臧國軍 肖大偉 王飛 張憲偉 王海軍 王蕾 趙金贏

1中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司油田開發(fā)事業(yè)部

2國家管網(wǎng)集團(tuán)西部管道有限責(zé)任公司塔里木輸油氣分公司

3中石油煤層氣有限責(zé)任公司勘探開發(fā)建設(shè)分公司

4中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司第四采油廠

中俄東線天然氣管道工程管徑1 422 mm、X80鋼級、設(shè)計壓力12 MPa，具有高鋼級、大口徑、高壓力以及穿越高寒凍土區(qū)的特點[1]，對管道搶修換管、低溫焊接和在線焊接技術(shù)要求更高[2-3]。從20 世紀(jì)70 年代開始國外在高寒地區(qū)建設(shè)多條長輸管道，例如俄羅斯東西伯利亞-太平洋原油管道和美國Trans-Alaska 原油管道，美國、俄羅斯在高寒區(qū)管道低溫焊接技術(shù)方面相對成熟，值得研究借鑒[4]。本文針對管道焊接環(huán)境溫度和焊接預(yù)熱方法，開展國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對標(biāo)分析，并調(diào)研了國外石油公司管道低溫焊接的推薦做法和先進(jìn)經(jīng)驗，最后提出了管道低溫焊接技術(shù)改進(jìn)建議和措施，其研究成果對于提高我國長輸管道搶修工作技術(shù)水平具有重要意義。

1 最低焊接環(huán)境溫度

中石油標(biāo)準(zhǔn)Q/SY GD 1037—2014《油氣管道維搶修技術(shù)及搶修設(shè)備機(jī)具手冊》規(guī)定環(huán)境溫度小于0 ℃、濕度大于90%、風(fēng)速大于5 m/s，以及雨雪天氣，若無有效防護(hù)措施，不得進(jìn)行焊接作業(yè)。

美國標(biāo)準(zhǔn)API RP2201—2020《石油與石化行業(yè)熱開孔作業(yè)安全規(guī)范》規(guī)定當(dāng)大氣溫度低于-45 ℃，除非采取特殊應(yīng)對措施（例如提供臨時防風(fēng)帳篷、小型加熱器等），否則不應(yīng)進(jìn)行管道在線焊接。

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)РД 153-112-014—1997《石油產(chǎn)品干線輸送管道事故和故障處理規(guī)程》規(guī)定石油產(chǎn)品干線輸送管道允許在環(huán)境溫度-40 ℃以上進(jìn)行焊接維修，應(yīng)采取以下防護(hù)措施：焊接場所應(yīng)防風(fēng)防雪；徹底清除組對管件端部的積雪和殘液，避免水蒸氣進(jìn)入焊接電弧區(qū)；管口組對應(yīng)滿足最小間隙要求，保證焊縫根部焊透，避免產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對高強(qiáng)鋼在線焊接環(huán)境溫度要求過于嚴(yán)苛，調(diào)研可知中石油X80 鋼級管道最低焊接溫度為-5 ℃，通常做法是焊接前將預(yù)熱溫度提高至20～30 ℃，焊接完成后用石棉被覆蓋焊道進(jìn)行保溫[5]。調(diào)研國外石油公司可知，除非環(huán)境溫度低于-45 ℃不能進(jìn)行在線焊接，且對空氣濕度沒有特定要求；保證焊條保存狀況良好、預(yù)熱溫度滿足要求即可進(jìn)行焊接。如空氣濕度較高，焊條存放在專用干燥保溫箱中；如風(fēng)速超過8～10 m/s，使用專用防風(fēng)防雨帳篷進(jìn)行焊接。

2 焊接前預(yù)熱溫度

焊接前預(yù)熱目的是降低鋼管脆裂敏感性[6]。高強(qiáng)鋼焊接應(yīng)嚴(yán)格選定預(yù)熱溫度和冷卻速率，降低焊縫及母材熱應(yīng)力開裂敏感性，低溫環(huán)境下冷卻速率提高，產(chǎn)生粗晶板條馬氏體導(dǎo)致焊縫熱影響區(qū)斷裂韌性顯著降低[7]。

2.1 焊接前預(yù)熱做法要求（國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)）

GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：①焊前預(yù)熱和焊后預(yù)熱處理應(yīng)根據(jù)管道材料性能、焊件厚度、焊接條件、施工現(xiàn)場氣候條件，通過焊接工藝評定確定；②當(dāng)焊接兩種具有不同預(yù)熱要求的材料時，應(yīng)以預(yù)熱溫度要求較高的材料為準(zhǔn)；③焊件預(yù)熱和焊后熱處理應(yīng)受熱均勻，并在施焊和應(yīng)力消除過程中保持規(guī)定的溫度。

中石油標(biāo)準(zhǔn)Q/SY GD 0233—2013《多年凍土區(qū)油氣管道維搶修作業(yè)規(guī)程》規(guī)定凍土區(qū)必須預(yù)熱，測溫合格后方能焊接。當(dāng)氣溫低于-20 ℃時應(yīng)進(jìn)行焊口預(yù)熱，可采用環(huán)形管口加熱器、電加熱帶或中頻加熱等方法。

中石油標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 05005—2016《多年凍土區(qū)管道管理維護(hù)規(guī)范》規(guī)定嚴(yán)格控制預(yù)熱、層間隔熱，焊前預(yù)熱及層間溫度控制建議采用感應(yīng)加熱器（管壁較薄時可采用電加熱帶）對管道進(jìn)行加熱，預(yù)熱及層間溫度應(yīng)滿足焊接工藝要求。

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)СП 34-116—1997《工業(yè)油氣管道設(shè)計、建設(shè)和改建說明書》規(guī)定：①使用手工電弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊或使用自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊根焊必須進(jìn)行預(yù)熱。管件預(yù)熱溫度取決于管件初始壁厚、焊條藥皮類型及成分、環(huán)境溫度、鋼管供貨狀態(tài)、管材金屬的碳當(dāng)量。②使用纖維素焊條進(jìn)行焊縫根焊時，在任何環(huán)境氣溫下，金屬表面溫度都應(yīng)不低于100 ℃；在焊接熱焊道時，金屬表面溫度應(yīng)不低于50 ℃。

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)РД 558—1997《天然氣管道修理恢復(fù)作業(yè)的焊管工藝指導(dǎo)性文件》規(guī)定：①定位焊以及第一層焊道預(yù)熱溫度應(yīng)根據(jù)管材碳當(dāng)量、管道壁厚、環(huán)境溫度以及焊條類型確定；②管材最小屈服強(qiáng)度不小于539 MPa的填充焊，完成第一道焊層時預(yù)熱溫度不低于額定值的50%；完成全部焊層時預(yù)熱溫度不低于5 ℃。預(yù)熱溫度低于上述限值，應(yīng)進(jìn)行邊緣預(yù)熱。

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)СНиПⅢ-42—1980《干線管道施工和驗收規(guī)范》規(guī)定環(huán)境溫度不低于-50 ℃可進(jìn)行焊接施工作業(yè)。在0 ℃以下焊接施工時，壁厚大于17 mm 的鋼管應(yīng)使用感應(yīng)加熱器進(jìn)行焊前預(yù)熱。

可以看出，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)提出了焊接預(yù)熱要求和方法，但未給出焊接預(yù)熱具體數(shù)值，不能完全指導(dǎo)高寒區(qū)管道焊接工作[8]。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)則給出了根焊和填充焊的預(yù)熱要求，根焊預(yù)熱溫度在50～-100 ℃，填充焊預(yù)熱溫度不低于5 ℃，同時指出壁厚大于17 mm 的鋼管焊接必須進(jìn)行預(yù)熱。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)更為詳細(xì)，可操作性強(qiáng)。

2.2 焊接前預(yù)熱溫度范圍（國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)）

調(diào)研可知，中石油在高寒凍土區(qū)管道維搶修作業(yè)必須預(yù)熱，測溫合格后方能焊接。

國際能源公司Xodus Group 根據(jù)焊接環(huán)境溫度確定管道是否需要預(yù)熱。如管材等級低于X70、環(huán)境溫度大于10 ℃，可不進(jìn)行預(yù)熱處理。巴西國家石油公司Petrobras 指出管材碳含量高于0.45%，焊接前必須預(yù)熱。英國Petrofac 石油公司針對含缺陷管道采取在線焊接之前進(jìn)行預(yù)熱。

美國Kinder Morgan 公司焊接工藝規(guī)程中指出管道焊接前必須預(yù)熱，管材鋼級在X42-X60、壁厚小于25 mm，最低預(yù)熱溫度應(yīng)滿足10 ℃，理想的預(yù)熱溫度范圍是93～149 ℃。美國Bechtel 工程公司在管道對口焊接工作開始前，對焊接邊緣和與其相鄰的管段進(jìn)行預(yù)熱，在完成焊縫根焊或定位焊之前進(jìn)行預(yù)熱。

俄羅斯Rosneft 公司焊接作業(yè)執(zhí)行РД 558—1997 和СНиПⅢ-42—1980，根據(jù)管道壁厚以及管道材質(zhì)判斷管道是否需要在焊接之前進(jìn)行預(yù)熱。管道壁厚大于17 mm時，不考慮管材化學(xué)成分和環(huán)境溫度，焊接前必須進(jìn)行預(yù)熱。俄羅斯Petrofac 石油公司在凍土區(qū)或環(huán)境溫度低于0 ℃的情況下，管道焊接前必須進(jìn)行預(yù)熱。俄羅斯Gazprom天然氣公司根據(jù)管材化學(xué)成分（含碳量）、管壁厚度、環(huán)境溫度和涂層類型判定管道是否需要進(jìn)行預(yù)熱以及預(yù)熱溫度（表1）。如使用纖維素焊條進(jìn)行焊接，預(yù)熱溫度應(yīng)滿足75 ℃。

表1 俄羅斯Gazprom天然氣公司主流焊條焊接前預(yù)熱溫度Tab.1 Preheating temperature of mainstream welding rod of Russia Gazprom Gas Company before welding

調(diào)研國外石油公司焊接作業(yè)規(guī)程可知，針對低鋼級、小口徑管道以及在較高環(huán)境溫度下允許焊接前不預(yù)熱，高鋼級、大壁厚管道傾向于焊接前進(jìn)行預(yù)熱。其中美國石油公司中、低鋼級管道的焊接預(yù)熱溫度在93～149 ℃，最低預(yù)熱溫度不低于10 ℃。俄羅斯天然氣公司按照含碳量和管道壁厚規(guī)定了焊接預(yù)熱溫度在100～150 ℃，與美國石油公司比較接近，預(yù)熱溫度做法更為細(xì)化，具有借鑒意義。因此，高寒凍土區(qū)管道焊接預(yù)熱屬于國際管道行業(yè)通行、公認(rèn)做法，預(yù)熱溫度范圍在100～150 ℃左右。

2.3 焊接預(yù)熱溫度范圍區(qū)間推薦做法

根據(jù)上述分析，俄羅斯Gazprom天然氣公司關(guān)于焊接前預(yù)熱溫度做法具有借鑒意義，但仍存在不足之處，壁厚區(qū)間劃分過細(xì)，實際上中、小壁厚管道以及環(huán)境溫度大于10 ℃情形不需焊接預(yù)熱，應(yīng)針對大壁厚管道和低溫環(huán)境情形規(guī)定預(yù)熱準(zhǔn)則；是否進(jìn)行預(yù)熱及預(yù)熱溫度采用字母標(biāo)注釋義模式使用不便。調(diào)研我國高寒區(qū)中俄原油管道、中俄東線天然氣管道參數(shù)，并結(jié)合俄羅斯Gazprom天然氣公司做法，高寒區(qū)焊接預(yù)熱溫度范圍區(qū)間推薦做法見表2。

表2 高寒區(qū)管道焊接預(yù)熱溫度推薦做法Tab.2 Recommended practice for preheating temperature of pipeline welding in alpine cold regions

3 焊接預(yù)熱方法

中石油標(biāo)準(zhǔn)Q/SY GD 0233—2013《多年凍土區(qū)油氣管道維搶修作業(yè)規(guī)程》規(guī)定當(dāng)氣溫低于-20 ℃時應(yīng)進(jìn)行焊口預(yù)熱，可采用環(huán)形管口加熱器、電加熱帶或中頻加熱等方法。中石油標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 05005—2016《多年凍土區(qū)管道管理維護(hù)規(guī)范》規(guī)定焊前預(yù)熱及層間溫度控制建議采用感應(yīng)加熱器（管壁較薄時可采用電加熱帶）對管道進(jìn)行加熱。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 7033—2016《鋼質(zhì)油氣管道失效搶修技術(shù)規(guī)范》規(guī)定預(yù)熱方法有以下要求：①預(yù)熱方式可采用火焰加熱或中頻加熱；②對于X70及以上高強(qiáng)度材質(zhì)的管道，宜采用中頻加熱，或火焰加熱和中頻加熱相結(jié)合的形式；③管道內(nèi)部介質(zhì)溫度偏低或介質(zhì)流速過快時，環(huán)向角焊縫的預(yù)熱應(yīng)采用火焰加熱和中頻加熱相結(jié)合的形式。

調(diào)研得知中石油管道套袖補(bǔ)強(qiáng)搶修作業(yè)中，使用火焰或中頻加熱器對待焊的縱向焊口進(jìn)行預(yù)熱[9]；西氣東輸二線線路焊接技術(shù)規(guī)范規(guī)定，在環(huán)境溫度低于5 ℃時，宜采用感應(yīng)加熱或電加熱的方法進(jìn)行管口預(yù)熱，預(yù)熱范圍是坡口兩側(cè)75 mm寬度區(qū)域[10]。

國際能源公司Xodus Group 最為常用的焊接預(yù)熱方法是火焰加熱技術(shù)，該方法易操作、移動性好、加熱設(shè)備成本低。中頻加熱技術(shù)需要單獨使用移動供電系統(tǒng)，因此，中頻加熱技術(shù)適用于室內(nèi)密閉環(huán)境的管道焊接預(yù)熱，不適用于野外/露天現(xiàn)場焊接預(yù)熱。

美國Kinder Morgan 公司根據(jù)預(yù)熱需要達(dá)到的溫度，焊接預(yù)熱選擇火焰預(yù)熱、電阻預(yù)熱和中頻預(yù)熱方法，一般情況下采用火焰預(yù)熱方法（圖1）。電阻預(yù)熱、中頻預(yù)熱適合于處理室內(nèi)空間的管道焊接預(yù)熱。

圖1 美國Kinder Morgan公司火焰預(yù)熱技術(shù)Fig.1 Flame preheating technology of the United States Kinder Morgan Company

巴西國家石油公司Petrobras 采用火焰預(yù)熱法，原因是火焰加熱法易于控制，并可通過數(shù)字溫度計控制溫升過程。如果管道焊接對冷卻速率或者材料回火工藝要求高，則應(yīng)使用電阻預(yù)熱。電阻預(yù)熱在保證焊接區(qū)域的預(yù)熱溫度基礎(chǔ)上，可對管道大面積區(qū)域進(jìn)行加熱，使用電阻預(yù)熱應(yīng)根據(jù)管道實際情況和業(yè)主決定。英國Petrofac 石油公司使用火焰預(yù)熱技術(shù)對焊接管道進(jìn)行預(yù)熱，設(shè)計專門焊接隔熱工棚，同時結(jié)合使用電熱擋板等保溫措施。

俄羅斯Rosneft 公司針對管壁厚度大于17 mm管道焊接施工中采用環(huán)形火焰燃燒器對接頭進(jìn)行加熱或熱處理。針對小口徑管道焊接和焊接接頭熱處理，火焰加熱技術(shù)采用的是乙炔氣、丙烷丁烷混合氣（丙烷含量達(dá)85%），或者煤油和汽油等。俄羅斯Gazprom天然氣公司在管道更換防腐層，采用氣體火焰環(huán)形噴燈加熱管道焊點；防腐層修復(fù)中采用感應(yīng)線圈加熱，線圈數(shù)量取決于管道的直徑。

可以看出國外石油公司主要使用火焰加熱技術(shù)，其中巴西國家石油公司Petrobras通過數(shù)字溫度計控制溫升過程，具有借鑒意義。如需要焊接精準(zhǔn)預(yù)熱和冷卻條件，以及在帳篷等室內(nèi)環(huán)境下，可采用電阻預(yù)熱或中頻加熱技術(shù)。國內(nèi)外焊接預(yù)熱技術(shù)基本一致，可借鑒國外做法進(jìn)一步完善焊接預(yù)熱方法適用條件。

4 結(jié)論

我國大口徑、高鋼級天然氣管道維搶修技術(shù)研究還處于初級階段，應(yīng)借鑒國外標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)理念和國外石油公司實踐做法，為管道安全高效運行提供技術(shù)支持。建議如下：

（1）酌情提高管道最低焊接溫度限值，進(jìn)一步完善標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中管道焊接預(yù)熱溫度、焊后保溫措施、焊條質(zhì)量等要求，惡劣環(huán)境下推薦采用防風(fēng)防雨帳篷實施焊接作業(yè)。

（2）參考國外石油公司通行做法，按照管材含碳量和管道壁厚區(qū)間，結(jié)合根焊和填充、蓋面焊類型，確定焊接預(yù)熱溫度。針對低鋼級、小口徑管道以及在較高環(huán)境溫度下允許焊接不預(yù)熱。高鋼級、大壁厚管道在高寒區(qū)焊接預(yù)熱溫度應(yīng)達(dá)到100～150 ℃。

（3）進(jìn)一步完善標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中焊接預(yù)熱方法選擇適用條件，必要時借助數(shù)字溫度計精準(zhǔn)控制溫升過程。