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副总工程师隋永莉博士做了题为“长输油气管道高强度管线钢管现场焊接技术”的演讲。隋总首先介绍了我国长输油气管道的现状。截至2013年底，我国已建成长输油气管道总里程达到10.6万km，覆盖31个省区市和特别行政区，使近10亿人口受益。其中，天然气管道6万km，原油管道2.6万km，成品油管道2万km。至此，我国形成了横跨东西、纵贯南北、连通海外的油气管网格局，成为推动经济发展和造福民生的能源动脉。与此同时，长输油气管道的输量和运距都在不断增加，管道建设越来越多地使用大口径（如Φ1016mm、Φ1219mm）、高强韧性（如X70、X80）的管线钢管。高强度管线钢是低碳微合金控轧控冷的产物，我国的研究开发和应用起步较晚，但速度较快，现已开发出X70、X80、X90和X100强度等级的管线钢管，在化学成份设计、合金含量控制、轧制工艺和钢管制造等方面日益完善，在解决焊接冷裂纹和焊接热影响区（HAZ）脆化等方面优势明显。
隋总指出，与管线钢管的快速发展相比，焊接技术发展和应用则相对滞后，环焊缝焊接在很长一段时间内都是以纤维素焊条手工焊和自保护药芯焊丝半自动焊为主。2001年西气东输管道工程建设期间，我国开始推广应用管道自动焊技术，至今采用引进的国外设备和研发的国产设备累计焊接管道长度约2600公里。1.1?我国管线钢管的发展与应用现状
20世纪50年代到70年代，我国管道建设用钢管主要为Q235和16Mn，焊接性较差。1971年根据工程建设需要，在以后的近20年时间里从日本进口数百万吨TSK52钢板用于石油天然气管道建设。到20世纪90年代，面临大规模建设高压输送管道的形势，开始考虑管线钢生产的国产化。在“八五”期间开展了冶金和石油系统联合攻关，成功研制和开发X52~X65管线钢。20世纪90年代建设的鄯乌输气管线、陕京输气管线和库鄯输油管线三条油气管线，采用的热轧板卷就是由国内的两个钢厂生产的X52、X60和X65。目前，我国超过10家钢厂具有生产管线钢的能力，但限于原料、装备、技术水平的不同，其性能指标有较大差异。
1999年，筹建西气东输管道工程时，决定采用X70管线钢管，由此开始X70管线钢管的开发工作。2000年9月，X70螺旋缝埋弧焊管首次应用于涩宁兰管道X70试验段。2001年9月，第一批X70螺旋缝埋弧焊管应用于西气东输工程新疆段。西气东输工程和陕京二线天然气管道工程标志着我国采用大口径、厚壁、高压输送管的新起点。
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图2?管线用钢的发展历程
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管线钢基于低C-Mn-Si合金化而发展起来，以铁素体/珠光体钢和铁素体/针状铁素体钢两种组织类型为基础。近年来研发的X100、X120则是第三种组织类型，是在针状铁素体基体上含有少量马氏体和粒状贝氏体的组织。1.2?高强度钢管的焊接技术难点
管线钢的发展历史表明，钢级的提高一方面是依靠冶金成份设计技术的突破；另一方面是精确控制合金含量、轧制以及加速冷却等冶炼、轧制工艺的改进。管线钢在解决冷裂纹和HAZ脆化现象方面优势明显，但在焊接过程中面临着新的技术难点：
（1）钢的屈强比增加，应变硬化能力降低。随着管线钢强度的提高，屈强比增加。高屈强比表明钢的应变硬化能力降低，管线抗侧向弯曲能力降低。因而，管线在土质不稳定区、不连续冻土区及地震带等地区的不安全性增大。这对环焊接头提出更为严格的要求。如焊接接头具有高强匹配、更高的低温冲击韧性和断裂韧性等。
（2）钢的合金化元素含量增加，焊接性有所降低。为提高管线钢的强度，需要添加较多的合金元素及一些微合金化元素。如X65钢的碳当量约为0.31~0.35，X70钢的碳当量约为0.36~0.38，X80钢的碳当量约为0.42~0.46。因添加较多合金元素，焊接过程中受母材熔合比的影响，将对焊接工艺稳定性和焊接热影响区、焊缝金属的强度、韧性、硬度等综合性能产生影响。这对焊接坡口形式设计、焊接工艺参数制定和焊接材料选择提出更高要求。
（3）焊接热影响区（HAZ）脆化和软化现象。焊接过程中，由于焊后冷却速度低于轧制冷却期间的冷却速度，晶粒长大及微合金元素形成的第二相质点溶解，高强度管线钢的HAZ脆化和软化。X70钢的脆化和软化现象并不显著，但X80及以上级别管线钢比较明显。特别是焊接热输入量较大时，脆化和软化现象较为严重。这对焊接工艺提出较高要求：严格控制焊前预热温度和焊接热输入量在较小范围之内。
（4）环焊接头与母材的强韧性匹配。管线钢是低碳微合金控轧及加速冷却的产物，有较高的力学性能。而焊缝是由电弧熔化凝固的“铸态”组织，其强韧性匹配关系远较经过热机械控制工艺（TMCP-）处理的钢管为差，要达到与母材等韧相当困难。为保证长输管道的安全可靠，环焊缝需满足一定的强韧性指标要
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图3?在严酷气候条件下的管线铺设与施工
自2010年开始进行更高效率、更优质量、更好节能的新型管道自动焊技术的研发工作，相继开展激光电弧复合焊、单炬双丝电弧焊、多焊炬（6炬及以上）外焊机熔化极气保护电弧焊等自动焊设备和技术的科研攻关。目前，已形成样机，并进行了大量焊接试验，以便设备和技术持续改进。
目前，管道焊接施工采用的主要焊接工艺有纤维素焊条和自保护药芯焊丝组合的半自动焊工艺（SMAW+FCAW-S，通常称为半自动焊），实心焊丝或金属粉芯焊丝脉冲气保护和自保护药芯焊丝组合的半自动焊工艺（PGMAW+FCAW-S，通常称为半自动焊），实心焊丝气保护自动焊工艺（GMAW，通常称为自动焊）和纤维素焊条以及低氢焊条组合的手工焊工艺（SMAW，通常称为手工焊）。
其中，纤维素焊条和自保护药芯焊丝组合的半自动焊工艺（S M A W +?FCAW-S）主要用于X70及以下强度等级管线钢管的焊接，实心焊丝或金属粉芯焊丝脉冲气保护和自保护药芯焊丝组合的半自动焊工艺（PGMAW+FCAW-S）主要用于X80钢管的焊接。自20世纪80年代以来，纤维素焊条根焊一直是我国管道建设中广泛采用的焊接方法，但根据X80钢管焊接冷裂纹敏感性试验结果，为避免根焊产生焊接冷裂纹，X80钢管的根焊推荐使用低氢型焊条、实心焊丝、金属粉芯焊丝等低氢型焊材。实际工程应用中，实心焊丝和金属粉芯焊丝两种脉冲气保护半自动根焊方法由于熔敷效率较高，用于主要的根焊工艺。低氢型焊条根焊效率低，只是在连头和全壁厚返修的根焊中应用。1999年以来，采用自保护药芯焊丝组合的半自动焊工艺，累计完成的管道长度达我国管道建设总里程的85%以上。
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斯坦等国家的长输管道工程建设中。NOREAST的自动焊设备和技术主要面对中东、俄罗斯、乌克兰等大口径石油天然气长输管道建设市场。RMS公司则主要面向加拿大石油天然气长输管道建设市场。主要技术方向转为双焊炬，单焊炬产品已停产。
我国引进自动焊设备的方式主要为购买，技术培训和产品保质期之后，生产商不再免费提供技术支持和产品售后服务。如有技术支持和售后服务的需求，要另外支付昂贵费用。使早期引进的自动焊系统技术落后、设备老化，没有达到与国外设备和技术现状的同步。在我国引进的自动焊设备中，意大利PWT根焊外焊机由于根焊缺欠率较高，且与半自动根焊方法相比焊接效率提高不显著，在西气东输和陕京二线管道工程后较少使用。英国NOREAST、加拿大RMS及国内较早研发的外焊机，设备和技术基本停留在2001年的水平，部件老化严重，故障率高，现在也较少使用。
隋总在演讲结束时强调，随着对清洁能源需求的不断增长，我国所拥有的石油天然气长输管道里程逐年增长。同时，管道建设用钢管的强度等级、管径、壁厚和输送压力逐步提高，对管道现场焊接施工技术提出新的挑战，高强度等级管道环焊缝的质量与安全问题突显，成为制约高强度等级管道发展的瓶颈。与国外同行相比，我国目前的管道现场焊接存在技术与管理模式的差异。在今后一段时间的管道建设中，自保护药芯焊丝半自动焊和低氢焊条手工焊工艺仍然是可选方法，但管道自动焊技术的应用将会越来越广泛。1.5?他山之石，可以攻玉
论坛的特邀演讲人美国伊利诺伊大学芝加哥分校Prof.J.Ernesto?Indacochea做了题为“低合金高强钢的焊接及其冶金问题”报告。他以管线钢为例，介绍了低合金高强钢（HSLA）的特点和可焊性的发展历史与思路，以及焊接时需要注意的问题。
自20世纪60年代起，微合金化管材应用于大管径的油气输送，产量占钢铁总产量的12%。表2是美国自1910年以来输油气管材的发展情况，显示出使役压力、管径和输运流量等三方面的持续增加。图4给出20世纪70年代以来管线钢强度的发展，从原来通过热处理的正火+回火方法发展到热机械控制工艺+加速冷却的新一代轧控方法。
20世纪70年代以来管线钢强度随制造工艺的进步不断提高
50μm
×60
ASTM 7/80.20% C
×70
ASTM 10/110.12% C
×80
ASTM 12/130.08% C
Indacochea教授从焊接冶金角度分析了钢的强化机理。其中，焊后接头的微观组织、应力状态以及氢含量是制定焊接工艺的三个要素（图5）。以往的中碳低
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图5?高强钢焊接的三个要素图6?高强钢的可焊性与
P
CM
值的关系
好
差
P CM
0.150.20
0.25
可
焊
性
焊后接头的微观组织
氢含量
1.6?“焊得好”是一种艺术
肯倍（Kemppi）贸易（北京）有限公司Dr.Petteri?Jernstr?m博士做了题为“熔化极气体保护电弧焊的先进管道焊接技术”报告，介绍了一种为提高管道环焊质量和效率的新焊接工艺“Wise?Root+”。
WiseRoot+工艺具有很高的电压测量精度，而电压则用作对电流控制的信息。当电源检测到短路时，电流在受控状态下增加，并促进焊丝向填充金属的熔滴过渡。由于测量精度非常高，在填充金属熔滴落下之前，电流便已下降，且短路状态也随之终止；当短路终止于一个弱电流点时，填充金属平缓过渡，且不会产生飞溅；短路终止后，电流中产生一个脉冲，使熔池温度升高，但不会引起填充金属过渡（图7）。
图7?WiseRoot+工艺电流和电压在一个短路周期内的变化
短路阶段
燃弧阶段
细调
+9
-9
图9?根部凹陷（上）和符合要求（下）的焊缝
在焊接固定管道时，可能需要随着焊接位置的变化调整焊接参数。使用FastMig?X设备，可在不中断焊接过程的情况下完成操作，随时改变存储通道，适合各个位置的最优参数保存在MatchChannel存储器中，以便操作。如果焊接的起
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WiseRoot+工艺具有以下优
势：间隙≤2mm、坡口钝边≥2mm 时，都确保充分焊透。对于较厚工件，采用双V形坡口或U形坡口更具
成本效益，这两类焊缝均有助于减小焊缝尺寸。类似的间隙和坡口钝边也可用于单面和双面V形坡口。对于U形坡口，由于焊接速度较快，焊接工艺参数须设置得很高，建议使用自动焊接。
该工艺非常适合管材根焊，焊机提供一系列焊接程序包。在焊接结构钢、不锈钢和高合金钢时，可以根据所使用的各类填充材料选择合适的焊接程序包。主要关注点为所有位置上的管道对接接头的根焊。
WiseRoot+工艺已经进行了焊接试验。试验条件是外径为Φ600mm 的水平安装X 60钢管。钢管
壁厚12mm，接头V形。间隙宽度2~3mm，
坡口钝边1.5~2mm。表3中给出焊接试验所采用的焊接工艺参数。
（a ）（b ）
（c ）
图10?带间隙和坡口钝边的V形坡口示意图
50°~60°
30°
60°
1.5~4mm 1.5~2mm
～2mm
10mm
2~4mm
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当钢材强度大于420MP或碳当量大于0.5时，钢材可焊性变差，在钢结构焊接规范中将其归入难焊等级。此外，对于有抗震要求的结构用钢材，还需关注屈强比和韧、塑性指标。在国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011-2010中明确规定，钢结构的钢材应符合下例规定：①钢材的屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值不应大于0.85；②钢材应有明显的屈服台阶，且伸长率不小于20%；③钢材应有良好的焊接性与合格的冲击韧性。
而实际情况是，随着钢材强度的增加，不仅塑性、韧性、可焊性降低，屈强比的劣化更加明显，当为了获得较好的综合性能而采用TMCP钢时，屈强比的变化更加显著。
2.2?高性能钢的应用现状及发展趋势
2004年，低合金高强钢ASTM?A913?Gr60（相当于Q420）在北京新保利大厦成功使用。经过几年发展，国内已有数个钢结构工程使用高强钢，如国家体育场（鸟巢）的国产Q460E-Z35钢，国家游泳中心（水立方）的国产Q420C钢，中央电视台新台址更是使用了Q390D、Q420D-Z25、Q460E-Z35级别钢。高强钢在建筑钢结构中的广泛应用，带动了高强钢焊接技术的发展。与此同时，建筑钢结构中厚钢板得到越来越大量的应用，如北京新保利大厦使用的轧制H型钢翼板厚度达到125mm（ASTM?A913?Gr60）
，“鸟巢”用钢最大板厚达110mm（Q460E-Z35）。但在屈服强度低于175MPa钢材的应用国内尚无先例。
国内外在高强钢的应用一般将其最高屈服强度限制在690MPa，如美国《钢结构焊接规范》AWSD1.1第1.2条规定“本规范是为厚度等于或大于1/8in （3mm）最低规定屈服强度等于或小于100kis（690MPa）的碳钢或低合金钢的焊接钢结构而专门制定的，本规范或能适用于指导其适用范围以外的结构制造”。国标《钢结构焊接规范》GB50661-2011做出类似规定，详见表5。
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感性试验；碳当量；焊接连续冷却组织转变图（CCT图）；热影响区最高硬度试验；斜Y坡口（小铁研）焊接裂纹试验；焊接冷裂纹插销试验；钢板热切割试验；热矫正试验；时效敏感性试验；焊接工艺评定。
2.3.2?高性能钢的焊接特点
在国标《钢结构焊接规范》GB50661-2011中规定“本规范适用于工业与民用钢结构工程中承受静荷载或动荷载、钢材厚度大于或等于3mm的结构焊接。本规范适用的焊接方法包括焊条电弧焊、气体保护电弧焊、药芯焊丝自保护焊、埋弧焊、电渣焊、气电立焊、栓钉焊及其组合。”但对于高性能钢材的焊接要尽可能选择焊接热输入量（Q=IU ／V ）较低的焊接方法，例如：
手工电弧焊、气体保护焊或单丝埋弧焊等。因为，根据实验，普通碳素钢或低合金高强钢耐受焊接热输入量的上线大约为50KJ ／cm。而不同的焊接工艺方法其热输入量变化范围较大，具体数值见表6。
从表6中可以看出，气电立焊、电渣焊及某些情况下的埋弧焊，焊接热输入量远大于50kJ／cm。因此，应严禁采用。为使焊缝金属性能达到母材的要求，特别是对于高性能钢及常用钢材的D或E级，更应严格控制焊接热输入量。否则，将会降低焊缝接头的韧性。比较直观的控制焊接热输入量的方法是：控制单道焊缝的宽度。当手工电弧焊时，其单道焊缝的宽度不应大于所用焊条直径的4倍。当直径为1.2mm的气保焊时，其单道焊缝的宽度应控制在20mm以内。当埋弧焊时，应严禁单熔池双丝焊，且尽量采用常用规范参数的下限值。
对于高性能钢焊接材料的选择与一般结构钢并无本质性区别，焊接材料的选配原则如下：①等强匹配：焊接材料熔敷金属的强度、塑性、冲击韧性大于等于母材标准规定的最低值。焊接接头（焊缝及热影响区）各项性能全面达到母材标准规定的最低值；②兼顾焊缝塑性：厚板焊接时按厚度效应后的强度选配焊材，节点拘束度大时可在1/4板厚以下配用低强焊材；③满足冲击韧性要求：必须重点选择焊材韧性，使焊缝及热影响区韧性达到钢材的标准要求，控制焊接材料中碳、硫、磷、氮、氢、氧含量，选用优质碱性低氢焊材。
（a）
ls [Ａ]
vd [m/min]
3.6mm
4.2mm 4.3mm t=8mm
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新型焊机配置了工艺库，用于材料、工艺参数的选择。在焊接中对参数实时记录和分析，以图表显示每一焊缝的焊接参数、电弧能量和热输入量，提供必要的评估信息。例如，同样是6kg/h熔覆率，喷射过渡的热输入会大于脉冲过渡（图12），而双丝两层焊的总热输入量小于单丝三层焊，但在t 8/5的时间停留上后者明显小于前者（表7）。图13给出两种焊接工艺对接头热影响区硬度的影响。
图12?
喷射过渡与脉冲过渡的热输入对比（熔覆率6kg/h）
喷射电弧 10.1kW 喷射电弧
脉冲电弧
脉冲电弧 9.1kW
图13?两种焊接工艺对接头热影响区硬度的影响
（a ）单丝三层焊 （b ）双丝两层焊
2mm 1mm
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热温度和热输入对t 8/5冷却速率的影响。
通过对不同实际t 8/5冷却时间的测定，并进行力学性能试验，可得到满足性能要求时所需t 8/5冷却时间的范围。图15(a)?为冷却时间t 8/5对冲击能量的影响，图15(b)?为冷却时间t 8/5对热影响区组织转变的影响。例如，根据图中强度和冲击的数据分布，确定对应t 8/5冷却时间范围。但该范围只能针对在某一焊接坡口型式某一厚度的特定牌号钢板配合特定焊接材料使用。一般，S890和S960级别超高强钢的t 8/5冷却时间上限值建议最好不超过12秒。但当某些特定厂商的钢板配合与之配套开发的焊丝进行焊接时，可将t 8/5冷却时间范围扩大至不超过20秒，增加了可适用的焊接参数范围。
（a) (b)
图15?t 8/5冷却时间范围与力学性能的关系
冷却时间t 8/5上限
8/5
8/5
冲击能量A V
转变温度T O
在焊接工艺具体参数的制定中，除规定的参数范围外，需要考虑到超高强度钢焊接时极易出现裂纹，且具有明显的延迟性。因此，焊接时还应注意以下要点：①进行充分有效的预热和后热；②用低氢材料；③焊前清理坡口，以便除湿除锈；④避免保护气体混杂水份；⑤按照推荐的热输入量操作；⑥当中厚板和管材焊接时，使用较低强度的焊接材料打底；⑦合理的焊接顺序以降低应力集中；⑧定位装配点焊时可使用低强度材料。3.3?新一代焊接热源推出新一代工艺
山东奥太电气有限公司总经理张光先博士做题为“新一代弧焊电源的工艺特性”报告，带来现代焊接制造中对生产的高效率、接头的高性能、产品的高品质以及工艺参数的高精度等方面的新进展。奥太的高能量弧焊系统以及配套工艺有力推动各类高强材料焊接。图16是对不同厚度316L不锈钢无坡口单面焊双面成形