氩电联焊工艺在油气集输管道穿越工程中的应用

氩电联焊工艺在油气集输管道穿越工程中的应用

李继李伟王运军

中石化胜利油田分公司河口采油厂李继李伟王运军

摘要：目前，油田油气集输管道的铺设方式以开挖为主，但在一些地势复杂的特殊地区，不能采取开挖方式施工，定向穿越代替传统开挖，可有效解决此类问题，由于穿越的管线处于地下10余米，一旦管道焊口出现渗漏或断裂等质量事故，将造成整条穿越段管线因无法进行焊接修复而报废，因此，确保穿越段管线焊接施工质量达到施工标准和规范要求是穿越工程施工的关键和难点。

在大10块1#计量站至大北站输油干线跨越潮河段施工中为了确保穿越段管线的焊接施工质量，我们采用了一种新的氩电联焊焊接工艺——既打底焊道采用氩弧焊，其他焊道采用手弧焊进行盖面的焊接工艺。

关键词：水平定向钻穿越；焊接质量；氩电联焊工艺前言目前，油田油气集输管道的铺设方式以开挖为主，但在一些地势复杂的特殊地区，不能采取开挖方式施工，定向穿越代替传统开挖，可有效解决此类问题，水平定向钻技术最早出现在70年代，是传统的公路打孔和油田定向钻井技术的结合，目前已成为广受欢迎的施工方法，可用于输送石油、天然气、石化产品、水、污水等介质和电力、光缆等各类管道的施工。其工作过程是通过计算机控制进行导向和探测，先钻出一个与设计曲线相同的导向孔，然后再将导向孔扩大，把产品管线回拖到扩大了的导向孔中，完成管线穿越的施工过程。

河口采油厂采油四矿大10块1#计量站至大北站输油干线在跨越潮河段施工时，由于河面宽度达180m且两岸有建筑物，有650m管道须采用水平定向穿越施工。由于穿越河流的管线处于河床以下10余米，一旦管道焊口出现渗漏或断裂等质量事故，将造成整条穿越段管线因无法进行焊接修复而报废，因此，确保穿越段管线焊接施工质量达到施工标准和规范要求是该工程施工的关键和难点。

一、氩电联焊工艺及应用油气集输管网采用的管材一般为10#、20#低碳钢，可焊性好，通常在管道施工中采用的焊接方法为手工电弧焊，对焊工的操作技术要求高，其焊接质量在一定程度上决定于焊工的操作技术水平。在施工检验过程中发现手弧焊焊缝的质量合格率，特别是射线探伤的一次合格率偏低，即使是技术水平较高焊工一次合格率也仅为80%左右，且Ⅰ、Ⅱ级片的比例极少。造成焊缝探伤不合格的重要因素是焊缝的内部存在超标缺陷，而且主要产生在焊缝的打底焊道部分。超标缺陷多为夹杂、气孔及未熔合，其中最常见的缺陷为夹杂。经分析，造成超标缺陷的原因是多方面的，但主要原因是：由于手弧焊采用的焊接材料为电焊条，焊接过程中对熔池进行气渣联合保护，打底焊时，为了确保获得良好的背面成型效果，一般采用灭弧焊。灭弧焊单位时间内输入的焊接线能量较连弧焊要少，冷却速度快，熔池冷却时部分熔渣来不及溢出造成夹杂；此外，因管件焊缝较弯曲，各部位焊缝焊接手法不一，易引起打底焊道表面高低差较大，形成焊渣死角造成清渣困难，当焊第二道焊缝时造成层间夹渣或夹渣性未熔合。由此得知，如何确保管道焊缝的焊接质量，提高焊缝的射线探伤一次合格率，关键在于如何确保打底层焊道的焊接质量。为了确保大10块1#计量站至大北站输油干线穿越段管线的焊接施工质量，我们采用了一种新的氩电联焊焊接工艺——既打底焊道采用氩弧焊，其他焊道采用手弧焊进行盖面的焊接工艺。

1.氩弧焊概述。

氩弧焊是气体保护焊的一种，分为熔化极氩弧焊和非熔化极氩弧焊。我们工艺中所讲的氩弧焊是指钨极氩弧焊（又称TIG焊），属于非熔化极氩弧焊，它是利用难熔金属钨和钨的合金棒作为电极，通过使钨极与工作之间产生电弧，并利用氩气严密的保护钨极、焊丝和熔池进行焊接的一种方法。采用钨极氩弧焊打底具有以下优点：⑴．质量好。只要选择合适的焊丝、焊接工艺参数和良的气体保护就能使根部得到良好的熔透性，而且熔透度均匀，表面光滑、整齐。不存在一般焊条电弧焊时容易产生的焊瘤、未焊透和凹陷等缺陷。

⑵．效率高。在管道的第一层焊接中，手工氩弧焊为连弧焊。而焊条电弧焊为断弧焊，因此手工氩弧焊可提高效率2～4倍。因不需清理熔渣和修理焊道，则速度提高更快。在第二层电弧焊盖面时，平滑整齐的氩弧焊打底层非常利于电弧焊盖面，能保证层间良好地熔合，尤其在小直径管的焊接中，效率更显著。

⑶．变形小。氩弧焊打底时热影响区要小得多，故焊接接头变形量小，残余应力也小。

2.为了保证穿越管线的施工质量，重点从以下几个方面展开工作：⑴．焊接工艺评定现场施工焊接前，首先进行焊接工艺评定。即采用与施工管线相同材质的母材制作成试件进行焊接试验，以选择适合于母材的焊接材料、焊接方法及焊接工艺参数。试件完成后，经过力学性能试验和无损探伤检验，在焊缝中不存在超标缺陷及焊缝的强度和塑、韧性达到施工设计要求后，方可进行焊接施工作业。

⑵．焊前准备焊机型号：ZX7一400STG焊丝型号：TIG-50焊丝直径：φ2.4mm焊条牌号：E4303（J422）；焊前须烘干，烘干温度150°，烘1～2小时后存放于保温桶内，随用随取。

焊条直径：φ3.2mm保护气体：氩气（纯度不低于99.5％）由于钨极氩弧焊属于气体保护焊，对于周围环境要求较高，必须在无风的环境下才能施工，并且焊件表面及管口内的铁锈及污物都会对焊接质量造成影响。因此，还要准备角向磨光机、内磨机和防风棚。

⑶．坡口制备及清理、组对管口端部均制备单边V型坡口，坡口角度30°，坡口边缘好正面20mm、背面10mm范围内的铁锈、油污必须清理干净，防止产生气孔缺陷。管口组对时错边量≤0.5mm，组对间隙1.5～2mm，以保证焊透和内部成型，采用两点定位。

⑷．焊接a.打底层焊接根据钨极直径和喷嘴直径来选择氩气流量，通常氩气流量在3～20L/min范围内，由于是野外施工，选择氩气流量稍大，为15～20L/min。焊接电流85A。

以管子垂直中心线为界线，分两半依次进行仰、立、平三个位置的焊接。引弧时，以右手前三指握住焊枪手柄，大拇指按在控制按钮上，用无名指和小拇指作支点，支撑在管壁上，左手持焊丝。将焊枪对准起弧处，提前送氩气3～5s，按动控制按钮，借助高频振荡器引燃电弧。立即将电弧长度调整至3～5mm，在起焊处稍停片刻，待出现清晰的熔池后，左手开始填焊丝，焊枪摆动向上进行正常焊接。焊接过程中焊丝与焊枪之间的角度无论在哪个位置都保持90°，焊丝端头始终在氩气的保护范围内，以免在空气中发生氧化。当焊至平焊位置准备收弧时，右手拇指平稳松开控制按钮，衰减熄弧。熄弧后，不应立即抬起焊枪，仍对准收弧处持续送气2～3s，待钨极和熔池稍稍冷却后再停止送气。另半圈的焊接方法与前半圈相同，只是焊接前利用角向磨光机将仰焊起焊处及平焊收弧处金属修磨成缓坡状，端部深入坡口根部，以利于焊透形成良好接头，平焊处接头要压过收尾接头5～10mm。

图1氩弧焊打底b.盖面层焊接采用稍大焊接电流95～100A，断弧焊方式，焊速稍快，焊缝高度稍高出母材即可。坡口每侧压住0.5～2mm即可，并保证焊条每步的摆动都要有规律性，两侧要有稳弧动作，不得有咬边及融合不良缺陷。焊接中更换焊条的速度要快，在最短的时间内完成接头动作，以保证接头质量。前半圈焊缝完成后，立即用角向磨光机将仰焊部位起焊处修磨成缓坡状，以消除气孔、夹渣等缺陷并利于后半圈焊缝的焊接接头。仰焊部位接头起焊时，在缓坡中心处起弧，先长弧预热（弧长5～8mm），在预热处金属发生“出汗”现象后立即压低电弧并回拉至缓坡边缘进行正常焊接。后半圈的焊接操作手法与前半圈相同，主要保证接头融合良好即可。

图2⑸.探伤检验根据GB50424-2007《油气输送管道穿越工程施工规范》，穿越管道焊缝检测应符合下列规定：a.100%超声波检测，100%射线检测。

b.穿越管段焊缝无损检测合格级别为Ⅱ级。

施工完毕后，穿越段φ114×6管线650m共有焊口55道，经过100%超声波检测和100%射线检测，仅有2道口因对口间隙过小而出现未焊透等缺陷，一次合格率达到96﹪以上，2道不合格焊口进行返修经射线检测后合格，所有焊口经射线检测达到Ⅱ片的质量标准，管线焊接焊口达到穿越施工要求。

二、结论在大10块1#计量站至大北站输油干线跨越潮河段施工中，650米φ114×6输油干线焊接施工质量达到设计标准要求，并一次投产成功。实践证明，采用钨极氩弧焊打底，手工电弧焊盖面的氩电联焊技术进行焊接施工，较手弧焊打底显示出极大的优越性：焊接质量稳定可靠，焊接速度快，减轻劳动强度，提高劳动效率，效果显著，特别是大大提高了一次焊接合格率，不失为一种先进、实用的焊接工艺。

参考文献：[1]忻鼎乾，电焊工，中国劳动社会保障出版社，2004年7月[2]陈祝年，焊接工程师手册机械工业出版社2010年2月