我国油气管道和焊接技术

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我国油气管道和焊接技术

中国石油天然气管道科学研究院(廊坊市 065001) 薛振奎 刘方明 隋永莉大庆油田甲醇厂 (163411) 于海燕

摘要 随着科学技术的发展, 我国油气管道技术步入了一个新阶段。高等级管材的应用、制管工艺的改善、管道施工方法的进步和管道维护技术水平的提高, 充分体现了科技成果在管道行业的应用。

关键词: 管道工程 管材 制管 焊接

OIL GAS PIPE AND WELDING TECHNOLOGY IN OUR C OUNTRY

China Academy of Petroligenic Natural Gas Pipe Xue Zhenkui, Liu Fangming, Sui Yongli Daqing Oil Field Methanol Manufactory Yu Haiyan

Abstract With the development of technolo gy, technics of oil gas pipe in our country enter on a new phase. Appli cation of hig h grade pipe, improvement of making pipe, pro gress of execution method of pipe and enhancement of mainte nance technics of pipe, embody the application of scient ific and techno logical achievements in pipe industr y fully.

Key words: pipe engineering, pipe, making pipe, welding

1 我国油气管道的发展

从20世纪70年代开始, 我国相继建成了原油管道、天然气管道、成品油管道、海底油气管道等大规模油气管道, 约计3 104km 。

陆上原油管道主要分布在东北、华北、华东和西北地区, 约1. 4 104km 。在这些地区都有部分管道干线与铁路或油港相连, 并建有相应的油库, 基本适应了油田的原油外输。

陆上天然气管道主要分布在西南、西北和东北地区, 主要有西南(川、渝) 地区的环形输气管网, 河南濮阳至开封、郑州、沧州, 陕北靖边至北京、西安和银川, 新疆塔里木塔中至轮南, 鄯善至乌鲁木齐和青海涩北至西宁、兰州的输气管道, 共计1 104km 左右。

成品油管道大都距离较短, 长距离管道除早期建设的格拉管线外, 还有20世纪90年代以后建成的新疆克拉玛依至乌鲁木齐、抚顺至营口鲅鱼圈、塘沽至天津和北京、镇海至杭州, 正在建设的有兰州至成都、重庆成品油管道总计约3 10km 。

海洋油气管道主要分布在渤海湾、辽东湾、黄海、东海北部、南海的珠江口和莺歌海等地, 约计2 10km 。

随着科技的发展, 我国油气管道建设步入了一个新阶段, 在重点工程建设中充分体现了科技成果的应用。油气管道高等级钢材的应用、制管工艺的提高、施工方法的改进、运行后检测、维护水平的提高均代表了油气管道建设的技术进步。

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2 近期国家重点管道建设工程介绍2. 1 涩宁兰输气管道工程

已经建成的涩宁兰输气管道工程, 西起青海的柴达木盆地涩北, 东到兰州市, 全长953km 。管线多次穿越河流、公路、铁路, 海拔3 103m 以上线路段约有300km, 海拔2700m 以上的线路段约有400km, 是我国典型的大型高原输气管道。设计压力6. 4M Pa, 年输量2 109m 3, 管道采用螺旋埋弧焊钢管, 管道材质X60, 管径 660mm, 管道现场组对焊接, 采用下向焊焊接工艺, 手工焊和半自动焊施焊方法。2. 2 兰成渝输油管道工程

正在建设的兰州-成都-重庆输油管道全长1207km, 是我国最长的成品油顺序输送管道, 在设计中解决了大落差带来的一系列问题。管道采用 508mm 、 457mm 、 323. 9mm 三种管径, 其中兰州-江油段717. 07km, 采用 508管径, 江油-成都分输泵站段149. 93km, 采用 457mm 的管径, 成都-重庆段340km, 采用 323. 9mm 的管径。输油干线管道普通地段设计压力为10M Pa, 局部地段按13. 0M Pa 压力设计。兰州-成都段设计年均输量5 106t, 成都-重庆段设计年均输量为2. 1 106t 。管道采用X60和X52材质的螺旋埋弧焊钢管, 管道现场组对焊接, 采用纤维素焊条根焊, 填充焊和盖面焊采用半自动焊。

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拟建的忠县-武汉输气管道工程, 以难险著称。管线由西向东, 山峦纵向频繁起伏, 横向蜿蜒曲折, 地质地貌复杂, 山区段长, 穿越河流沟壑多, 过宜昌后进入江汉平原, 以稻田地为主, 施工难度大。管道全长694km, 设计压力6. 4MPa, 管径 711mm, 设计年输量3 109m 3/年, 管线主材材质X60, 管道现场组对焊接, 采用下向焊焊接工艺, 手工焊和半自动焊施焊方法。2. 4 西气东输管道工程

正在建设中的西气东输管道工程, 西起新疆轮台县站, 向东经过甘肃省、宁夏回族自治区、陕西省、山西省、河南省、安徽省、江苏省, 最后到达上海市。沿途经过戈壁、沙漠、高山、黄土塬、河流、水网等地, 从管道施工中焊接、河流的穿越、水网的施工等各方面都采用了先进的施工工艺。管道工作压力10M Pa, 设计年输量12 109m 3, 全长约4 103km 。线路干线敷设采用螺纹管和直缝管, 管径为 1016mm, 钢管壁厚一类地区14. 6mm, 二类地区17. 5mm, 三类地区21mm, 四类地区26. 2mm, 材质为X70。施工采用多种新型焊接方式, 有手工电弧焊、半自动焊和全自动焊。3 天然气管道建设近期设想

今后5年时间主要建设! 西气东输∀管道干线和6个地区的输气支线, 新建管线约1 104km 。

西部有涩-宁-兰管线、兰州-甘塘管线; 中部有高家堡-潍坊管线、乌审旗-呼和浩特管线; 中南地区有忠县-武汉管线、定远-合肥管线、郑州-洛阳管线、淮北-淮南管线、万县(石柱) -建南-利川管线; 环渤海地区有沁南-邯郸、刁窝-石家庄管线、渤中-龙口-威海管线; 长江三角洲地区有常州-杭州管线、春晓-上海管线、丽水-温州管线、盐城-南通管线; 东南沿海地区有东方1-1至东方市管线、东方-洋浦管线等; 陕甘宁气田长北区块至冀鲁、京津输气管线。

2006~2010年建设从俄罗斯东西伯利亚进口天然气管道和东北、中南、环渤海、长江三角洲及东南沿海地区的输气管线。新建管线总长度约为8 10km 。

在东北地区有渤中-大连、沈阳-大连、依兰-哈尔滨等管线; 在中南地区建设潜江-长沙管线等; 在环渤海地区有蓟县-淄博管线、龙口-青岛管线、潍坊-青岛管线; 在长江三角洲地区建设岱山-宁波-杭州管线、宁波-台州-温州管线; 在东南沿海地区建设乐东-海南管线、琼东-汕尾管线、洋浦-海口管线等, 另外, 还要建没盘江-昆明、洪恩-昆明的管线以及煤气管线。

2011~2020年建设从俄罗斯西西伯利亚(或中亚三国) 向中国的供气管道, 管道自新疆北部中俄边界入境, 终点为上海市, 途经新疆、甘肃、陕西、河南、安徽、江苏和上海市等7个省(区) 市。线路长约4400km 。另外, 还有环渤海、中南、长江三角洲地区的输气管线, 新建管线总长度约为1 10km 。

在环渤海地区建设胶州-连云港管线、渤中-京唐港管线等; 在中南地区建设郑州-济南管线、郑州-信阳-武汉管线、--4

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三角洲地区建设南京-淮安管线、盐城-连云港管线等; 在西南地区还可能建设楚雄-昆明管线; 在东南沿海地区建设汕尾-漳州管线、汕尾-惠州管线、海口-湛江-江门管线、湛江-钦州-南宁-柳州-桂林管线、广州-韶关管线等。4 管道输送用钢的发展4. 1 管材技术的进步

随着管道向高压、大口径的发展, 采用高强度等级的管材更为经济, 故而出现采用高强度等级管材的趋势。我国大型输气管道###西气东输管道钢材采用了X70。

由断裂力学中延性断裂的止裂原理可知, 随着管径和管内环向应力的提高, 管材需要提供更高的冲击吸收功。与此同时, 为保证管材的焊接性, 既要提高强度等级, 还要保持较低的碳当量C eq 值和敏感系数P cm 值。

由于管道要经过严寒地区, 因而对管道往往提出较低的冷脆转变温度FAT T 的要求。当进入主干线的气体含有H 2S 及CO 2时, 还要对管材提出抗氢致裂纹, 抗应力腐蚀和耐化学腐蚀的要求。

以往为提高管材的强度, 通常采用提高碳含量的办法。而碳含量提高, 又使焊接性下降。近年来, 迅速向微合金化发展, 在化学成分中加入少量Nb(0. 015%~0. 050%) 、V (0. 020%~0. 050%) 、M o(0. 15%~0. 50%) 等元素, 细化了晶粒, 增强了强度, 而碳当量甚至降至0. 04%~0. 06%, 碳当量远低于A PI 5L 的要求。由于减少碳含量, 增加Nb 、M o 、V 等合金元素, 最大限度减少P 、S 和其它杂质, 减少氧、氢等含气量, 改变杂质的形态等一系列措施, 使管材不仅有较高的强度且焊接性好, 冲击韧性高, FAT T 值低。4. 2 制管技术的进步4. 2. 1 螺旋钢管

20世纪五六十年代螺旋钢管在油、气输送管道中几乎占统治地位, 随着管道工业的发展, 对钢管的可靠性要求越来越高。而螺旋管由于其制造工艺本身无法克服的缺陷, 使其无法满足客观发展的要求, 直至目前世界各国基本上已不再采用螺旋管作为油、气输送管道用材。4. 2. 2 ER W 钢管

高频电阻焊(ERW) 钢管虽然已有数十年的历史, 但仅在近十多年来, 由于技术的进步, 使其应用范围大为拓宽。目前, ERW 钢管不仅广泛应用于陆上管道, 而且开创了应用于海底管道的记录。

由于自动化技术的进步, 使电阻焊的主要工艺参数均能按优化数据进行自动控制, 从而使焊接质量大为提高, 保证了管道的使用要求。

热处理技术的进步, 使ERW 管焊缝的退火处理成为现实。如何准确地在焊缝位置上, 在生产线上连续进行热处理, 是近若干年才取得成功的。通常采用热跟踪, 同时, 在焊缝两侧划有荧光线, 使热处理在动态下不偏离焊缝。

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上得以解决。可在生产线上连续、准确地对焊缝进行超声波探伤。

ERW 焊接过程与SAW(埋弧焊) 相比, 其重要不同之点在于在焊接过程中不能添加任何成分, ERW 焊接质量更多地依于母材的质量。近年来, 由于母材(热轧卷板) 的质量, 如纯净度大为提高, 故虽在电阻焊过程中, 焊缝质量略有恶化, 但仍能满足质量要求。以对FAT T 要求为例, 目前母材FAT T 值可低达-70∃左右。电阻焊后, 虽然FAT T 值上升30∃左右, 但仍能达到-40∃, 这依然能满足焊管的质量要求。4. 2. 3 U OE 钢管

UO E 钢管在焊管市场上目前仍然被认为是质量最好、可靠性最高的钢管。海底管道、河流穿越段、在大落差地段、经过地震区和活动断层的地段、经过沼泽的地段以及一切难于抢修的地段, 各国的管道设计师仍然坚持采用UO E 钢管。

UOE 钢管的生产机组, 由于价格高, 故仍然只有少数国家拥有。日本的几家钢铁厂, 如新日铁、住友金属、川崎、N KK 都具有多套U OE 机组, 而且这些企业控制了世界U OE 钢管市场。

UO E 钢管价格高于REW 钢管, 但由于其高质量、高可靠性, 仍然不会被取代。U OE 钢管生产率很高, 在世界范围内仍处于生产能力过剩的状况。4. 2. 4 RBE 及JCO E 钢管

RBE 钢管是经过压边、卷制, 并经焊接成型的。焊接采用埋弧焊。如不采取涨管整形, 则称为RB 钢管, 如采用涨管整形, 则称为RBE 钢管, 涨管后消除了内应力, 其质量与U OE 钢管相近, RBE 钢管在台湾省率先使用, 目前在韩国也有这种生产线。R BE 钢管生产线远较U OE 钢管的价格低, 但其生产率也低得多。

JCOE 钢管是我国台湾省首先创造的一种焊管生产工艺。其生产过程是, 首先在水压机上把钢板压成J 形, 两侧压边后, 再经多次冲压成为C 形, 最后经半圆形模具压成圆形。这种制管采用埋弧焊, 如焊后经涨管工序, 则称为JCO E 钢管, 如不经涨管工序, 则称为JOC 管。涨管后, 不仅几何形状得以改善, 且消除了内应力。JCO E 钢管质量与U OE 钢管相近, 但其作业线价格远低于U OE 机组, 然而其生产率也较U OE 机组为低。5 管道施工技术

管道施工的工序很多, 焊接、穿越、检测等工序的技术进步也体现了科技在油气管道中的应用。5. 1 管道的焊接技术5. 1. 1 管道的焊接方法

随着管线用钢的发展, 对管道的焊接也相应地提出了要求。我国钢质管道环缝焊接技术有一个发展过程, 从手工电弧焊上向焊技术、手工电弧焊下向焊技术, 一直到现在应用的半自动焊技术和自动焊技术。

手工电弧焊上向焊时管口组对间隙大, 每一焊层厚度大, 焊接过程容易产生缺陷。手工电弧焊下向焊时, 管口组对间隙小, 焊接过程中采用大电流多层快速焊接, 适合于流水作业, 焊接效率高。

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半自动焊接方法为纤维素型焊条手工下向根焊, 自保护药芯焊丝半自动焊填充、盖面焊接。焊接熔敷效率高, 全位置焊接成形好, 环境适应能力强, 是目前管道施工的一种重要的焊接工艺方法。

自动焊技术由于焊接热效率高, 人为因素影响小, 西气东输管道工程自动焊接方法有以下几种:

(1) 自动内焊机根焊, 自动外焊机填充、盖面焊接;

(2) ST T 气体保护半自动焊根焊, 自动外焊机填充、盖面焊接;

(3) 纤维素焊条手工电弧焊根焊, 自动外焊机填充、盖面焊接。

5. 1. 2 焊接材料

管道焊接施工中采用的焊接材料有纤维素型焊条、低氢型焊条、自保护药芯焊丝和CO 2气体保护实心焊丝。

管道焊接施工中采用的纤维素型焊条和低氢型焊条主要依靠进口, 通常使用的是:美国L INCOL N 和HOBART 焊材、奥地利伯乐(BOHL ER ) 焊材、瑞典ESAB 焊材、日本K OBE 焊材、法国SAF 焊材、四川大西洋、天津金桥。

管道焊接施工中采用的自保护药芯焊丝主要为美国L IN COL N 、HOBA RT 产品。

适合于CO 2气体保护焊实心焊丝主要有法国SAF 、日本神钢、日本助友、台湾锦泰、四川大西洋等。

西气东输管道工程试验段使用焊材情况见表1。5. 1. 3 焊接设备

(1) 手工电弧焊焊接设备 管道施工中手工电弧焊可供选择的焊机有美国L INCOL N 公司的DC-400, 美国M IL LER 公司XM T -304, 北京时代集团公司的ZX7-400B, 济南奥太公司的ZX7-400ST 等。

(2) 自保护药芯半自动焊焊接设备 自保护药芯焊丝焊接时, 美国L IN COL N 公司的DC-400直流电源和L N -23P 送丝机, M IL L ER 公司的XM T -304直流电源和S-32P 送丝机, 四川熊谷ZD7-500电源和X6-90送丝机是较好的选择, 唐王DC-400和L IN COL N 公司的L N-23P 送丝机。

(3) CO 2气体保护根焊焊接设备 CO 2气体保护焊根焊时, 适用的焊机为L IN CO LN 公司的ST T 型逆变电源和L N -742送丝机, 飞马特公司的U LT RA FL EX PU L SE 350焊机和U L T RAF EED 1000送丝机。

(4) 自动焊焊接设备 自动焊时, 英国NO REAST 自动外焊机、自动内焊机, 加拿大RM S 自动外焊机, 意大利T WP 外焊机, 管道局的自动外焊机PA W-2000等。5. 2 管道环焊缝相控阵超声波无损检测技术

管道环焊缝相控阵超声波无损检测, 是一门新兴的无损检测技术。检测设备是集相控阵扫描发射与接收、数学模型、阵列快速运算、数字滤波、图像建立、爬行器控制等功能于一体的高新技术产品, 设备适用于大口径管道环焊缝无损检测, 在检测过程中可完成A 扫显示、B 扫显示、焊缝根部扫查显示、T OF D 扫查显示和扫查耦合显示, 对焊缝缺陷进行准确的定位和判断。

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表1 西气东输管道工程试验段使用焊材

序号1

焊材类别纤维素型焊条

焊材标准号

A WS A 5. 1E6010A WS A 5. 5E8010-G A WS A 5. 5E8018-G A WS A 5. 5E8018-P1A WS A 5. 29E71T 8-K6A WS A 5. 29E71T 8-Ni2A WS A 5. 18ER70S-6

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CO 2气体保护实心焊丝

A WS A 5. 18ER70S-G A WS A 5. 18ER70S-G A WS A 5. 18ER80S-G

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用途

手工电弧焊根焊手工电弧焊热焊手工电弧焊填充、盖面焊

2低氢型焊条

3自保护药芯焊丝半自动焊填充、盖面焊

ST T 气体保护半自动焊根焊或内焊机根焊

自动外焊机用填充、盖面焊接

5. 3 管道穿越技术

管道先后穿越长江、黄河、淮河、松花江、大凌河、嘉陵江、陀江、尼罗河(苏丹) 等。穿越方式有隧道、盾钩、水平定向钻、开挖等。尤其是水平定向钻, 不但穿越速度快, 而且施工时不影响航道的畅通, 在某些岩石河床情况下也可穿越。这一技术, 也可应用于市政地下管网建设, 可以避免地面建筑物和道路的破坏。

6 管道运行后维修、抢修、检测等特种作业技术

管道的维修、抢修、检测等特种作业, 装备手段业已趋向现

代化, 已掌握了各种口径管道不停输带压开孔、封堵改线作业。并拥有智能型管道泄漏位置探测、管道腐蚀检测、管道防腐层检测等, 为管道进行残余寿命评估及风险平估, 实现对管道安全的科学管理, 奠定了基础。

综上所述, 我国油气管道业的发展, 离不开科学技术的进步, 随着科学技术的不断进步, 也必将推动我国油气管道业的飞速发展。

(收稿日期 2002 08 28)

作者简介: 薛振奎, 1955出生, 硕士, 教授级高工。现为管道

科学研究院院长, 从事焊接技术工作。

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