关键字：焊接　　

　　前言
　　长输管道作为远距离油气输送的主要方式，随着我国能源工业的发展和能源结构的调整，管道工程建设迅猛发展。截止2003年底，输油气管道累计长度45865Km，居世界第六位；其中原油管道15915 Km、天然气管道21299 Km、成品油管道6525 Km、海底管道2126 Km。“西气东输”、“冀宁联络线”、“陕京二线”、“西部管道”等国内大型管道工程相继建成投产或即将完工，跨国管道“中哈管线”也即将完工，与俄罗斯及邻国、中亚等国的管线建设一直都在紧张筹划中。据国家规划，至2020年，我国油气输送管道基本形成分布合理、联络成网、互相调配、安全可靠、覆盖全国主要区域的油气管网，满足社会经济发展和人民生活需要。

　　管道施工中的环焊部位是失效事故的多发位置，管道焊接技术是施工中必须确保的关键技术，不仅直接关系到工程的焊接质量、施工效率和成本，而且对管线运行期间的安全可靠性和经济效益也有重要影响。

　　因此，开展管道工程的焊接技术研究，提高焊接技术水平，是现代优质、高效施工的必然要求。

　 1．管线钢的焊接性

　　为了增加管道输送量和降低工程成本、满足越来越苛刻的使用条件要求，大口径、耐高压、薄壁化的高强韧性管线钢是发展趋势。国产高强X70管线钢在“西气东输”工程中全面使用，X80目前仅在冀宁管道上成功试用。德国、加拿大等欧美国家已经在陆地和海洋建设了很多X80管线；加拿大Trans Canada管道公司2002年完成了1km的φ1219mm×14.3mm的X100钢管试验段，Exxon Mobil公司于2004年在加拿大建成了X120钢管的1.6km试验段。【1】

　　高强韧性管线钢属于低合金高强钢、低碳或超低碳的微合金控轧钢，采用了精炼技术、微合金钢技术、控轧控冷技术、形变热处理等先进技术，这使得管材含碳量极低、洁净度高、晶粒细化，具有较高的强韧性和良好的焊接性，尤其是焊接热影响区冷裂纹敏感性大大降低，粗晶区韧性大幅度提高，进一步适合高效率、大线能量的焊接工艺。

　　然而，新的问题随之出现，如母材的低碳当量高强度化使得冷裂纹从焊接热影响区转移到焊缝金属中，多层焊接头中的局部脆性区问题等。因此对于低合金高强钢，应注意焊缝金属冷裂纹问题。对于大线能量焊接，必须对其焊接热影响区组织与韧性进行评定，特别要注意多层焊的局部脆性区问题。对于新发展的超细晶粒钢，要采用高能量密度、低热输入的焊接工艺来防止焊接热影响区晶粒的过分长大。

　　2．焊接材料

　　焊接材料的选择是长输管道焊接要考虑的一个重要方面，广义上包括焊条、焊丝、焊剂和保护气体，狭义上特指焊条和焊丝。【2】

　　2.1 焊条

　　长输管道焊接用焊条目前多采用全位置下向焊焊条和传统的低氢型焊条，其执行标准为GB/T 5117-1995、GB/T 5118-1995、AWS A5.1-91和AWS A5.5-96等。全位置下向焊焊条分为两类：一类是高纤维素型的(基于管线钢C、S、P含量较低，可以考虑使用)，这种焊条焊接工艺性能好、熔渣量少，并且吹力较大，防止了熔渣和铁水的下淌，而且有较大的熔透能力和较快熔敷速度，在各种位置单面焊双面成型效果好，适于根焊和热焊，有代表性的如奥地利伯乐公司生产的BOHLER FOX CEL（AWS A5.1-91 E6010）和BOHLER FOX CEL 85（AWS A5.5-96 E8010—P1）焊条、美国林肯公司生产的FLEETWELD 5P+（AWS A5.1-91 E6010）和SHIELD ARC 70+（AWS A5.5-96 E8010—G）焊条、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）焊条等。另一类是铁粉低氢型下向焊条，该焊条凝固速度快、铁水流动性和浸润性好、全位置焊时不易下淌、焊后焊缝金属韧性好、抗裂性好，适于各层的下向焊接，有代表性的如奥地利伯乐公司生产的BOHLER FOX BVD 85（AWS A5.5-96 E8018-G）焊条、美国林肯公司生产的LINCOLN LH D80（AWS A5.5-96 E8018-G）焊条。对于传统的低氢型焊条因其全位置上向根焊时，工艺性能一般、引弧困难、电弧稳定性差、飞溅较大、背面成型差、易气孔，故目前一般不再采用，一般用于维抢修和返修焊接填充盖面焊当中，有代表性的如四川大西洋公司生产的CHE507GX(GB/T 5118-1995 E5015)、CHE557GX(GB/T 5118-1995 E5515)。上述常用高纤维素焊条规格一般为Φ3.2mm、Φ4.0mm，铁粉低氢型焊条规格一般为Φ4.0mm，普通低氢型焊条规格一般为Φ3.2mm。

　　一般来讲，σ0.5（0.2）≤415MPa输油、输水管道干线焊接可选择高纤维素型焊条进行各层焊接；输气管道或σ0.5＞415Mpa输油管道干线焊接可采用高纤维素型焊条根焊、热焊+低氢型下向焊条填充、盖面的复合工艺。

　　2.2 焊丝

　　长输管线用焊丝分为实心焊丝和药芯焊丝两种。

　　(1) 实心焊丝

　　实心焊丝主要有两类：一类用于埋弧焊，另一类用于熔化极活性气体保护焊。埋弧焊用实心焊丝执行标准有GB/T 5293-1999,有低锰焊丝，如H08A(如四川大西洋公司生产的CHW-SG焊丝)配合高锰型熔炼焊剂，用于低碳钢及强度级别较低的管线钢焊接；中锰焊丝，如H08MnA、H10MnSi，配合高锰高硅低氟型熔炼焊剂主要用于管线钢焊接，并可配合低锰焊剂用于低碳钢焊接；高锰焊丝，如H08Mn2Si、H08Mn2SiA用于管线钢焊接；Mn-Mo焊丝，如H08MnMoA、HO8MnMoTiB，配合低锰中硅中氟型熔炼焊剂、氟碱型烧结焊剂或硅钙型烧结焊剂，主要用于强度级别较高的管线钢焊接。焊丝直径一般在1.6～6.4mm范围以内。

　　活性气体保护焊用实心焊丝执行标准有GB/T 14947-1994、GB/T 8110-1995、AWS 5.18-93和AWS 5.28-96等标准，最常用的焊丝有H08Mn2SiA（如相当于GB/T 8110 ER49-1），它具有良好的焊接工艺性能，适宜于焊接σs≤500MPa的管线钢。当焊接强度级别较高的钢种时，则应选择含Mo的焊丝，例如，国产H10MnSiMo焊丝和执行美国标准AWS 5.18 ER70S-G的锦泰公司生产的JM-58焊丝、BOHLER SG3-P焊丝和执行美国标准 AWS A5.28 ER80S-G的锦泰JM-68焊丝等。常用焊丝的规格为φ0.9mm、φ1.0mm、φ1.2mm等。


　　(2) 药芯焊丝

　　近年来，随着长输管线向着高强度、大口径、厚壁化方向发展，传统的手工焊焊接方法已逐渐地被半自动焊和自动焊焊接方法所取代，其中以半自动焊应用发展最为迅速，与之而来的是药芯焊丝得以迅猛发展。
药芯焊丝之所以能得到如此的重视和发展，与它自身的许多特点是分不开的，表现在：熔敷速度快，焊接生产率高；与实芯焊丝相比，药芯焊丝电弧软、飞溅小，焊接工艺性能好；熔深大，成型美观；综合成本低。

　　药芯焊丝按焊接时保护方式的不同可分为气保护药芯焊丝和自保护药芯焊丝，其中自保护药芯焊丝以其特有的优越性在长输管道中广泛应用，执行标准有GB/T 17493-1998和AWS A.29-98。有代表性的有T8-Ni1型（例如天津金桥JC-29Ni1 Φ2.0mm焊丝、美国郝伯特HOBART 81N1Φ2.0mm焊丝）、T8-Ni2、T8-K6型（林肯NR207 Φ2.0mm焊丝）等，这种焊丝全位置操作性能好，熔敷速度快，同时焊缝金属韧性好，但焊缝金属在焊态下粗大的柱状晶组织的出现，使得其焊缝金属冲击韧性在焊态与热处理之间，多层焊和单道焊之间有很大的差别。因此采用T8型自保护焊丝焊接时，应严格控制焊接规范参数、热输入量、焊接道次以及每道焊层的厚度等。

　　2.3 保护气体

　　长输管道的自动焊接多采用二氧化碳气体保护焊和氧化性混合气体保护焊，即所用的气体为CO2、CO2+Ar或CO2+Ar+O2。其中惰性气体（如Ar）在熔化极气体保护焊中的作用是把电弧和熔化金属周围的空气排开，以免空气中的有害成分影响电弧的稳定性和液态金属被污染。其它非惰性气体（如CO2、O2）也能用来作为熔化极气体保护焊的保护气体。其前提是这些气体虽然能与被保护液体金属发生某些冶金反应，但在焊接过程中可以创造条件使这些反应的后果不至于造成对焊接接头的危害。如采用CO2作为保护气体，虽然在焊接过程中CO2在电弧的高温下分解出O2和CO2，进而使Fe氧化生成FeO和可能导致气孔，但这一不良影响可通过在焊丝中加入适量的Si、Mn等脱氧元素来予以解决。研究发现，保护气体成分和流量对焊缝成型有一定的影响，成分和流量不同，焊缝中含氧不同，焊缝成型不同，缺陷几率也不同。如进行STT气体保护焊根焊时采用纯CO2作为保护气体且流量偏大时，因CO2分解吸热作用焊缝冷凝加快，铁水流动性变差，致使正面焊缝易形成山脊形，在随后的焊接过程中其凹陷处易导致未熔合、夹渣等缺陷，背面焊缝易导致假熔现象,这一问题在施焊环境温度较低和线能量较低时表现尤为突出。此外，焊缝因快速冷凝易导致焊缝中气孔。若采用CO2+Ar混合气体如CO2(15～20%)＋Ar(85～80%)可改善铁水流动性，获得良好的焊缝成型，母材与焊缝过渡良好且焊缝中含氧量低，焊缝冲击韧性好。这一点在选择保护气体成分和流量时应引以重视。

　　2.4 焊剂

　　选择焊剂时主要考虑焊剂的类型、焊剂与焊丝的匹配特性、焊剂的冶金性能和工艺性能。此外焊剂的粒度、含水量、机械夹杂物、硫磷含量也应予以考虑。从改善焊缝金属韧性的角度考虑，可选择高碱度焊剂。但应注意，当碱度超过某一临界值时，再提高碱度则会导致焊缝韧性下降，这主要是因为对于管线钢焊接时，要求较高的焊接速度，特别是在厚板不开坡口、不留间隙的条件下，工艺性能恶化，焊缝表面出现气孔、麻点，焊缝中氧化物夹杂物明显增多，导致韧性下降。因此，合理选择焊剂，对提高焊缝韧性有重要意义。

　　3．焊接电源

　　随着电子技术和现代控制技术的发展，数字化逆变焊接电源是弧焊电源发展的主要方向。它体积小、重量轻、节能省材，而且控制性能好，动态响应快，易于实现焊接过程的实时控制，在性能上具有很大优势。同时集成了专家系统、模糊控制、神经网络技术等智能控制方法的数字化逆变焊接电源，可以实现一元化调节，对焊接过程中出现的不确定因素做出实时处理，保证稳定的焊接过程和焊接质量。国内时代、奥太等焊机生产厂家早已成功推出软开关控制的逆变焊机，双丝双弧、双丝单弧、多丝多弧等技术在国外也有应用。

　　现在，我国逆变焊机电源已形成4代产品：第一代是以可控硅SCR为主功率器件的逆变器；第二代是晶体管逆变器；第三代是场效应管逆变器；第四代是IGBT逆变器，其逆变频率高，饱和压降低，功耗小，效率高，无噪声，与前3代逆变器相比，优势更明显。

　　但是，目前施工现场还很少使用IGBT逆变焊机。纤维素型焊条焊接时采用一般的直流焊机，在小电流时易出现断弧、粘条、电弧不稳等问题。低氢型焊条对弧焊设备的要求较低，一般的直流弧焊设备即可满足要求。管道施工中手工电弧焊使用的焊机有美国LINCOLN公司的DC-400，美国MILLER公司的XMT-304，北京时代集团公司的ZX7-400B，济南奥太公司的ZX7-400ST等。