能力强，尤其适宜于野外施工，已在涩—宁—兰管道施工中被明确指定使用。

2.2.3 使用CO₂气保护实芯焊丝自动焊

CO₂气体保护短路过渡焊以其小电流、低电压、细直径实芯焊丝、短路过渡为主要特点，向下焊时熔池体积小、可实现全位置焊接及抗锈低氢的内在优势，特别适合于填充焊。盖面焊由于对焊缝成形有较高的要求，一般应选用混合气体（Ar80%-85%，CO₂ 15%-20%）。上述组合可使气保护实芯焊丝全自动焊接工艺在长距离输油输气管道建设中占有一席之地。

3 焊接设备的选型

焊接设备的选型与焊接工艺的制订应同步进行，该项工作的特点是涉及较大的投资，如选择不当将蒙受较大的经济损失并造成延误工期带来的各种负面影响等，施工单位对此应十分重视并谨慎从事。其基本原则是在满足焊接质量及施工进度的前提下，尽量选择低成本的焊接设备以求得最大的经济效益。

管道焊接施工的特点是流水作业，某个焊工只焊接每个焊口的一道焊缝，焊接工艺参数相对固定，这就为焊接设备的选型提供了多样性和灵活性。但其流水作业形式和野外施工的特点也对焊机的可靠性提出了较高的要求。

管道焊接施工对焊接设备的一般要求是：性能满足使用要求，容量有较大裕量，故障率低，现场维修容易。焊机组合尽量采用积木式结构，例如移动式电站+直流弧焊电源+送丝机（焊条电弧焊时不用送丝机）。移动式电站可选)50kW的（在海拔超过3000m的高原地区施工时应选择75kW的），它可同时带动2台额定电流为400A的弧焊电源，当焊接电流不超过250A时完全能满足要求。现根据不同的焊接工艺分述如下：

3.1 纤维素焊条电弧焊设备

纤维素焊条使用直流正接，并且不采用短路过渡形式。按道理讲一般的直流焊机应能满足要求，但使用一般的直流焊机时却容易出现电弧不稳、粘条、断弧等问题。根据有关研究证明需将ZX5系列焊机的棒形线性电抗器改为口字形的可饱和电抗器或将ZX7系列焊机的静特性曲线重新设计，以满足其要求。可供选择的焊机有：

新乡电气控制设备厂的ZX5-400,北京时代公司的ZX7-400,美国林肯公司的DC-400、V300-I、SAE-400美国米勒公司的Dimension 452/562、Big Blue 502等。

3.2 CO₂气体保护焊设备

无论是半自动焊还是全自动焊，美国林肯公司的STT焊机都有明显的技术优势，缺点是售价太高，常使经济实力不太强的管道施工企业望而却步。建议采取统一订货的方式，以降低订货成本；或在试用成功的基础上选购北京时代公司生产的Al20系列波控CO₂逆变焊机。

3.3 铁粉低氢型焊条电弧焊设备

与其它几种管道焊接设备相比，铁粉低氢型焊条对弧焊设备的要求较低，一般的直流弧焊设备即可满足要求，但要注意到管道焊接对焊机可靠性的要求较高。

3.4 自保护药芯焊丝半自动焊设备

美国林肯公司在推出自保护药芯焊丝半自动焊接工艺的同时，重点推出了两种焊接设备组合：DC-400弧焊电源+LN-23P送丝机及SAE-400柴油发电机式弧焊电源+LN-23P送丝机。此两种设备组合在我国已应用多年，据笔者考察由施工单位自备发电机的DC-400弧焊电源+LN-23P送丝机是较好的选择，施工时焊机的故障率较低，现场维修也较容易。国内的时代公司正将自己研制的NB系列自保护药芯焊丝半自动焊机推向市场，希望与国外著名产品在西气东输工程中一争高低。据广告介绍成都皮克电源有限公司和重庆运达焊接设备有限公司也推出了适合管道焊接的自保护药芯焊丝半自动焊机。

3.5 CO₂气体保护自动焊设备

该工艺对弧焊电源的要求不高，但对机械部分（爬行轨道、爬行小车、焊枪夹持及摆动机构）和电气部分有极高的要求，其选型的基本要求是造价低，适应性强，操作简单，焊接效率高。

英国NOREAST公司的内焊机集内对口器和内焊机为一体。美国CRC公司的内焊机还附有坡口加工装置。适用于直径为660mm（20英吋）以上管道的组对和在管道内部完成环缝的根部焊道。从管道内部进行根焊不必在管道外部设置铜垫板，这是内焊机的主要特点之一。

英国NOREAST公司、美国CRC公司、加拿大RMS公司、意大利TWP公司均生产自动外焊机。中国石油天然气集团公司管道局先后引进了英国NOREAST公司、意大利TWP公司的自动外焊机，在管道施工中取得了良好效果。

国内的中国石油天然气集团公司管道科学研究院研制的PAW型管道自动外焊机和工程技术研究院研制的APW型管道自动外焊机也都有在管道施工中成功应用的例子。管道焊接的特点是：焊接位置从平焊开始以向下焊的方式进行焊接，位置从平焊状态逐渐变化到立焊状态再逐渐变化至仰焊状态。因此焊接工艺参数（焊接速度、送丝速度、摆动宽度、摆动速度、边缘停留时间、电弧电压和焊接电流等）都要随焊接位置的变化而平滑变化。管道科学研究院的做法是将管道的半圆按时钟分成0、1……6点。焊前输入每个点的焊接工艺参数，计算机自动完成每4点之间焊接工艺参数的平滑处理；工程技术研究院的做法是：焊前输入平焊位置时的焊接工艺参数，焊接时对其实时调整。这两种做法各有特色：前者自动化程度较高，对管端和对口条件要求较高；但后者自动化程度较低，对管端和对口条件要求也较低。除此之外葛洲坝集团公司机电建设有限公司也研制出了管道全位置自动焊机，并已在三峡工程中应用。

4、西部高原地区对移动式电站的特殊要求

西部地区多为高原和丘陵，其中海拔2200m以上地区占西部地区总面积的33%，海拔3000m以上的占26%。随着海拔的升高，大气压力、空气密度和O₂随之减少（每升高100mO₂就减少10%），气温也随之下降。选择移动式电站时必须考虑到这些因素。

4.1 采用增压型发动机和多级滤清或湿式空气滤清器

西部特殊的地理位置会造成发动机功率下降、工况恶化，因此必须采用特殊的适用于高原沙漠的增压型发动机，移动式电站才能在该地区正常运转。此外，由于新疆、甘肃及青海的部分地区为沙漠地带，因而对发动机的进气过滤也有特殊要求，应该配备多级滤清或湿式空气滤清器。

4.2 必须配置低温启动装置

西部高原上的低温启动要求不像东北地区那样仅是要求低温启动，而是在严重缺氧条件下的低温启动，在-5℃时就需要考虑低温启动措施，更不用说西部-25℃的最低气温了。因此，施工单位选择的移动式电站必须配置低温启动装置，使之能够在西部高原的低温、低压情况下正常启动。

5、管道合龙时对管道的加工

当一个作业机组将若干根（通常为5-10根，长度为60-120m）管道焊接成一段管道后，就要和另一个作业机组焊成的另一段管道进行连接（俗称合龙）。由于此时进行的是所谓的封闭连接，因此不能使用管端坡口整形机来加工坡口。又由于此时需要连接的长度并非是一根管道的标准长度，因此还要对管道进行切断并在切断管道的同时加工出坡口。这道工序通常使用管道火焰自动切割机。

以往的管道火焰自动切割机采用的是磁性行走轮，利用磁性行走轮将管道火焰自动切割机吸附于管道的外表面并做周向运动对管道进行切割。当磁性行走轮的行走偏差为0.1°时，对于直径为1016mm的管道，其错边量将超过5mm，达到了工程上所能允许的1mm的5倍以上，因此，必须寻求另外的思路。

上海宣邦金属新材料科技有限公司根据西气东输工程的实际需要所研制的大直径管道火焰自动切割机保留了火焰切割使用方便的特点，舍弃了磁性行走轮而改用轨道链条防滑复合式，同时该机还具有自动补偿管径误差和椭圆误差的特点，并设计了远程控制，使操作方便，已在华北油建、廊坊管道局应用，取得了良好的效果。

6、结论

（1）西气东输工程主干线焊接工艺方案已明确以全自动焊和半自动焊为主，焊接设备的选型要以此为依据。

（2）城市输气网焊接工艺对自动（包括半自动）化率没有要求，可选择成本较低的（纤维素型及铁粉低氢型向下焊）焊条电弧焊。

（3）在管道焊接技术中，打底焊和填充、盖面焊的特点不同，焊接工艺的制订和焊接设备的选型各具特点。

（4）对焊接设备的基本要求是能保证焊接质量和工程进度，较低的故障率（包括良好的售后服务），较低的价格。对此应根据施工现场的具体情况来选择，其中积木式组合是焊接设备选型的基本要点。