油氣長輸管道焊接方法及焊材用量計(jì)算

李 丹

中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

1. 引言

油氣長輸管道敷設(shè)存在路線長，被覆蓋區(qū)域跨度大、范圍廣，地形地貌復(fù)雜等特點(diǎn)，施工現(xiàn)場所處的自然條件也時(shí)刻發(fā)生變化，因而長輸管道的焊接方式也隨著現(xiàn)場環(huán)境的差異而不同。

目前，隨著管線鋼性能的提高，焊接材料、焊接技術(shù)在不斷的進(jìn)步，管線焊接工藝也隨之變化，現(xiàn)已發(fā)展出許多種焊接工藝，主要有手工焊條上向焊、手工焊條下向焊、自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊、熔化極氣體保護(hù)焊、管道全位置自動(dòng)焊等。在我國長輸管道施工中最常用的是下向焊、半自動(dòng)焊、氣體保護(hù)焊，這些焊接工藝可以與先進(jìn)的設(shè)備相配合，使油氣長輸管道施工實(shí)現(xiàn)機(jī)械化流水作業(yè)。

這些焊接工藝各具特點(diǎn)。手工焊設(shè)備簡單，進(jìn)場方便，施工時(shí)占地少，適合局部困難地段(如設(shè)備難以到達(dá)的山區(qū)地段)以及碰死口和返修焊接。下向焊和半自動(dòng)焊接工藝所需設(shè)備少，且設(shè)備體積小、故障率低、機(jī)動(dòng)靈活，這種方式焊接質(zhì)量均勻可靠，速度快，在管道建設(shè)上發(fā)展普及很快，目前已成為國內(nèi)大型管道焊接的主要方式。全自動(dòng)焊接工藝效率高、焊接合格率高，可以減輕焊工勞動(dòng)強(qiáng)度，但全自動(dòng)焊設(shè)備重、設(shè)備昂貴、不宜搬遷。全自動(dòng)焊接工藝適用于大口徑管線，及平原地區(qū)穿越、連頭較少地段的管線施工，在山區(qū)和地形復(fù)雜的地段難以發(fā)揮其優(yōu)勢。

2. 焊材用量計(jì)算

焊口截面積相關(guān)參數(shù)要根據(jù)管道坡口具體尺寸確定。為了便于計(jì)算，分別以鐵大線安全改造工程(鞍山-大連段)和中緬天然氣管道工程(國內(nèi)段)為例，相關(guān)參數(shù)根據(jù)該工程的焊接工藝規(guī)程要求和管材合同文件來確定。

2.1. 焊條電弧焊

焊條電弧焊常采用組合焊的方式，根據(jù)管道所用材質(zhì)、運(yùn)行壓力、介質(zhì)成分等會(huì)選用不同型號或牌號的焊條。為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，同一焊縫中不同焊道的焊條用量應(yīng)分別計(jì)算，這樣就能準(zhǔn)確掌握不同型號或牌號的焊條需求用量。油氣管道焊接中，采用焊條按照藥皮類型分類，主要有纖維素型、低氫鈉型、低氫鉀型，絕大多數(shù)為非鐵粉型焊條，其消耗定額理論計(jì)算公式為[1]：

少數(shù)管道焊接采用了鐵粉低氫型焊條，其計(jì)算公式為：

式中：G——焊條用量，kg；A——焊縫熔敷金屬截面積，mm2；L——焊縫長度，mm；

ρ——焊條金屬密度，7.85 g/cm3；Kb——藥皮的質(zhì)量系數(shù)，取25%～40%；

Kn——金屬由焊條到焊縫的轉(zhuǎn)熔系數(shù)，包括燃燒、飛濺損失為5%～10%，未利用的焊條頭損失為10%～15%，故轉(zhuǎn)熔系數(shù)取0.75～0.85。

Ks——焊條的損失系數(shù)，取0.33～0.6。以非鐵粉型焊條電弧焊為例，焊條的消耗量與其藥皮質(zhì)量系數(shù)、轉(zhuǎn)熔系數(shù)、焊縫面積有關(guān)。不同的牌號焊條的Kb 和Kn 值不盡相同，具體值可根據(jù)廠家提供的相關(guān)資料查詢。焊條電弧焊焊材用量計(jì)算以鐵大線安全改造工程(鞍山-大連段)線路焊接為例，根焊為纖維素焊條(E6010, AWS A 5.1)取值為Kb =0.40，Kn = 0.77 [1]，熱焊、填充及蓋面為低氫焊條(E5515-G, GB/T5518)取值為Kb = 0.32，Kn = 0.80 [1]。焊條直徑為Φ3.2/4.0 mm。

由于油氣管道焊接以環(huán)向?qū)雍缚p為主，其焊接位置(見下圖1)包括平焊(近似11 至1 點(diǎn)位置)、立焊(近似1 至5 點(diǎn)和7 點(diǎn)至11 點(diǎn)位置)及仰焊(近似5 至7 點(diǎn)位置)，各焊接位置單位長度焊條消耗量不同。在立焊位置時(shí)，焊條消耗量比在平焊位置時(shí)增加10 %，在仰焊位置時(shí)，焊條消耗量比在平焊位置時(shí)增加20% [2]。在施工中，還存在焊條的損耗，如運(yùn)輸、保管過程中焊條的損失，焊接中焊條未充分利用(焊條剩余較多而棄用)，少量焊條藥皮有裂紋、氣泡、雜質(zhì)、脫落、破裂而無法使用，還有其它原因造成的焊條棄用(如彎折、偏心度超標(biāo)，引弧失敗等)，因此計(jì)算焊條用量應(yīng)考慮損耗量，按1.2 的系數(shù)計(jì)算。

因此，手工電弧焊所用焊條用量可修正為：

單個(gè)焊口用量為：

式中：G——單個(gè)焊口焊條用量，kg；D——管道直徑，mm。

根據(jù)公式(3)和相關(guān)參數(shù)值，可計(jì)算出鐵大線安全改造工程(鞍山-大連段)線路采用手工電弧焊時(shí)單口焊條用量。計(jì)算值見下表1。

Figure 1. Diagram of welding position schematic圖1. 焊接位置示意圖

Table 1. Calculation of welding materials consumption in Tie Da safety reformation project (Anshan-Dalian)表1. 鐵大線安全改造工程(鞍山-大連段)焊材用量計(jì)算

2.2. 自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊

自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊焊接工藝一般與其它根焊工藝組合使用，根焊選用焊條電弧焊或STT 焊接。自保護(hù)藥芯焊絲的定額計(jì)算公式見式(4)。

式中：Kn——金屬由焊絲到焊縫的轉(zhuǎn)熔系數(shù)，包括燒損、飛濺等損失，藥芯焊絲Kn取0.72～0.75。

不同的焊接位置，焊絲單位消耗量也不同，對于管道全位置焊接，焊絲用量與焊條用量一樣，可乘以一個(gè)1.1 系數(shù)；施工中還存在焊絲未充分利用、損失的情況，可乘以1.05 系數(shù)，焊絲耗量的理論公式可以修正為：

采用手工電弧焊 + 藥芯焊絲半自動(dòng)焊工藝，可計(jì)算出鐵大線安全改造工程(鞍山-大連段)線路(Φ 813 管道)采用藥芯焊絲半自動(dòng)焊時(shí)單口焊材用量，計(jì)算值見表2。

采用STT 根焊 + 藥芯焊絲半自動(dòng)焊工藝，根焊焊絲計(jì)算同公式(6)；填充、蓋面藥芯焊絲計(jì)算均同公式(6)，其中氣體保護(hù)焊實(shí)心焊絲轉(zhuǎn)熔系數(shù)Kn 取0.9～0.95，可計(jì)算出中緬天然氣管道工程(國內(nèi)段)線路采用STT 根焊 + 藥芯焊絲半自動(dòng)焊時(shí)單口焊材用量，見下表2。

Table 2. Calculation of welding materials consumption in Myanmar-China oil & gas pipeline project表2. 中緬天然氣管道工程(國內(nèi)段)焊材用量計(jì)算

2.3. 全自動(dòng)焊

全自動(dòng)焊采用氣體保護(hù)焊實(shí)心焊絲進(jìn)行焊接，其根焊與填充蓋面焊采取不同型號規(guī)格的焊絲，應(yīng)分別計(jì)算。

由于上述公式計(jì)算非常復(fù)雜，為了提高效率和確保計(jì)算的精確性，可利用Excel 表格中的自動(dòng)計(jì)算功能，將相關(guān)公式編制設(shè)定，輸入?yún)?shù)后自動(dòng)生成結(jié)果，可得出需要的數(shù)值。以規(guī)格為Φ813 × 11 mm 的管道纖維素焊條根焊 + 藥芯焊絲半自動(dòng)焊填蓋工藝用量計(jì)算為例，見下表3。

Table 3. Calculate welding materials consumption with Excel table formula表3. 焊材用量Excel 公式計(jì)算表

3. 計(jì)算結(jié)果分析

以鐵大線安全改造工程(鞍山-大連段)第一標(biāo)段線路為例，其主線路及連頭焊接均已完成，全部采用纖維素焊條根焊 + 自保護(hù)藥芯半自動(dòng)焊填蓋，根據(jù)EPC 項(xiàng)目部焊材領(lǐng)用消耗明細(xì)提供的數(shù)據(jù)，纖維素焊條與藥芯焊絲消耗系數(shù)分別為0.69 Kg/口、2.47 Kg/口；壁厚11 mm 的管道焊口3017 個(gè)，壁厚12.5 mm的管道焊口1836 個(gè)，根據(jù)上表2 的計(jì)算數(shù)據(jù)，折合到單口纖維素焊條與藥芯焊絲計(jì)算用量分別為0.43 Kg/口、2.55 Kg/口。對比焊材消耗計(jì)算與實(shí)際值，根焊(纖維素)焊條消耗計(jì)算值偏小，與實(shí)際用量偏差較大，藥芯焊絲消耗計(jì)算值與實(shí)際值基本吻合。對比現(xiàn)行定額[3]，半自動(dòng)焊根焊焊條、藥芯焊絲的計(jì)算用量略小于定額用量；根焊焊條實(shí)際用量稍大于定額用量，藥芯焊絲實(shí)際用量略小于定額用量。由此可分析判斷出該標(biāo)段纖維素焊條在現(xiàn)場施工中的使用效率偏低，未充分利用，損耗浪費(fèi)較多。

4. 結(jié)論

長輸管道焊接是一個(gè)長期的動(dòng)態(tài)過程，焊材用量的確定存在諸多不確定因素，如焊工的熟練度、個(gè)人習(xí)慣不同，每道焊口對口間隙不一致，不同批次管材的坡口可能不同，管材實(shí)際壁厚與名義壁厚存在偏差，施工現(xiàn)場環(huán)境、場地的變化，焊接設(shè)備調(diào)試的狀況，相同型號不同牌號的焊材質(zhì)量、性能和參數(shù)(如焊條藥皮系數(shù)、轉(zhuǎn)熔系數(shù))的不同，焊材運(yùn)輸、保管、領(lǐng)用過程中的損耗不同等。因此以上公式計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際值會(huì)存在偏差，但其計(jì)算結(jié)果對其它工程可提供參考，在不同的工程中根據(jù)實(shí)際修正相關(guān)參數(shù)，讓計(jì)算值與實(shí)際值的偏差盡可能減小，提高準(zhǔn)確性，這樣上述計(jì)算方法可準(zhǔn)確地指導(dǎo)施工，確定消耗定額，避免焊材過量造成浪費(fèi)，并導(dǎo)致庫存積壓，增加了保管成本；也可避免焊材不足影響采辦和施工進(jìn)度，并導(dǎo)致二次追加增加運(yùn)輸成本，尤其國際項(xiàng)目存在距離遠(yuǎn)、運(yùn)輸成本高，物資清關(guān)時(shí)間長的特點(diǎn)，焊材用量計(jì)算準(zhǔn)確性更顯重要。