趙連學(xué)(山東萊克工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營 257000)

0 引言

當(dāng)前，我國處于一個油氣管道建設(shè)的高峰時期，從2000年至今，我國已經(jīng)建成或開工的長輸管道有：西部管道(油)、西氣東輸一線(氣)、西氣東輸二線(氣)、西氣東輸三線西段和東段(氣)、川氣東送管道(氣)、陜京一線(氣)、陜京二線(氣)、陜京三線(氣)、陜京四線(氣)、澀寧蘭管道及復(fù)線(氣)、蘭成渝管道(成品油)、蘭鄭長管道(油)、忠武線(氣)、中緬管道(油、氣)、中俄東線(氣)、中俄原油管道(油)、新疆煤制天然氣外輸管道(氣)、榆濟(jì)管道(氣)、冀寧線(氣)、青寧管道(氣)、日濮洛管道(油)及沿海LNG配套外輸管道(氣)等；以及近遠(yuǎn)期規(guī)劃建設(shè)的還有川氣東送二線天然氣管道(氣)、西氣東輸三線中段(氣)、西氣東輸四線(氣)、沿海大通道(氣)、中俄中線通道(氣)、中俄遠(yuǎn)東管道(氣)、中俄原油復(fù)線(油)等國家干線油氣管道。

長輸油氣管道運(yùn)輸作為運(yùn)輸行業(yè)一個獨(dú)立的運(yùn)輸系統(tǒng)，一旦建成、投產(chǎn)會日益凸顯出運(yùn)營成本低、安全環(huán)保、受外界生產(chǎn)活動影響小、不間斷運(yùn)行等優(yōu)勢。管道百分之九十九的部分均處于埋地狀態(tài)，運(yùn)行中不易受到外界干擾，安全性較高。同時長輸油氣管道因百分之九十九的部分埋在地下，管線工作中的潛伏隱患、危險被發(fā)現(xiàn)非常難，潛藏的隱患對管線周圍的設(shè)施、自然環(huán)境造成長期威脅，尤其是長距離油氣運(yùn)輸管線主要輸送易燃易爆的天然氣、原油、成品油、煤氣等介質(zhì)。因此，確保管道工程的本質(zhì)安全和管道建設(shè)質(zhì)量對管道安全運(yùn)行、延長管道使用壽命是非常重要的[1]。管道環(huán)焊縫的焊接作為長管道建設(shè)中最重要的一環(huán)，管道焊接技術(shù)選擇和發(fā)展將從根本上影響長管道建設(shè)的本質(zhì)安全，同時對管道運(yùn)輸?shù)陌踩杂兄陵P(guān)重要的作用。結(jié)合國內(nèi)長輸管道建設(shè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，長輸管道焊接技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢研究將會凸顯出重要地位。

1 我國長輸管道發(fā)展

我國長輸管道事業(yè)發(fā)展的歷程最早可以追溯至公元前二百多年的秦漢時代[2]。在1949年以前，我國長輸管道建設(shè)里程寥寥無幾，幾乎可以用“0”來形容。直到1863年，成品油在我國仍然是采用汽車公路運(yùn)輸；1942年，我國在新疆獨(dú)山子建設(shè)了第一條長度為2.5 km的原油管道；四川盆地為配合四川油氣田開發(fā)建設(shè)了部分輸氣管道，修建總長不超過30 km。第二次世界大戰(zhàn)太平洋戰(zhàn)爭爆發(fā)后，1943年8月同盟國加拿大魁北克首腦會議決定沿新建中印公路建設(shè)中印成品油管道，為亞洲戰(zhàn)場上的中國、美國、印度等部隊(duì)提供油料保障，扭轉(zhuǎn)亞洲戰(zhàn)場態(tài)勢。直到1946年1月中印成品油管道投產(chǎn)的7個月中，累計(jì)向中國輸送成品油10萬噸，中印成品油管道的建設(shè)對中國抗日戰(zhàn)爭乃至整個亞洲戰(zhàn)場均產(chǎn)生了重大意義。1949年以后，隨著我國不斷發(fā)現(xiàn)和開發(fā)大型油氣田，帶動了我國長輸管道的建設(shè)和發(fā)展。2004年，西起新疆東至上海，管徑D1 016 mm，設(shè)計(jì)壓力10.0 MPa、每年輸量170億立方米的西氣東輸管道建成投產(chǎn)，干線管道采用X70鋼級，是中國第一條橫貫東西的長距離、高壓力、大口徑天然氣輸送管道。西氣東輸管道的建成，使我國管道的建設(shè)技術(shù)水平、設(shè)計(jì)水平、施工水平等提升到了國際先進(jìn)水平。2011年，西氣東輸二線工程建成投產(chǎn)，管徑D1 219 mm，設(shè)計(jì)壓力12.0 MPa，每年輸量300億立方米，干線管道材質(zhì)采用X80鋼級，標(biāo)志著我國高壓力、高鋼級管道建設(shè)技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平[3]。自2010年至2020年間，我國還開工建設(shè)了西氣東輸三線輸氣管道西段和東段、中俄東線輸氣管道北段、中俄原油管道等大型長輸管道工程。

2 長輸管道焊接技術(shù)

隨著我國社會主義市場經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，國家科學(xué)技術(shù)水平不斷進(jìn)步，國家建設(shè)步伐進(jìn)一步加大，資源供給保障已成為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可或缺的一部分，安全穩(wěn)定的資源供給是可持續(xù)發(fā)展的有力保障。同時，我國具有幅員遼闊、資源分布不均勻的特點(diǎn)，為合理調(diào)配、保障資源調(diào)配，解決資源分布不均問題，長輸管道擔(dān)任著流體資源的運(yùn)輸調(diào)配任務(wù)，因此，長輸管道的運(yùn)行安全是管道建設(shè)的重中之重。結(jié)合長輸管道輸送距離長、管道材質(zhì)為鋼管、埋設(shè)于地下隱蔽性好、運(yùn)行壓力高，帶壓修復(fù)困難大，危險性高、輸送介質(zhì)易燃易爆、安全隱患發(fā)現(xiàn)困難等特點(diǎn)，并通過國內(nèi)外管道建設(shè)和運(yùn)行過程中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，焊縫質(zhì)量直接影響管道運(yùn)輸效率和運(yùn)輸安全。管道環(huán)焊縫的焊接作為長管道建設(shè)中最重要的一環(huán)，管道焊接技術(shù)選擇和發(fā)展將從根本上影響長管道建設(shè)的本質(zhì)安全，同時對管道運(yùn)輸?shù)陌踩杂兄陵P(guān)重要的作用。

2.1 長輸管道焊接技術(shù)的發(fā)展過程

從長輸管道焊接技術(shù)應(yīng)用發(fā)展至今，管道焊接工藝隨著管道建設(shè)技術(shù)水平、設(shè)計(jì)技術(shù)水平的提高，經(jīng)歷了從板材、焊材、管材、焊接工藝、焊接設(shè)備、焊接環(huán)境要求等多方面的發(fā)展。焊接學(xué)科技術(shù)發(fā)展涉及焊接材料、焊接工藝技術(shù)、焊接設(shè)備、焊接人才培養(yǎng)等全產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。焊接材質(zhì)的變化主要由焊條到藥芯焊絲，藥芯焊絲到實(shí)心焊絲的轉(zhuǎn)變與應(yīng)用。焊接工藝的變化主要由從手工焊到半自動焊，半自動焊到組合自動焊、組合自動焊到全自動焊的發(fā)展；焊接設(shè)備由手工焊接到半機(jī)械化的自動焊接到全機(jī)械化的自動焊接；焊接人才培養(yǎng)從單一的師傅帶徒弟到規(guī)模化的專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)，使得長輸管道焊接技術(shù)發(fā)展為高效環(huán)保、安全可靠、經(jīng)濟(jì)效益、社會效益均得到提高。同時，結(jié)合長輸管道焊接位置、環(huán)境、條件等影響，在使用中依然是焊條電弧向上焊、焊條電弧向下焊、自保護(hù)藥芯半自動焊，組合自動焊、全自動焊相結(jié)合的方式在工程中應(yīng)用。

2.1.1 焊條電弧向上焊技術(shù)

20世紀(jì)70年代至80年代，我國的長輸管道焊接工藝大多采用的是低氫焊條電弧向上焊技術(shù)。低氫焊條電弧向上焊工藝具有應(yīng)用靈活、可控性強(qiáng)，同時也具有受焊工技術(shù)水平及焊接環(huán)境影響大的特點(diǎn)。因此低氫焊條電弧向上焊工藝雖然在管道建設(shè)中應(yīng)用廣泛，但焊接過程中容易產(chǎn)生夾渣、氣孔等焊接缺陷，且具有焊接效率低，焊接質(zhì)量差的缺點(diǎn)。

2.1.2 焊條電弧向下焊技術(shù)

20世紀(jì)80年代，陜京一線、澀寧蘭管道、京津航煤管道的建成投產(chǎn)標(biāo)志著焊條電弧向下焊技術(shù)在我國油氣管道建設(shè)中大規(guī)模應(yīng)用。焊條電弧向下焊技術(shù)的發(fā)展從全纖維素型發(fā)展到混合型，從混合型發(fā)展到復(fù)合型，經(jīng)歷了以上三個階段的發(fā)展，推動了焊條電弧向下焊技術(shù)的進(jìn)步。

(1)全纖維素型向下焊接技術(shù)。全纖維素型向下焊接工藝由于焊材采用纖維素成分，其焊水濃度較低，熔解率高、焊接速度快，提高了管道環(huán)焊縫焊接效率，降低了管道建設(shè)過程中的焊接成本。

(2)混合型向下焊接技術(shù)?；旌闲偷南蛳潞附庸に囋陉兙┮痪€開始廣泛應(yīng)用，但根據(jù)實(shí)際使用情況此焊接工藝體現(xiàn)出了其對長距離管道長距離焊接安裝、使用的環(huán)境復(fù)雜、氣候條件惡劣的管道上的優(yōu)勢?；旌闲拖蛳潞附蛹夹g(shù)采用的是焊縫多層焊接，即采用全纖維素型向下焊打底，接著再進(jìn)行填充焊接和蓋面焊接來完成焊接工作，極大改善了焊縫質(zhì)量，同時減少了每道環(huán)焊縫的焊接時間，從而大大提高了管道環(huán)焊縫焊接效果和焊縫質(zhì)量，也減少了焊縫焊接過程中缺陷的產(chǎn)生。

(3)復(fù)合型向下焊接技術(shù)。復(fù)合型向下焊接技術(shù)應(yīng)用廣泛，從西氣東輸管道的大口徑高鋼級干線管道到入戶城市管網(wǎng)均可采用，以其靈活便捷、適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在長輸管道行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。復(fù)合型向下焊接技術(shù)將打底焊填充向下焊與蓋面向上焊結(jié)合的一種焊接工藝，發(fā)揮了不同焊接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，補(bǔ)齊了不同焊接技術(shù)的短板，大幅度提高了焊接質(zhì)量。

2.1.3 自保護(hù)藥芯半自動焊

自保護(hù)藥芯半自動焊是我國特有的油氣管道焊接技術(shù)，該技術(shù)雖自國外引進(jìn)，但國外無長輸管道焊接應(yīng)用基礎(chǔ)。自保護(hù)藥芯半自動焊是指在焊接過程焊絲自帶藥芯燃燒產(chǎn)生的保護(hù)氣體將管道環(huán)焊縫焊接環(huán)境與空氣進(jìn)行了隔絕，有效保護(hù)了焊接過程中的焊縫成型，避免了焊接缺陷的產(chǎn)生。自保護(hù)藥芯半自動焊具有自身抵抗風(fēng)險環(huán)境能力強(qiáng)、焊縫成型好、焊接接頭的應(yīng)力水平好、焊縫質(zhì)量高、設(shè)備簡易等優(yōu)點(diǎn)。

2.1.4 全自動焊

全自動焊是將管道置于相對固定的狀態(tài)下，采用機(jī)械帶動焊槍沿固定路徑和管道圓周進(jìn)行運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)對管道環(huán)焊縫進(jìn)行自動焊接。全自動焊技術(shù)從輸出電流、焊接速度、熱量輸入、坡口尺寸等方面最大程度上進(jìn)行了數(shù)字化控制，提高了管道環(huán)焊縫焊接質(zhì)量、焊接效率及焊接穩(wěn)定性，降低了焊接技術(shù)工人的焊接作業(yè)勞動強(qiáng)度。缺點(diǎn)是：對管道管口橢圓度、坡口形式、焊接環(huán)境等的外部條件處理要求高。

2.1.5 組合自動焊

組合自動焊是對手工焊焊條焊或半自動焊根焊和全自動焊填充蓋面的組合使用方式的稱謂，組合自動焊的發(fā)展使全自動焊接在整個焊接過程中提高了使用率，具有使用條件相對全自動焊要求低的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 長輸管道運(yùn)行中反應(yīng)的焊接問題

隨著國內(nèi)管道運(yùn)行里程的增加，管道發(fā)生了多起爆燃事故。事故原因不一，其中也凸顯了管道環(huán)焊縫存在的問題，如：中緬天然氣管道、泰青威天然氣管道、西二線東段樟樹—湘潭聯(lián)絡(luò)線事故調(diào)查結(jié)果均反應(yīng)焊縫存在一定的問題。結(jié)合上述管道事故反應(yīng)的環(huán)焊縫問題分析得知：長輸管道受地形條件、施工環(huán)境等影響，環(huán)焊縫易產(chǎn)生的缺陷主要包括裂紋、燒穿、夾渣、氣孔、未焊透、未熔合等。因此提高管道環(huán)焊縫質(zhì)量，降低管道事故率勢在必行。

2.2.1 中緬天然氣管道

依據(jù)中石油中緬天然氣管道黔西南州晴隆段“6.10”泄漏燃爆較大事故調(diào)查報(bào)告，事件的直接起因是由于管線環(huán)焊縫脆性斷裂，由此造成了管線內(nèi)的大量天然氣泄漏，與空氣混合產(chǎn)生了超過爆炸極限的爆炸性混合氣體，爆炸性混合氣體遇到天然氣氣流與管道斷裂處因?yàn)閺?qiáng)烈摩擦產(chǎn)生的靜電，引起了管道燃燒爆炸。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)以下幾方面問題：(1)現(xiàn)場焊接質(zhì)量不符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；(2)管道環(huán)焊縫在復(fù)雜的組合載荷作用下，出現(xiàn)了脆性斷裂；(3)管道環(huán)焊縫現(xiàn)場焊接作業(yè)時執(zhí)行項(xiàng)目焊接工藝規(guī)程不到位；(4)施工階段對無損檢測合格標(biāo)準(zhǔn)要求較低；(5)施工現(xiàn)場工程質(zhì)量管控不嚴(yán)。

2.2.2 泰青威天然氣管道

根據(jù)泰青威管道“3.20”泄漏著火事故調(diào)查報(bào)告，事故最直接的原因是事故段管道環(huán)焊縫斷裂，主要表現(xiàn)在環(huán)焊縫出現(xiàn)了未熔合、氣孔等原始缺陷，管道環(huán)焊縫焊接質(zhì)量較差。運(yùn)行過程中，在組合載荷作用下，管道破裂，導(dǎo)致天然氣泄漏著火事故。

2.2.3 西二線東段樟樹—湘潭聯(lián)絡(luò)線

西二線東段樟樹—湘潭聯(lián)絡(luò)線XTGE052-XTGE053樁間天然氣管道。管道失效的原因?yàn)橥獠吭蚝蛢?nèi)部原因共同作用所致。外部原因?yàn)楣I(yè)園區(qū)管道沿線原始地貌為水稻田和魚塘，地基濕軟，工業(yè)園在高填方作業(yè)時，未對埋地管道進(jìn)行任何保護(hù)，直接回填大量的填方并進(jìn)行碾壓，使得管道所在地段周圍的土體發(fā)生沉陷和側(cè)向擠壓，管道上部和測向形成巨大載荷施加在管道上，造成管道受外力過大。內(nèi)部原因?yàn)榄h(huán)向焊口存在缺陷，雖然缺陷處于可接受范圍內(nèi)，但強(qiáng)度不夠高。

2.3 長輸管道焊接設(shè)計(jì)

近幾年川氣東送管道、泰青威天然氣輸氣管道、中緬天然氣管線、新大一線、西二線東段樟樹—湘潭聯(lián)絡(luò)線等長距離輸送管線均出現(xiàn)過管道爆燃事件，根據(jù)有關(guān)調(diào)查報(bào)告，產(chǎn)生爆燃事故的原因有：環(huán)焊縫存在未熔合缺陷問題、環(huán)焊縫存在氣孔缺陷問題、施工管理混亂、焊縫應(yīng)力集中、第三方災(zāi)害因素導(dǎo)致管道焊縫斷裂等問題，側(cè)面證明了管道焊接過程中現(xiàn)場焊縫焊接質(zhì)量不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和焊接過程中執(zhí)行焊接工藝規(guī)程不嚴(yán)等問題，管線環(huán)焊縫在管線所受到的組合載荷的的影像下發(fā)生了脆性斷裂，不等壁厚焊接存在強(qiáng)力對口焊接等。

根據(jù)長距離油氣輸送管道設(shè)計(jì)制造有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，長輸管線設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)包括壁厚相同的直管段焊接、壁厚不同的直管段焊接、壁厚不同的直管段與彎管焊接等多種環(huán)焊縫焊接組合，按照類型分為等壁厚焊接和不等壁厚焊接[4]。結(jié)合管道焊接施工過程中的焊接實(shí)際劃分有以下幾種環(huán)焊縫需要特別設(shè)計(jì)：固定口連頭、返修口、不等壁厚焊口[5]。

2.3.1 固定口連頭焊接

固定口連頭，俗稱碰死口，受管道的連頭位置和不允許回填長度要求，兩側(cè)未回填直管段熱脹冷縮對連頭口的影響也很大，在焊接過程中隨著連頭位置環(huán)境變化也可能會引起坡口形狀的改變。固定口連頭環(huán)焊縫在整個焊接過程中，受到了很大的約束應(yīng)力，即應(yīng)力集中。固定口連頭焊接可以采用手工焊、半自動焊、組合自動焊等焊接工藝，根據(jù)管道建設(shè)環(huán)境特點(diǎn)，選取最優(yōu)的焊接工藝方案，有利于提高固定口連頭焊接質(zhì)量。

2.3.2 返修口焊接

返修，是針對開展過無損檢驗(yàn)但不合格的金屬焊縫進(jìn)行返修焊作業(yè)的俗稱。主要考慮返修工藝要求具有對焊接作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)，返修作業(yè)技術(shù)比較靈活，返修焊接產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定安全等優(yōu)勢，可以更好地適應(yīng)不同返修位置的焊接作業(yè)。

2.3.3 不等壁厚焊口焊接

不等壁厚環(huán)焊縫焊接技術(shù)主要表現(xiàn)在隨管道地區(qū)等級而發(fā)生變化的對焊、管道變向時直管段與熱煨的對焊、大中型穿跨越與一般線路段的連接對焊等。不等壁厚焊接接頭的焊接，一般面臨著以下困難：(1)由于焊接口兩端的鋼管壁厚差異，工人必須具備相當(dāng)嫻熟的操作技術(shù)方可確保薄壁側(cè)與等壁厚側(cè)環(huán)焊縫同時完成；(2)在生產(chǎn)過程中對熱煨彎管和直管的管端橢圓度的要求并不相同，從而造成了熱煨彎管和直管組對焊接時產(chǎn)生了很大的焊接口錯邊量；(3)薄壁鋼管上的射線檢測底片黑點(diǎn)過大，不同限度遮擋了焊趾部位的缺欠，從而形成了錯誤的檢驗(yàn)結(jié)果；(4)薄壁鋼管側(cè)的焊趾處，由于在焊口處形成的突變造成了很大的應(yīng)力集中。因此，不等壁厚焊口的設(shè)計(jì)影響焊接工藝選擇和焊縫質(zhì)量。

2.4 長輸管道焊接技術(shù)發(fā)展方向

隨著國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司的成立，我國管道建設(shè)將迎來新的變化，管道建設(shè)的管徑、壓力、鋼級均穩(wěn)步提升，管道建設(shè)水平也正在邁向數(shù)字化、智能化。同時隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，能源安全的地位將會越來越高，因此管道建設(shè)的安全性將是管道建設(shè)的重中之重，管道焊接技術(shù)水平也將向著自動化方向發(fā)展，以提高管道建設(shè)水平和管道焊接的穩(wěn)定性，減少人為因素導(dǎo)致的各類缺陷和問題。

近年來，我國在石油天然氣管道輸送、制造、建設(shè)、運(yùn)營管理等方面均有較大突破。目前已經(jīng)掌握了易凝高黏原油運(yùn)輸關(guān)鍵技術(shù)，并開展了高壓輸送油氣管線斷裂控制技術(shù)的研究，研發(fā)了使用大口徑高壓高鋼級管道工程建造關(guān)鍵技術(shù)，并提出了管線的全生命周期及完整性管理和全國油氣管線集中控制等技術(shù)。陸上已經(jīng)建成了西北、東北、西南地區(qū)油氣進(jìn)口通道，因此管道的安全與有效運(yùn)營成了我國油氣管道的核心主題。但管道的建設(shè)與運(yùn)營管理仍存在著許多挑戰(zhàn)，且相關(guān)科技水平還有著很大的提升空間[6]。由此我國長輸管道焊接技術(shù)將以安全為前提，向著高鋼級管道焊接、焊接自動化、焊接可靠性和焊接數(shù)字化方向發(fā)展。

3 結(jié)語

我國長輸管道已經(jīng)建成以陸上油氣管道為主，海底管道為輔的相對完善的能源輸送網(wǎng)絡(luò)。我國將在未來一定時期內(nèi)持續(xù)加大長輸油氣管道建設(shè)力度，按照國家規(guī)劃盡快完善全國骨干管網(wǎng)建設(shè)，構(gòu)建成以海上、陸上相結(jié)合，調(diào)配靈活合理、安全可靠的長輸管道運(yùn)輸體系。帶動我國長輸管道焊接技術(shù)以安全為前提，向著高鋼級管道焊接、焊接自動化、焊接可靠性和焊接數(shù)字化方向發(fā)展。