1. 概述

西氣東輸二線工程作為第一條中國引進境外天然氣資源的大型管道工程，橫穿中國15個省區，最終止于香港，全工程包括主干線和八條支線，全長超過9102km。沿線地形復雜多變，局部地區地質條件較差，給施工帶來極大不便，特別是香港支線，長度約為21km，管徑813mm，設計壓力7MPa，設計年輸量60億m3，是目前我國管徑最大的海底管道，也是我國施工難度最大的海底管道工程。

面對困難的挑戰和工期的壓力，中國石油管道建設者提出采用STT根焊＋自保護藥芯焊絲半自動焊填充、蓋面的焊接工藝，既充分保證了優良的焊接質量，又最大限度加快焊接效率，為該工程的順利按期投產運營起到了保駕護航的作用。圖1為海上連頭的現場照片。

圖1?海上連頭

2. 焊接方法選擇

結合本工程的實際特點和質量要求，選擇焊接質量優秀的STT焊作為根焊，采用焊接效率較高的自保護藥芯焊絲半自動焊作為填充、蓋面。

（1）STT根焊  STT被稱為表面張力過渡技術，是一種熔化極氣體保護焊接工藝，由林肯電氣公司專利研發的一種受控短路過渡工藝。

其特點如下：

第一，與常規的恒壓氣體保護焊機不同，STT焊機沒有電壓控制旋鈕，而是采用電流控制的方式來調整熱輸入，在不影響送絲速度的前提下，確保電極干伸長度的變化不會影響到熱輸入。

第二，STT技術使用較低的熱輸入，焊接更加容易，避免出現過熱和燒穿，也減少了焊接變形。

第三，由于電極不會發生過熱，因此即使采用大直徑的焊絲和100%的CO2保護氣進行焊接也不會產生大量飛濺和煙塵，并且降低了保護氣、焊絲等耗材的成本。

第四，送絲速度控制熔敷速率，基值電流保證焊縫成形，峰值電流調整弧長，熱輸入增加電弧能量，從而確保焊道的焊接質量，焊縫成形美觀，極大程度避免出現打底焊道的未熔合現象。

基于以上原因，采用STT技術作為該工程的根焊技術有利于得到優良的焊接質量。

（1）自保護藥芯焊絲半自動焊  該焊接方法是長輸管道工程中應用最為廣泛的一種焊接技術，與焊條電弧焊相比，該焊接技術具有以下優點。

第一，優異的抗風能力，風速≤8m/s的情況下，不需要采取特殊的抗風措施，適合野外施工作業。

第二，連續送進焊絲，焊縫接頭較少，降低了焊接接頭產生缺陷的傾向。

第三，具有較快的焊絲熔化速度和較高的熔敷效率，節約電能，耗電量約為焊條電弧焊的1/6。

第四，焊層較薄，脫渣效果好，清渣時間短，有利于提高施工效率。

第五，焊縫外形美觀，抗氣孔和裂紋能力較強。

基于以上原因，采用自保護藥芯焊絲半自動焊技術作為填充、蓋面焊接有利于在保證質量的前提下提高工作效率。

3. 焊接工藝規程

（1）焊接電源  根焊采用美國林肯公司研發的Invertec STT Ⅱ型焊接電源（見圖2），選用LN—23P送絲機，用CO2作為保護氣體；填充、蓋面采用美國林肯DC—400恒流恒壓直流電源（見圖3）和與之匹配的送絲機。

圖2    Invertec STT Ⅱ型焊接電源 

圖3    林肯DC－400焊接電源

（2）母材選擇  母材選用西氣東輸二線香港支線實際使用的管線鋼材，鋼級選擇為API Spec-5L的X65鋼。屈服強度為473MPa，抗拉強度為581MPa，伸長率為29%，屈強比為89%。管徑為813mm，壁厚22.2mm。

（3）焊材匹配  根焊選用Fabshield的ER70S—G焊絲，焊絲直徑1.2mm；填充、蓋面選用Fabshield的E71T8—Ni1J焊絲，焊絲直徑2.0mm。焊絲的化學成分如表1所示。

（4）接頭形式  本工程采用的焊接接頭形式如表2所示，圖4為坡口形式，圖5為焊道示意。

圖4?坡口形式

圖5?焊道示意

（5）焊前準備  焊接之前需要做好的準備工作如下：

第一，預熱處理。預熱方式可采用火焰或中頻加熱，預熱溫度為100~150℃，預熱寬度為坡口兩側各100mm。

第二，坡口組對。需確保兩根鋼管間直焊縫錯開50mm。

第三，接頭清理。使用鋼絲刷或者動力角向砂輪機清理焊口表面。

第四，防護措施。在環境溫度小于5℃，根焊環境風速大于2m/s，填充、蓋面環境風速大于8m/s等情況下，需要準備有效的防護措施。

（6）工藝要求  焊接過程中，需要保證層間溫度在100~200℃之間，根焊焊絲的干伸長度10~15mm，填充、蓋面焊絲干伸長度15~25mm，嚴禁在坡口以外起弧，相鄰焊道起弧或收弧均應錯開30mm以上。焊接參數如表3所示，圖6為管道現場組對焊接的照片。

圖6   管道焊接現場

4. 焊接檢測

為確保該焊接工藝的可靠性，按照國際規范DNV-OS-F101的相關規定對焊縫進行NDT（無損檢測）試驗和力學性能試驗。

（1）NDT試驗  焊接完成后對焊口進行水冷處理，NDT檢測在水冷完成24h后進行。檢測結果沒有發現裂紋。

（2）力學性能試驗  第一，拉伸試驗。橫向拉伸的抗拉強度為612MPa，于母材處斷裂；全焊縫拉伸的屈服強度為549MPa，抗拉強度為669MPa，伸長率為21%，符合規范要求。

彎曲、刻槽試驗，未出現明顯缺陷，符合要求。

第三，沖擊試驗。沖擊吸收能量：焊縫位置為84J，熔合線處為170J，熔合線+2mm處為256J，熔合線+5mm處為258J，符合要求。

第四，硬度試驗。維氏硬度計HV10，最大硬度為254HV，符合要求。

第五，CTOD試樣。焊縫區域CTOD值最小為0.178，熱影響區CTOD值最小為0.353，符合要求。

NDT試驗和力學性能試驗的檢測結果均符合要求，確保該焊接接頭具有優良的焊接質量。

5. 工程進展

中國石油管道建設者堅守“環保優先、安全第一、質量至上、以人為本”理念，攻堅克難，精益求精，通過編制合理的焊接工藝規程，在確保工程質量的基礎上提高工作效率，全力以赴推進工程建設，管道焊接一次合格率高達99.2%，確保了“零事故、零傷害、零污染、依法合規”四大目標的實現，建成國內領先、國際一流的優質工程，成為造福香港人民的綠色生態文明工程。

6. 結語

（1）按照國際規范DNV-OS-F101的相關規定，結合X65管線鋼的材料性能，設計出合理的焊接工藝規程，通過焊接工藝評定的檢測，形成一套切實可行的海底管道焊接技術。

（2）針對工程難點和特殊要求選擇合適的焊接工藝，在保證工程質量的前提下，極大地提高了工作效率，縮短了工期，保證了工程進度，節省了成本。

作者簡介：黃超等，中國石油天然氣管道工程有限公司。

來源：《金屬加工（熱加工）》2016年第22期