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1、油气管道施工新技术综述中国石油天然气管道科学研究院薛振奎摘要面对国外管道建设的发展，提高我国管道建设施工的技术和设备，拥有独 立自主的知识产权，在国家重点工程建设中发挥巨大作用。一、引言到目前为止，我国已经相继建成的原油、天然气、成品油、海底油气管道约3104 km。陆上原油管道主要分布在东北、华北、华东和西北地区约14X 104 km。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，濮阳至沧州，陕北靖边至北京，西安至银川、塔中至轮南，鄯 善至乌鲁木齐、涩北至西宁、兰州及目前正在施工的“西气东输”输气管道，共计1104km左右。成
2、品油管道大都距离较短，长距离管道除早期建设的格拉管道外，还有90 年代以后建成的克拉玛依至乌鲁木齐，抚顺至营口鲅鱼圈，塘沽至天津、北京，镇海至 杭州，和兰州至成都、重庆成品油管道，约计3000 km。海洋油气管道主要分布在渤海 湾、辽东湾、黄海、东海北部、南海的珠江口还有莺歌海等约计2000 km。近四十年，长输管道工程得到飞速发展，管道敷设从平川走向高山、沙漠和大海； 从温带、热带走向极地。管道输送压力从4 MPa到10 MPa以上；从低压小管径输送到 高压大管径输送。管材的强度从A、B级的碳素钢、C-Kn钢到高强度级别的X70、X80、甚至X100的微合金化控轧钢、调质钢，以至输送带有腐蚀
3、性混合物(也S、CO。、CL) 的介质等。钢管开始趋向大口径、大壁厚、高钢级、高韧性、耐腐蚀方向发展。管道工程的发展使管道焊接施工条件复杂化、多样化。管道焊接施工必须从现场实际出发，用最短的 时间、最少的费用完成最可靠的工程。这就形成了管道焊接施工的自身特点。长输管道焊接施工是在复杂气候条件、苛刻的地理条件、不同温度作用和全位置操作条件下进行 的一种焊接工程。长输管道焊接施工工艺的合适与否直接关系着管道的施工质量、投入 成本和施工效率，直接关系着管道运行的安全性、可靠性和经济效益。二、国外油气管道的发展趋势目前，全世界大型长输管道的总长已超过200X 104km，并以每年4X 1045104k
4、m 的速度增长。随着天然气工业的发展，国外输气管道的发展趋向于大口径和高压输送， 从而大大降低钢材用量和建设成本，并且增加管道的输送能力，实现最佳的效益目标， 例如采用X100管子比采用X66和X70节约费用30左右，节约管道建设成本1012。 为此需要提高管材的强度等级，并对钢管提出了严格的技术要求。国外的大口径输气管道己普遍采用X70钢级；技术水平高的X80管道钢板的生产在 欧洲、北美和日本的主要钢厂都得到开发，并已铺设了大约500 km的X80输气管道， NOVA公司(已并入TransCanada)已将X80作为新建输气管道的基本选材，在阿拉斯加 液化天然气项目中，考虑建设一条1290
5、km的天然气管道，管径为711 mm或762 m， 钢级为X80，壁厚156167册。X100管道钢管已由日本NKK、新日铁、住友、川崎和欧洲钢管公司开发出来。ECSC、 CSM和欧洲钢管正联合研究管径达1420册、输送压力15 MPa条件下X100钢管的断裂 行为，还采用实验室试验和全尺寸爆破试验，对其可行性进行了论证。与此同时，由埃 克、住友金属、新日铁共同进行了X120及125的研究。X100及以上管道钢管目前还未 得到商业应用的主要原因是对材料性能、安装技术和现场试验还需进一步验证和更好的 了解。随着输送压力提高到10 MPa左右，X70钢管逐步得到广泛应用，已占主导地位。 目前，输气
6、管道的设计和运行压力已达15 MPa甚至20 MPa，有些管道甚至考虑采用更 高的压力。国外有人论证了在非常高的压力(6516 MPa)下输送大流量(超过17x108 Wd)天然气管道的商业可行性。采用高压输送和高钢级管材的组合是新建管道重要的发展趋势。据JFE集匦公司介绍，日本NKK公司是世界上第一个具有大规模生产能力生产X100 高强度等级钢管的厂家，而加拿大的Transcanada管道有限公司则是世界上第一家在天 然气管道上使用X100高强度钢管的公司。该天然气管道是加拿大TransCanada公司的158West Path扩建项目，旨在将日天然气输量提高1003d，日输量约为350mV
7、d和365 m3d。该项目包括几段线路总长约80km，管径分别为508彻(20in)和1219舢(48in)。 该项目经阿尔伯达能源事务管理局批准后，首次在管道上采用了由日本NKK生产的 X100、管径1219 mm(48in)、壁厚143 mm的管子1 km，作为工业性试验。该项目2002 年6月开工，9月完成管道安装，11月开始运行。项目完成后，刷新了TransCanada公司的几项管道建设的记录，如：成本最低、管材等级最高等。目前，不锈钢钢管也开始使用。在国内使用生产最多的是奥氏体不锈钢(90以上) 和少量的铁素体及双相不锈钢。采用的焊接方法主要有钨极氩弧焊、高频焊、等离子焊 和激光焊。
8、复合材料增强钢管正在开发，即在高钢级管材外部包覆一层玻璃钢和合成树脂，采 用这种管材，可进一步提高输送压力，降低建设成本，同时可增加管输量，增加管子抵 抗各种破坏的能力和安全性。另外种双金属复合管道也得到使用，这种管道是以普通碳钢管或合金钢管为基 材，以薄壁不锈钢、铜、钛等耐蚀合金管材为内衬，利用航天爆燃技术将基管与内衬紧 密贴合，在保证原基管各项性能的基础上，提高了管道的耐腐蚀性，延长了管道的使用 寿命。三、国内油气管道施工技术的发展随着科技的发展，以西气东输为重点的油气管道建设工程集中应用了一批具有国际 先进水平的技术和装备，国内管道施工技术达到了世界先进水平。管道科学研究院依托 西气东输
9、工程，研制开发了一大批具有自主知识产权的施工技术和设备，并在工程中得 到应用，取得了良好的经济效益，提升了国内管道施工技术与装备水平，为适应我国管 道建设发展需要奠定了基础。1、西气东输线路工程焊接工艺研究 “西气东输”干线西起新疆东至上海，线路全长近4000 km，是国家实旋西部大开发战略的重要内容之一，干线主要采用API 5L XTO级螺纹管，管径为1016 mill，壁厚 为146262衄，设计压力10 MPa，其管口直径之大、设计压力之高、运距之长、管 材之高强度在我国管道建设史上是前所未有的，是一项世界级规模的输气管道工程。 “西气东输”线路施工第一次大规模使用自动焊方法。结合“西气
10、东输”管道工程用钢管，进行焊接工艺试验和理论分析研究，提出X70钢的可焊性研究结论，提出厚壁钢管 的焊接接头设计方案，提出主线路焊接的焊接方法和焊接工艺匹配方案，为工程选择适 用的焊接材料和焊接工艺规程提供参考。(1)首次针对大口径、厚壁、高强度级别X70管道钢进行了焊接性试验和环焊接 头试验，填补了我国高强度管道钢在长距离输气管道上应用的空白，为X70管道钢的实 际应用提供了可靠的技术保证。(2)首次进行了长输管道用复合型坡口形式设计及试验，为长输管道施工提供了 新的焊接接头坡口形式，在保证焊接质量的前提下提高了施工效率，减少了焊接材料消 耗，具有显著的经济效益和社会效益。(3)首次针对管道
11、自动外焊、管道自动内焊、STT半自动根焊、脉冲根焊等先进 的焊接技术进行焊接工艺试验研究，为这些新型焊接技术在我国长距离管道建设中的推 广应用奠定了扎实的基础，具有较高的经济效益和社会效益。该项成果共得出包括自动焊、半自动焊、手工焊、连头焊、返修焊等共35组不同 组合的焊接工艺规程。其中34组焊接工艺组合被确定为西气东输工程主线路焊接可直 接运用的工艺规程，成为西气东输管道工程主线路焊接施工的指导性文件。研究成果属 国内领先，达到国际先进水平。2、PAW2000管道全位置自动焊机 一种用于大口径管道环缝焊接的专用设备，可通过计算机对各项焊接参数进行编程预置，准确控制空间位置、焊接速度、送丝速度
12、、焊接电压、摆动宽度、摆动轨迹、摆 动速率和边沿停留时间，从而实施全位置自动焊接。该机的自动控制系统采用了先进的 运动控制技术和高度集成化的控制元器件，自动化程度高，具有多项自动保护预警功能 和很高的MTBF(平均无故障时间)指标。自动控制系统的DSP运动控制主板由高速数 字信号处理器(DSP)、高速静态存储器SRAM、在线可编程逻辑单元CPLD、外围控制电 路和接口电路组成，完成对整个焊接系统的自动控制。(1)DSP高速数字信号处理器和CPLD大规模可编程集成电路为核心的全数字运动 控制技术，控制精度和可靠性高。(2)铰链式焊接小车，可适用各种管径，调整方便。 (3)快装式专用轨道，重量轻，
13、装卸便捷。1603、管端坡口整形机管端坡口整形机是管道现场施工中加工坡口的专用设备，具有坡口速度快、精度高 等优点。由于管道全位置自动焊接对坡口的形状和精度有一定标准，而管厂出来的管口 不能满足全自动焊接的需求，因此必须使用坡口机现场加工坡口。管端坡口整形机由自动涨圆定心装置、切削主传动机构、刀盘轴向进给机构、护板 及导向机构、液压系统等组成部分。油缸推动活塞杆带动顶杆动作，由项块实现自动定 位。切削盘是切削的执行元件。切削盘上布置了46个切削刀座，每个刀座上可必：嶷 卡一把切刀，通过对刀盘刀架上的切刀进行组合可加工V型、u型、x型以及各种复合 型坡口。刀盘轴向进给机构主要实现切削盘的轴向进给
14、运动(包括工进和快进)。它由 进给液压马达经减速器、丝杠、螺母和驱动销带动刀盘实现轴向进给。整机全部采用液 压控制。(1)使用电子调速器，保证坡口机主切削刀盘旋转时柴油机达到工作额定转速， 刀盘停止运动时，柴油机处于带速，从而大大节省柴油的消耗量。(2)液压系统使用闭式回路，降低能耗，极大发挥系统的效率。4、管道气动内对口器 管道气动内对口器是长输管道建设过程中管口组对必不可少的施工设备。在施焊之前，现场将两根钢管组对，并且使两根组对后的钢管同轴度、管口的错边量等都能满足 焊接要求。气动内对口器的显著特点是以压缩空气作为动力，执行元件如气缸、气控换 向阀等工作可靠，操作简单。该设备采用卧式长构
15、架形式，主要由扩涨装置、行走装置、扩涨导向及操纵装置、 气动系统等部分组成。扩涨装置设有两套涨管器，每套涨管器沿圆周方向上均匀布置18个压块，通过两套气缸及两套机械连杆机构使压块均匀地顶靠在需组对的两根钢管 的内壁上，并能保证两根钢管管口在对口器涨紧时处于同心圆上。行走装置与扩涨装置 相连，并与扩涨装置共同组成对口器的长构架式机身。行走装置上设有驱动轮机构、刹 车制动装置、行走轮、支撑轮机构、储气罐。每套驱动轮机构由气马达、减速机、驱动 轮等组成。扩涨导向由弧形筋板组成，扩涨导向内分别安装有前后涨管器涨紧、放松按 钮，行走气马达的开关控制阀，驱动轮伸出、缩回转阀等操作元件。对口器设有自动刹 车
16、功能、刹车与行走互锁功能，确保设备在使用过程中设备与人员的安全。(1)加装中间定位盘，保证对口器受力均匀，提高对口精度。161(2)实现行走和制动互锁，确保设备使用的安全性。5、大口径数控式内环缝自动焊机 PIW3640管道内环缝自动焊机整机设计合理、结构紧凑。焊接单元体积小、结构合理；行走机构不仅保证行走速度快慢可调，整机功能齐全、操作简单方便。焊接速度快， 焊接过程平稳，焊缝成型良好。(1)对口与多焊炬同步焊接驱动机构一体化设计新颖。 (2)多焊炬定位对中机构定位精度高。 (3)数字控制系统实现了焊接过程和焊接参数的程序控制。 (4)送丝速度自检测功能大大方便现场测试。 (5)焊机行走与制动互锁确保了操作安全可靠。 PIW3640管道内环缝自动焊机为国内首创，填补国内管道施工领域的技术空白。管道内环缝自动焊机根焊速度快、质量高，是管道实施高效焊接关键的设备。实施成果的 产业化，可以进一步提高我国管道施工行业的技术水平。6、管道双焊头全位置自动焊机及单面焊双面成型工艺研究 PAW3000双焊炬管道全位置自动焊机，可完成油气输送
