臧国军 肖大伟 王飞 张宪伟 王海军 王蕾 赵金赢
1中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司油田开发事业部
2国家管网集团西部管道有限责任公司塔里木输油气分公司
3中石油煤层气有限责任公司勘探开发建设分公司
4中国石油天然气股份有限公司华北油田分公司第四采油厂
中俄东线天然气管道工程管径1 422 mm、X80钢级、设计压力12 MPa，具有高钢级、大口径、高压力以及穿越高寒冻土区的特点[1]，对管道抢修换管、低温焊接和在线焊接技术要求更高[2-3]。从20 世纪70 年代开始国外在高寒地区建设多条长输管道，例如俄罗斯东西伯利亚-太平洋原油管道和美国Trans-Alaska 原油管道，美国、俄罗斯在高寒区管道低温焊接技术方面相对成熟，值得研究借鉴[4]。本文针对管道焊接环境温度和焊接预热方法，开展国内外标准对标分析，并调研了国外石油公司管道低温焊接的推荐做法和先进经验，最后提出了管道低温焊接技术改进建议和措施，其研究成果对于提高我国长输管道抢修工作技术水平具有重要意义。
中石油标准Q/SY GD 1037—2014《油气管道维抢修技术及抢修设备机具手册》规定环境温度小于0 ℃、湿度大于90%、风速大于5 m/s，以及雨雪天气，若无有效防护措施，不得进行焊接作业。
美国标准API RP2201—2020《石油与石化行业热开孔作业安全规范》规定当大气温度低于-45 ℃，除非采取特殊应对措施（例如提供临时防风帐篷、小型加热器等），否则不应进行管道在线焊接。
俄罗斯标准РД 153-112-014—1997《石油产品干线输送管道事故和故障处理规程》规定石油产品干线输送管道允许在环境温度-40 ℃以上进行焊接维修，应采取以下防护措施：焊接场所应防风防雪；
彻底清除组对管件端部的积雪和残液，避免水蒸气进入焊接电弧区；
管口组对应满足最小间隙要求，保证焊缝根部焊透，避免产生内应力。
国内标准对高强钢在线焊接环境温度要求过于严苛，调研可知中石油X80 钢级管道最低焊接温度为-5 ℃，通常做法是焊接前将预热温度提高至20～30 ℃，焊接完成后用石棉被覆盖焊道进行保温[5]。调研国外石油公司可知，除非环境温度低于-45 ℃不能进行在线焊接，且对空气湿度没有特定要求；
保证焊条保存状况良好、预热温度满足要求即可进行焊接。如空气湿度较高，焊条存放在专用干燥保温箱中；
如风速超过8～10 m/s，使用专用防风防雨帐篷进行焊接。
焊接前预热目的是降低钢管脆裂敏感性[6]。高强钢焊接应严格选定预热温度和冷却速率，降低焊缝及母材热应力开裂敏感性，低温环境下冷却速率提高，产生粗晶板条马氏体导致焊缝热影响区断裂韧性显著降低[7]。
2.1 焊接前预热做法要求（国内外标准）
GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》规定：①焊前预热和焊后预热处理应根据管道材料性能、焊件厚度、焊接条件、施工现场气候条件，通过焊接工艺评定确定；
②当焊接两种具有不同预热要求的材料时，应以预热温度要求较高的材料为准；
③焊件预热和焊后热处理应受热均匀，并在施焊和应力消除过程中保持规定的温度。
中石油标准Q/SY GD 0233—2013《多年冻土区油气管道维抢修作业规程》规定冻土区必须预热，测温合格后方能焊接。当气温低于-20 ℃时应进行焊口预热，可采用环形管口加热器、电加热带或中频加热等方法。
中石油标准Q/SY 05005—2016《多年冻土区管道管理维护规范》规定严格控制预热、层间隔热，焊前预热及层间温度控制建议采用感应加热器（管壁较薄时可采用电加热带）对管道进行加热，预热及层间温度应满足焊接工艺要求。
俄罗斯标准СП 34-116—1997《工业油气管道设计、建设和改建说明书》规定：①使用手工电弧焊、二氧化碳气体保护焊或使用自保护药芯焊丝半自动焊根焊必须进行预热。管件预热温度取决于管件初始壁厚、焊条药皮类型及成分、环境温度、钢管供货状态、管材金属的碳当量。②使用纤维素焊条进行焊缝根焊时，在任何环境气温下，金属表面温度都应不低于100 ℃；
在焊接热焊道时，金属表面温度应不低于50 ℃。
俄罗斯标准РД 558—1997《天然气管道修理恢复作业的焊管工艺指导性文件》规定：①定位焊以及第一层焊道预热温度应根据管材碳当量、管道壁厚、环境温度以及焊条类型确定；
②管材最小屈服强度不小于539 MPa的填充焊，完成第一道焊层时预热温度不低于额定值的50%；
完成全部焊层时预热温度不低于5 ℃。预热温度低于上述限值，应进行边缘预热。
俄罗斯标准СНиПⅢ-42—1980《干线管道施工和验收规范》规定环境温度不低于-50 ℃可进行焊接施工作业。在0 ℃以下焊接施工时，壁厚大于17 mm 的钢管应使用感应加热器进行焊前预热。
可以看出，国内标准提出了焊接预热要求和方法，但未给出焊接预热具体数值，不能完全指导高寒区管道焊接工作[8]。俄罗斯标准则给出了根焊和填充焊的预热要求，根焊预热温度在50～-100 ℃，填充焊预热温度不低于5 ℃，同时指出壁厚大于17 mm 的钢管焊接必须进行预热。俄罗斯标准更为详细，可操作性强。
2.2 焊接前预热温度范围（国内外标准）
调研可知，中石油在高寒冻土区管道维抢修作业必须预热，测温合格后方能焊接。
国际能源公司Xodus Group 根据焊接环境温度确定管道是否需要预热。如管材等级低于X70、环境温度大于10 ℃，可不进行预热处理。巴西国家石油公司Petrobras 指出管材碳含量高于0.45%，焊接前必须预热。英国Petrofac 石油公司针对含缺陷管道采取在线焊接之前进行预热。
美国Kinder Morgan 公司焊接工艺规程中指出管道焊接前必须预热，管材钢级在X42-X60、壁厚小于25 mm，最低预热温度应满足10 ℃，理想的预热温度范围是93～149 ℃。美国Bechtel 工程公司在管道对口焊接工作开始前，对焊接边缘和与其相邻的管段进行预热，在完成焊缝根焊或定位焊之前进行预热。
俄罗斯Rosneft 公司焊接作业执行РД 558—1997 和СНиПⅢ-42—1980，根据管道壁厚以及管道材质判断管道是否需要在焊接之前进行预热。管道壁厚大于17 mm时，不考虑管材化学成分和环境温度，焊接前必须进行预热。俄罗斯Petrofac 石油公司在冻土区或环境温度低于0 ℃的情况下，管道焊接前必须进行预热。俄罗斯Gazprom天然气公司根据管材化学成分（含碳量）、管壁厚度、环境温度和涂层类型判定管道是否需要进行预热以及预热温度（表1）。如使用纤维素焊条进行焊接，预热温度应满足75 ℃。
表1 俄罗斯Gazprom天然气公司主流焊条焊接前预热温度Tab.1 Preheating temperature of mainstream welding rod of Russia Gazprom Gas Company before welding
调研国外石油公司焊接作业规程可知，针对低钢级、小口径管道以及在较高环境温度下允许焊接前不预热，高钢级、大壁厚管道倾向于焊接前进行预热。其中美国石油公司中、低钢级管道的焊接预热温度在93～149 ℃，最低预热温度不低于10 ℃。俄罗斯天然气公司按照含碳量和管道壁厚规定了焊接预热温度在100～150 ℃，与美国石油公司比较接近，预热温度做法更为细化，具有借鉴意义。因此，高寒冻土区管道焊接预热属于国际管道行业通行、公认做法，预热温度范围在100～150 ℃左右。
2.3 焊接预热温度范围区间推荐做法
根据上述分析，俄罗斯Gazprom天然气公司关于焊接前预热温度做法具有借鉴意义，但仍存在不足之处，壁厚区间划分过细，实际上中、小壁厚管道以及环境温度大于10 ℃情形不需焊接预热，应针对大壁厚管道和低温环境情形规定预热准则；
是否进行预热及预热温度采用字母标注释义模式使用不便。调研我国高寒区中俄原油管道、中俄东线天然气管道参数，并结合俄罗斯Gazprom天然气公司做法，高寒区焊接预热温度范围区间推荐做法见表2。
表2 高寒区管道焊接预热温度推荐做法Tab.2 Recommended practice for preheating temperature of pipeline welding in alpine cold regions
中石油标准Q/SY GD 0233—2013《多年冻土区油气管道维抢修作业规程》规定当气温低于-20 ℃时应进行焊口预热，可采用环形管口加热器、电加热带或中频加热等方法。中石油标准Q/SY 05005—2016《多年冻土区管道管理维护规范》规定焊前预热及层间温度控制建议采用感应加热器（管壁较薄时可采用电加热带）对管道进行加热。
行业标准SY/T 7033—2016《钢质油气管道失效抢修技术规范》规定预热方法有以下要求：①预热方式可采用火焰加热或中频加热；
②对于X70及以上高强度材质的管道，宜采用中频加热，或火焰加热和中频加热相结合的形式；
③管道内部介质温度偏低或介质流速过快时，环向角焊缝的预热应采用火焰加热和中频加热相结合的形式。
调研得知中石油管道套袖补强抢修作业中，使用火焰或中频加热器对待焊的纵向焊口进行预热[9]；
西气东输二线线路焊接技术规范规定，在环境温度低于5 ℃时，宜采用感应加热或电加热的方法进行管口预热，预热范围是坡口两侧75 mm宽度区域[10]。
国际能源公司Xodus Group 最为常用的焊接预热方法是火焰加热技术，该方法易操作、移动性好、加热设备成本低。中频加热技术需要单独使用移动供电系统，因此，中频加热技术适用于室内密闭环境的管道焊接预热，不适用于野外/露天现场焊接预热。
美国Kinder Morgan 公司根据预热需要达到的温度，焊接预热选择火焰预热、电阻预热和中频预热方法，一般情况下采用火焰预热方法（图1）。电阻预热、中频预热适合于处理室内空间的管道焊接预热。
图1 美国Kinder Morgan公司火焰预热技术Fig.1 Flame preheating technology of the United States Kinder Morgan Company
巴西国家石油公司Petrobras 采用火焰预热法，原因是火焰加热法易于控制，并可通过数字温度计控制温升过程。如果管道焊接对冷却速率或者材料回火工艺要求高，则应使用电阻预热。电阻预热在保证焊接区域的预热温度基础上，可对管道大面积区域进行加热，使用电阻预热应根据管道实际情况和业主决定。英国Petrofac 石油公司使用火焰预热技术对焊接管道进行预热，设计专门焊接隔热工棚，同时结合使用电热挡板等保温措施。
俄罗斯Rosneft 公司针对管壁厚度大于17 mm管道焊接施工中采用环形火焰燃烧器对接头进行加热或热处理。针对小口径管道焊接和焊接接头热处理，火焰加热技术采用的是乙炔气、丙烷丁烷混合气（丙烷含量达85%），或者煤油和汽油等。俄罗斯Gazprom天然气公司在管道更换防腐层，采用气体火焰环形喷灯加热管道焊点；
防腐层修复中采用感应线圈加热，线圈数量取决于管道的直径。
可以看出国外石油公司主要使用火焰加热技术，其中巴西国家石油公司Petrobras通过数字温度计控制温升过程，具有借鉴意义。如需要焊接精准预热和冷却条件，以及在帐篷等室内环境下，可采用电阻预热或中频加热技术。国内外焊接预热技术基本一致，可借鉴国外做法进一步完善焊接预热方法适用条件。
我国大口径、高钢级天然气管道维抢修技术研究还处于初级阶段，应借鉴国外标准先进理念和国外石油公司实践做法，为管道安全高效运行提供技术支持。建议如下：
（1）酌情提高管道最低焊接温度限值，进一步完善标准规范中管道焊接预热温度、焊后保温措施、焊条质量等要求，恶劣环境下推荐采用防风防雨帐篷实施焊接作业。
（2）参考国外石油公司通行做法，按照管材含碳量和管道壁厚区间，结合根焊和填充、盖面焊类型，确定焊接预热温度。针对低钢级、小口径管道以及在较高环境温度下允许焊接不预热。高钢级、大壁厚管道在高寒区焊接预热温度应达到100～150 ℃。
（3）进一步完善标准规范中焊接预热方法选择适用条件，必要时借助数字温度计精准控制温升过程。
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