摘要：隨著我國能源工業的發展和能源結構的調整，管道工程建設迅猛發展。焊接技術作為長輸油氣管道工程施工的關鍵技術，直接關系到工程質量、施工效率、施工成本、以及管線運行期間的安全可靠性和經濟效益。
針對長輸油氣管道工程焊接施工的特點，本文系統地介紹了管道焊接施工技術、選用原則和國內外現狀，主要包括焊接材料、焊接設備、焊接方法、焊接工藝等方面。 
    關鍵詞： 油氣管道；管線鋼； 自動焊；
0 前言 
    長輸管道作為遠距離油氣輸送的主要方式，隨著我國能源工業的發展和能源結構的調整，管道工程建設迅猛發展。截止2003年底，輸油氣管道累計長度45865Km，居世界第六位；其中原油管道15915 Km、天然氣管道21299 Km、成品油管道6525 Km、海底管道2126 Km。“西氣東輸”、“冀寧聯絡線”、“陜京二線”、“西部管道”等國內大型管道工程相繼建成投產或即將完工，跨國管道“中哈管線”也即將完工，與俄羅斯及鄰國、中亞等國的管線建設一直都在緊張籌劃中。據國家規劃，至2020年，我國油氣輸送管道基本形成分布合理、聯絡成網、互相調配、安全可靠、覆蓋全國主要區域的油氣管網，滿足社會經濟發展和人民生活需要。 
    管道施工中的環焊部位是失效事故的多發位置，管道焊接技術是施工中必須確保的關鍵技術，不僅直接關系到工程的焊接質量、施工效率和成本，而且對管線運行期間的安全可靠性和經濟效益也有重要影響。 
    因此，開展管道工程的焊接技術研究，提高焊接技術水平，是現代優質、高效施工的必然要求。
1． 管線鋼的焊接性 
    為了增加管道輸送量和降低工程成本、滿足越來越苛刻的使用條件要求，大口徑、耐高壓、薄壁化的高強韌性管線鋼是發展趨勢。國產高強X70管線鋼在“西氣東輸”工程中全面使用，X80目前僅在冀寧管道上成功試用。德國、加拿大等歐美國家已經在陸地和海洋建設了很多X80管線；加拿大Trans Canada管道公司2002年完成了1km的φ1219mm×14.3mm的X100鋼管試驗段，Exxon Mobil公司于2004年在加拿大建成了X120鋼管的1.6km試驗段。 
    高強韌性管線鋼屬于低合金高強鋼、低碳或超低碳的微合金控軋鋼，采用了精煉技術、微合金鋼技術、控軋控冷技術、形變熱處理等先進技術，這使得管材含碳量極低、潔凈度高、晶粒細化，具有較高的強韌性和良好的焊接性，尤其是焊接熱影響區冷裂紋敏感性大大降低，粗晶區韌性大幅度提高，進一步適合高效率、大線能量的焊接工藝。 
    然而，新的問題隨之出現，如母材的低碳當量高強度化使得冷裂紋從焊接熱影響區轉移到焊縫金屬中，多層焊接頭中的局部脆性區問題等。因此對于低合金高強鋼，應注意焊縫金屬冷裂紋問題。對于大線能量焊接，必須對其焊接熱影響區組織與韌性進行評定，特別要注意多層焊的局部脆性區問題。對于新發展的超細晶粒鋼，要采用高能量密度、低熱輸入的焊接工藝來防止焊接熱影響區晶粒的過分長大。
2．焊接材料 
    焊接材料的選擇是長輸管道焊接要考慮的一個重要方面，廣義上包括焊條、焊絲、焊劑和保護氣體，狹義上特指焊條和焊絲。
2.1 焊條 
    長輸管道焊接用焊條目前多采用全位置下向焊焊條和傳統的低氫型焊條，其執行標準為GB/T 5117-1995、GB/T 5118-1995、AWS A5.1-91和AWS A5.5-96等。全位置下向焊焊條分為兩類：一類是高纖維素型的(基于管線鋼C、S、P含量較低，可以考慮使用)，這種焊條焊接工藝性能好、熔渣量少，并且吹力較大，防止了熔渣和鐵水的下淌，而且有較大的熔透能力和較快熔敷速度，在各種位置單面焊雙面成型效果好，適于根焊和熱焊，有代表性的如奧地利伯樂公司生產的BOHLER FOX CEL（AWS A5.1-91 E6010）和BOHLER FOX CEL 85（AWS A5.5-96 E8010—P1）焊條、美國林肯公司生產的FLEETWELD 5P+（AWS A5.1-91 E6010）和SHIELD ARC 70+（AWS A5.5-96 E8010—G）焊條、中船重工七二五所研制的SRE425G（AWS A5.1-91 E6010）、SRE505（AWS A5.5-96 E7010—G）和SRE555（AWS A5.5-96 E8010—G）焊條等。另一類是鐵粉低氫型下向焊條，該焊條凝固速度快、鐵水流動性和浸潤性好、全位置焊時不易下淌、焊后焊縫金屬韌性好、抗裂性好，適于各層的下向焊接，有代表性的如奧地利伯樂公司生產的BOHLER FOX BVD 85（AWS A5.5-96 E8018-G）焊條、美國林肯公司生產的LINCOLN LH D80（AWS A5.5-96 E8018-G）焊條。對于傳統的低氫型焊條因其全位置上向根焊時，工藝性能一般、引弧困難、電弧穩定性差、飛濺較大、背面成型差、易氣孔，故目前一般不再采用，一般用于維搶修和返修焊接填充蓋面焊當中，有代表性的如四川大西洋公司生產的CHE507GX(GB/T 5118-1995 E5015)、CHE557GX(GB/T 5118-1995 E5515)。上述常用高纖維素焊條規格一般為Φ3.2mm、Φ4.0mm，鐵粉低氫型焊條規格一般為Φ4.0mm，普通低氫型焊條規格一般為Φ3.2mm。 
    一般來講，σ0.5（0.2）≤415MPa輸油、輸水管道干線焊接可選擇高纖維素型焊條進行各層焊接；輸氣管道或σ0.5＞415Mpa輸油管道干線焊接可采用高纖維素型焊條根焊、熱焊+低氫型下向焊條填充、蓋面的復合工藝。
2.2 焊絲 
    長輸管線用焊絲分為實心焊絲和藥芯焊絲兩種。 
    (1) 實心焊絲 
    實心焊絲主要有兩類：一類用于埋弧焊，另一類用于熔化極活性氣體保護焊。埋弧焊用實心焊絲執行標準有GB/T 5293-1999,有低錳焊絲，如H08A(如四川大西洋公司生產的CHW-SG焊絲)配合高錳型熔煉焊劑，用于低碳鋼及強度級別較低的管線鋼焊接；中錳焊絲，如H08MnA、H10MnSi，配合高錳高硅低氟型熔煉焊劑主要用于管線鋼焊接，并可配合低錳焊劑用于低碳鋼焊接；高錳焊絲，如H08Mn2Si、H08Mn2SiA用于管線鋼焊接；Mn-Mo焊絲，如H08MnMoA、HO8MnMoTiB，配合低錳中硅中氟型熔煉焊劑、氟堿型燒結焊劑或硅鈣型燒結焊劑，主要用于強度級別較高的管線鋼焊接。焊絲直徑一般在1.6～6.4mm范圍以內。 
    活性氣體保護焊用實心焊絲執行標準有GB/T 14947-1994、GB/T 8110-1995、AWS 5.18-93和AWS 5.28-96等標準，最常用的焊絲有H08Mn2SiA（如相當于GB/T 8110 ER49-1），它具有良好的焊接工藝性能，適宜于焊接σs≤500MPa的管線鋼。當焊接強度級別較高的鋼種時，則應選擇含Mo的焊絲，例如，國產H10MnSiMo焊絲和執行美國標準AWS 5.18 ER70S-G的錦泰公司生產的JM-58焊絲、BOHLER SG3-P焊絲和執行美國標準 AWS A5.28 ER80S-G的錦泰JM-68焊絲等。常用焊絲的規格為φ0.9mm、φ1.0mm、φ1.2mm等。 
    (2) 藥芯焊絲 
    近年來，隨著長輸管線向著高強度、大口徑、厚壁化方向發展，傳統的手工焊焊接方法已逐漸地被半自動焊和自動焊焊接方法所取代，其中以半自動焊應用發展最為迅速，與之而來的是藥芯焊絲得以迅猛發展。
藥芯焊絲之所以能得到如此的重視和發展，與它自身的許多特點是分不開的，表現在：熔敷速度快，焊接生產率高；與實芯焊絲相比，藥芯焊絲電弧軟、飛濺小，焊接工藝性能好；熔深大，成型美觀；綜合成本低。 
    藥芯焊絲按焊接時保護方式的不同可分為氣保護藥芯焊絲和自保護藥芯焊絲，其中自保護藥芯焊絲以其特有的優越性在長輸管道中廣泛應用，執行標準有GB/T 17493-1998和AWS A.29-98。有代表性的有T8-Ni1型（例如天津金橋JC-29Ni1 Φ2.0mm焊絲、美國郝伯特HOBART 81N1Φ2.0mm焊絲）、T8-Ni2、T8-K6型（林肯NR207 Φ2.0mm焊絲）等，這種焊絲全位置操作性能好，熔敷速度快，同時焊縫金屬韌性好，但焊縫金屬在焊態下粗大的柱狀晶組織的出現，使得其焊縫金屬沖擊韌性在焊態與熱處理之間，多層焊和單道焊之間有很大的差別。因此采用T8型自保護焊絲焊接時，應嚴格控制焊接規范參數、熱輸入量、焊接道次以及每道焊層的厚度等。
2.3 保護氣體 
    長輸管道的自動焊接多采用二氧化碳氣體保護焊和氧化性混合氣體保護焊，即所用的氣體為CO2、CO2+Ar或CO2+Ar+O2。其中惰性氣體（如Ar）在熔化極氣體保護焊中的作用是把電弧和熔化金屬周圍的空氣排開，以免空氣中的有害成分影響電弧的穩定性和液態金屬被污染。其它非惰性氣體（如CO2、O2）也能用來作為熔化極氣體保護焊的保護氣體。其前提是這些氣體雖然能與被保護液體金屬發生某些冶金反應，但在焊接過程中可以創造條件使這些反應的后果不至于造成對焊接接頭的危害。如采用CO2作為保護氣體，雖然在焊接過程中CO2在電弧的高溫下分解出O2和CO，進而使Fe氧化生成FeO和可能導致氣孔，但這一不良影響可通過在焊絲中加入適量的Si、Mn等脫氧元素來予以解決。研究發現，保護氣體成分和流量對焊縫成型有一定的影響，成分和流量不同，焊縫中含氧不同，焊縫成型不同，缺陷幾率也不同。如進行STT氣體保護焊根焊時采用純CO2作為保護氣體且流量偏大時，因CO2分解吸熱作用焊縫冷凝加快，鐵水流動性變差，致使正面焊縫易形成山脊形，在隨后的焊接過程中其凹陷處易導致未熔合、夾渣等缺陷，背面焊縫易導致假熔現象,這一問題在施焊環境溫度較低和線能量較低時表現尤為突出。此外，焊縫因快速冷凝易導致焊縫中氣孔。若采用CO2+Ar混合氣體如CO2(15～20%)＋Ar(85～80%)可改善鐵水流動性，獲得良好的焊縫成型，母材與焊縫過渡良好且焊縫中含氧量低，焊縫沖擊韌性好。這一點在選擇保護氣體成分和流量時應引以重視。
2.4 焊劑 
    選擇焊劑時主要考慮焊劑的類型、焊劑與焊絲的匹配特性、焊劑的冶金性能和工藝性能。此外焊劑的粒度、含水量、機械夾雜物、硫磷含量也應予以考慮。從改善焊縫金屬韌性的角度考慮，可選擇高堿度焊劑。但應注意，當堿度超過某一臨界值時，再提高堿度則會導致焊縫韌性下降，這主要是因為對于管線鋼焊接時，要求較高的焊接速度，特別是在厚板不開坡口、不留間隙的條件下，工藝性能惡化，焊縫表面出現氣孔、麻點，焊縫中氧化物夾雜物明顯增多，導致韌性下降。因此，合理選擇焊劑，對提高焊縫韌性有重要意義。
3．焊接電源 
    隨著電子技術和現代控制技術的發展，數字化逆變焊接電源是弧焊電源發展的主要方向。它體積小、重量輕、節能省材，而且控制性能好，動態響應快，易于實現焊接過程的實時控制，在性能上具有很大優勢。同時集成了專家系統、模糊控制、神經網絡技術等智能控制方法的數字化逆變焊接電源，可以實現一元化調節，對焊接過程中出現的不確定因素做出實時處理，保證穩定的焊接過程和焊接質量。國內時代、奧太等焊機生產廠家早已成功推出軟開關控制的逆變焊機，雙絲雙弧、雙絲單弧、多絲多弧等技術在國外也有應用。 
    現在，我國逆變焊機電源已形成4代產品：第一代是以可控硅SCR為主功率器件的逆變器；第二代是晶體管逆變器；第三代是場效應管逆變器；第四代是IGBT逆變器，其逆變頻率高，飽和壓降低，功耗小，效率高，無噪聲，與前3代逆變器相比，優勢更明顯。 
    但是，目前施工現場還很少使用IGBT逆變焊機。纖維素型焊條焊接時采用一般的直流焊機，在小電流時易出現斷弧、粘條、電弧不穩等問題。低氫型焊條對弧焊設備的要求較低，一般的直流弧焊設備即可滿足要求。管道施工中手工電弧焊使用的焊機有美國LINCOLN公司的DC-400，美國MILLER公司的XMT-304，北京時代集團公司的ZX7-400B，濟南奧太公司的ZX7-400ST等。 
    自保護藥芯焊絲焊接時，可選用美國LINCOLN公司的DC-400直流電源+LN-23P送絲機，另外MILLER公司的XMT304直流電源+S-32P送絲機，唐王DC-400+LINCOLN LN-23P送絲機也可供選擇。 
    CO2氣保護焊根焊時,可選用的焊機為LINCOLN公司的STT型逆變電源+LN-742送絲機，飛馬特公司的ULTRA FLEX PULSE 350焊機+ULTRAFEED 1000送絲機。
4．焊接方法和設備 
    道常用焊接方法主要有：（1）手工焊，包括藥皮焊條電弧焊（SMAW）、手工鎢極氬弧焊（TIG）；（2）半自動焊，包括熔化極氣體保護半自動焊[包括活性氣體保護STT(Surface Tension TransferTM)半自動焊、半自動熔化極氬弧焊（MIG）、半自動活性氣體保護焊（MAG）、自保護藥芯焊絲電弧焊（FCAW）；（3）熔化極活性氣體保護自動焊（AW）。此外，還有埋弧自動焊（SAW）、電阻焊—閃光對焊（FBW）等。我國在西氣東輸管道工程后主要以自保護藥芯焊絲半自動焊和熔化極活性氣體保護自動焊為主。
4.1手工焊 
    手工焊主要指焊條電弧焊和手工鎢極氬弧焊。 
    (1) 焊條電弧焊 
    具有靈活簡便、適應性強等特點，同時由于焊條工藝性能的不斷改進，其熔敷效率、力學性能仍能滿足當今管道建設的需要，尤其時焊接補焊時應用更廣泛。焊條為纖維素型焊條和低氫型焊條，其下向焊和上向焊兩種方法的有機結合及纖維素焊條良好的根焊適應性在很多場合下仍是其它焊接方法所不能代替的。 
    (2) 手工鎢極氬弧焊 
    焊接質量好，背部無焊渣，一般用來進行站場壓縮機進出口、球閥等設備，以及管徑較小、壁厚較薄的工藝管道，安放式角焊縫的安裝焊接。鎢極氬弧焊方法要求焊前嚴格進行坡口清理，焊接過程中須有防風措施。
4.2半自動焊 
    即自保護藥芯焊絲半自動焊和CO2氣保護半自動焊，它們都是下向焊方法。 
    (1) 自保護藥芯焊絲半自動焊 
    該項技術在1996年的庫鄯線管道工程中首次應用于，隨后在蘇丹、蘭成渝、澀寧蘭等管道工程中推廣應用。這種焊接方法操作靈活，環境適應能力強，焊接熔敷效率高，焊接質量好，焊工易于掌握，焊接合格率高，是目前國內管道工程中重要的填充、蓋面焊方法。 
    (2) CO2氣保護半自動焊 
    隨著焊接電源特性的改進，通過控制熔滴和電弧形態，CO2氣保護焊的飛濺問題已基本解決，并開始在管道焊接中扮演重要角色，如STT型CO2逆變焊機的應用等。這種焊接方法操作靈活，焊工易于掌握，對不同的坡口適應性強，焊接質量好，焊接效率高，焊道光滑，但焊接過程受環境風速的影響較大。STT半自動根焊要求管口組對過程中保持對口間隙均勻一致，否則將會在后序的填充、蓋面焊道中產生坡口邊緣未熔合、夾渣等缺陷。
4.3 自動焊 
    自動焊可應用于根焊和填充、蓋面焊。 
    (1)自動根焊 
    自動根焊方法采用自動內焊機或外焊機單面焊雙面成型。 
    a. 內焊機 
    “西氣東輸”管道工程中使用的自動內焊機是針對Φ1016mm管徑的管道根焊焊接專機，分別為英國NOREAST公司生產的內焊機和中國石油天然氣管道局PIW3640型內焊機。其特點為適用的管徑范圍窄，設備一次投資較大，但焊接效率非常高，Φ1016mm的鋼管根焊需時約70秒鐘左右。由于是在鋼管內進行焊接，焊接過程中受環境風速的影響比較小，如圖1所示。 
    b. 自動外焊機單面焊雙面成型根焊 
    單面焊雙面成型根焊設備主要為意大利PWT公司的CWS.02NRT型自動外焊機，以及美國LINCOLN公司的STT電源匹配自動外焊機。自動外焊機單面焊雙面成型的根焊設備解決了不用背面襯墊的單面焊雙面成形根焊問題，根焊厚度達4.5ｍｍ，遠高于內焊機的焊接厚度（1～1.2ｍｍ），焊接效率高，Φ1016mm的鋼管根焊需時約8分鐘左右。由于采用氣體保護，焊接過程對環境風速敏感，施工時應有防風棚等防風措施。 
    (2) 自動外焊機 
    管道局生產的PAW-2000型外焊機,如圖2所示，其特點是焊接熔深均勻，能夠焊接的坡口寬度較大，但通常要求坡口角度大于13°，以避免因焊接電弧 
    與母材接觸面較小而導致的坡口邊緣未熔合。與中國石油天然氣集團公司工程研究院生產的APW-Ⅱ型自動外焊機功能相近。 
    英國NOREAST公司生產的自動外焊機，加拿大RMS公司生產的MOW-1型自動外焊機和美國CRC公司M-300型自動外焊機等，其特點是易于實現5－8°的小坡口角度的焊接操作，坡口面熔合良好，但焊接熔深不均勻，能夠焊接的坡口寬度通常不超過10mm，否則在仰焊部位難以保證焊縫成型。 
    意大利PWT公司生產的CWS.02NRT型自動外焊機等,其特點是焊接熔深均勻，能夠焊接的坡口寬度較大，且易于實現5－8°的小坡口角度的焊接操作，坡口面熔合良好。
5．焊接工藝
5.1 焊接接頭坡口形式 
    管道焊接施工通常采用的坡口型式為API標準30°V型坡口，適合手工焊。但對于大口徑、厚壁鋼管來說，這樣的焊接接頭坡口型式填充金屬量大，勞動強度高，且不適合于自動焊的焊接，通常半自動焊用23°V型坡口，自動焊用窄間隙復合坡口型式。
5.2 預熱與層間溫度 
    預熱的目的是通過減緩母材的應力狀態和降低根焊道的冷卻速度來防止根部冷裂紋。管道焊接施工的預熱溫度范圍應考慮母材的強度、組織性能變化規律、管徑和壁厚，以及焊接材料的含氫量等因素。對于厚壁鋼管的多層焊，還要考慮控制焊道層間溫度來控制近縫區的冷卻速度。層間溫度一般與預熱溫度相近。在避免近縫區過熱的前提下，較高的層間溫度可防止多層焊時冷裂紋的產生。
5.3 焊接線能量 
    焊接線能量的確定需綜合考慮母材成分、焊接材料類型、對藥皮（藥芯、焊劑）的冶金反應和保護氣體保護效果的影響、焊前預熱狀況、層間溫度控制情況、管子規格、焊絲（條）直徑、熱影響區的脆化和軟化傾向、所希望的組織和力學性能，以及施焊位置、焊接道次、每道焊層厚度、焊縫成型和熔滴的過渡形式等因素。
5.4 后熱處理及熱處理 
    管線焊接施工一般不進行焊后的后熱處理和熱處理。但對于在高寒地區施工時，當焊前預熱和層間溫度控制難以起更大作用時，有必要對焊接接頭采取一定的后熱和熱處理措施，保證焊接接頭的組織和性能。
5.5 其它
    在管道焊接施工過程中應考慮到高強度、大壁厚鋼管所承受的外部應力作用帶來的影響。同時應考慮環境溫度、環境濕度和環境風速對不同焊接方法的影響，采取必要的措施保證焊接質量。
6. 展望 
    前面介紹了國內管道焊接技術的應用現狀，在焊接材料、方法、工藝和設備等應用方面與國外的技術差距越來越小，自動焊技術已基本普及應用。但是國內的焊接材料多滿足于手工焊，自動焊絲和半自動焊材自主研發、生產不足，相當一部分還需要進口。同時國內焊接材料的性能也有待改善，產品系列化不足。在焊接電源方面，國內奧太、時代焊機有了大面積應用，但是目前還不能象林肯焊機那樣應用廣泛；用于打底的自動根焊電源國內還沒有生產。最近深熔電子束焊、激光輔助熔化極氣體保護電弧焊在管道應用上有突破性進展。 
    隨著國內X80管線鋼在冀寧管道的成功焊接，更高級管線鋼X100和X120不久也將應用在國內管道建設上。管線鋼級的提高，必然對焊接技術的要求越來越高，尤其是對焊接材料和焊接設備的性能要求，因此國內在焊接技術方面還有很大的提升空間，對焊接材料和設備的需求也會進一步增加。