隋永莉

中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司

 

摘要：環(huán)焊縫質(zhì)量是影響管道運行安全的重要因素。本文針對油氣管道工程焊接施工的環(huán)焊縫質(zhì)量提升問(wèn)題，圍繞焊接工藝規程執行過(guò)程中的質(zhì)量管控點(diǎn)，從人員、設備、材料、工藝和環(huán)境等方面逐一進(jìn)行闡述，包括焊工、焊接技術(shù)人員和焊接機組的管理，焊接電源的特性、自動(dòng)焊裝備及設備管理。常用焊接材料類(lèi)型、標準及材料管理，焊接工藝執行過(guò)程及管理管控點(diǎn)，焊接環(huán)境要求及質(zhì)量管控等，提出了油氣管道環(huán)焊縫質(zhì)量管控的措施與方法。這些具體措施，仍需結合今后的實(shí)際工程建設情況，逐步提升環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：油氣管道；環(huán)焊縫；焊接質(zhì)量；施工管理

 

截止2022年底，我國已建成了長(cháng)度超過(guò)18×104 km的油氣管道，中俄管道、中緬管道、中亞管道以及互聯(lián)互通等多個(gè)重點(diǎn)油氣工程建設構筑了“東北、西北、西南、海上”四大油氣戰略通道，形成了“西氣東輸、西油東送、北油南運、海氣登陸”的油氣管網(wǎng)格局，有力推動(dòng)了國家油氣管網(wǎng)業(yè)務(wù)的穩健發(fā)展。未來(lái)一段時(shí)期，中國管網(wǎng)建設需求依舊強勁，特別是天然氣管道里程年均復合增長(cháng)率將達到9.8%，大口徑、高鋼級、高壓力油氣管道干線(xiàn)建設任務(wù)依然繁重，這將對焊接施工技術(shù)和管道環(huán)焊縫質(zhì)量提出了更高的要求。

但焊接質(zhì)量的結果是無(wú)法通過(guò)后續的檢查、檢驗等手段得到完整、充分的驗證和提高的，需要對焊接過(guò)程進(jìn)行周密的策劃、準備、安排和監控。工程焊接前對施焊過(guò)程進(jìn)行的策劃、準備的過(guò)程稱(chēng)為焊接工藝評定，工程焊接過(guò)程中對施工過(guò)程進(jìn)行檢查、監控的過(guò)程稱(chēng)為焊接質(zhì)量管控，即執行焊接工藝規程的過(guò)程。本文重點(diǎn)介紹焊接工藝規程執行過(guò)程中的質(zhì)量管控點(diǎn)。

1  焊接人員

焊接人員主要包括焊工（焊機操作工）和焊接質(zhì)量控制人員（焊接質(zhì)檢員）。

1.1  焊工

焊工應持有有效期內的“特種設備安全管理和作業(yè)人員證”和“特種作業(yè)操作證”，且資格項目符合管道工程焊接要求（表 1）。另外，由于油氣管道工程項目的焊接具有一定的特殊性，焊工具有特種設備焊接操作人員資格證，并不能完全滿(mǎn)足工程項目的焊接作業(yè)需求，還需結合工程的具體焊接工藝、焊接材料的操作技能要求通過(guò)上崗考試。

表 1 焊工管理的質(zhì)量關(guān)鍵點(diǎn)

1.2  焊接質(zhì)量控制人員

焊接質(zhì)量控制人員是指在施焊過(guò)程中進(jìn)行質(zhì)量管理與監控的焊接質(zhì)檢員、焊接技師或焊接工程師等，可及時(shí)指導現場(chǎng)焊接工作，解決現場(chǎng)焊接技術(shù)問(wèn)題。焊接質(zhì)量控制人員通常經(jīng)過(guò)培訓，掌握環(huán)焊縫外觀(guān)檢查，了解射線(xiàn)檢測底片和AUT、PAUT檢測圖譜的缺陷評判過(guò)程，具有一定的焊接缺陷與焊接工藝相關(guān)性分析的知識（表 2）。

表 2 焊接質(zhì)量控制人員的質(zhì)量關(guān)鍵點(diǎn)

1.3  焊接機組

工程焊接機組人員應相對固定，施工合同中應約定焊接機組不可替換人員清單。當機組的焊工替換比例超過(guò)四分之一時(shí)，重新按新機組進(jìn)行焊接質(zhì)量管理與監控。

若出現焊工無(wú)資格或資格與施焊項目不符，焊材未復檢就用于現場(chǎng)，故意不申請無(wú)損檢測、私割私改、私自返修，焊接層數、道次與焊接工藝規程不符等情況時(shí)，焊接機組長(cháng)負主要責任將被直接清退。

若焊接機組長(cháng)未履行開(kāi)工條件確認和全工序監督檢查，質(zhì)檢員未履行全工序質(zhì)量檢查確認與過(guò)程監督，各工位工作未能有效執行工藝紀律要求或者工作完成后不進(jìn)行自檢，則焊接機組需暫停施工進(jìn)行整改。

2  焊接設備

2.1  焊接工藝與焊接電源外特性

焊條電弧焊和鎢極氬弧焊工藝都采用陡降外特性電源，設備通常較為簡(jiǎn)單，操作方便，易于維修。該工藝過(guò)程中，應注意監控焊接電流的范圍是否在焊接工藝規程規定的范圍內。

熔化極氣體保護焊（含自保護藥芯焊絲半自動(dòng)焊）工藝采用平外特性電源，易于實(shí)現自動(dòng)化，焊接效率高。但CO2焊時(shí)飛濺大，弧光強，易產(chǎn)生氣孔、未熔合等缺陷。該工藝過(guò)程中，應注意監控電弧電壓和送絲速度的范圍是否在焊接工藝規程規定的范圍內。

脈沖式熔化極氣保護焊（含STT、RMD）工藝采用脈沖電源外特性，電弧熱量小且控制精確，易于單面焊雙面成型，但操作不熟練時(shí)易在根部出現未熔合缺欠。該工藝過(guò)程中，應注意監控焊接電流、電弧電壓及相關(guān)脈沖參數的范圍是否在規定的范圍內。

2.2  管道自動(dòng)焊用裝備

（1）中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司在1998年研發(fā)并應用了第一代PAW系列管道自動(dòng)焊機，到2020年研發(fā)應用了第三代CPP900系列管道焊接專(zhuān)機，采用全數字化控制系統，實(shí)現與國產(chǎn)焊接電源的深度融合和電弧跟蹤技術(shù)的精細化提升，在中俄東線(xiàn)、唐山LNG項目、蒙西煤制氣管道項目、廣西支干線(xiàn)、西氣東輸三線(xiàn)等工程中得到了廣泛的應用。

（2）成都熊谷加世電器有限公司在2009年研發(fā)并應用了第一代XG-A系列管道自動(dòng)焊機，2016年研制出第二代XG-A系列管道自動(dòng)焊裝備,開(kāi)始在中俄原油二期管道工程、中俄東線(xiàn)北段天然氣管道工程中廣泛應用，具有WIFI、掃碼器接口、自動(dòng)電弧跟蹤功能，可提供遠程技術(shù)服務(wù)與數據云端傳輸，方便焊接工程質(zhì)量的實(shí)時(shí)監控和管理。

2.3  焊接設備管理要求

開(kāi)工前，應對焊接設備進(jìn)行檢查以確保設備處于良好、安全的工作狀態(tài)。焊接電源的外特性、電特性符合焊接工藝要求。自動(dòng)焊用焊接機具、設備與焊接工藝規程規定的產(chǎn)品名稱(chēng)相符合。焊接設備的電流、電壓、送絲速度等顯示參數有比對校核記錄，且數據吻合。有數據傳輸要求時(shí)，焊接設備應具有實(shí)時(shí)參數采集和數據遠程傳輸能力。焊接設備有維修保養運行記錄，且狀態(tài)標識明晰（表 3）。

表 3 焊接設備的質(zhì)量關(guān)鍵點(diǎn)

3  焊接材料

3.1  油氣管道常用焊接材料

油氣管道工程中常用的焊接材料類(lèi)型如圖 1所示，包括纖維素焊條、低氫焊條、實(shí)心焊絲、金屬粉芯焊絲和氣保護藥芯焊絲等。

圖 1 油氣管道用焊接材料

3.2  焊接材料標準

自2012年開(kāi)始，我國開(kāi)始對標相應的國際標準，將焊接材料國家標準進(jìn)行轉化。其中，油氣管道工程相關(guān)的常用焊接材料國家標準對照如表 4所示。

表 4 焊接材料的國內外標準對照表

3.3  焊接材料的保管與使用

（1）存放條件。施工現場(chǎng)應設置焊材庫，焊材庫應干燥、通風(fēng)、無(wú)腐蝕性，可采用移動(dòng)式集裝箱結構。根據需要可將焊材庫劃分為待檢區、合格區等兩個(gè)區域，并設置貨架、采用防潮劑或去濕器等。焊材庫內應裝有溫度計和濕度計，室內溫度應不低于5℃，相對濕度應小于60%，達不到儲存條件的焊材庫應設置去濕、加熱設備。

（2）保管。應有焊接材料管理人員，負責焊接材料的烘干、保管、發(fā)放及回收，應建立焊材出入庫登記臺帳。應每天按規定記錄庫內溫度和濕度。如發(fā)現焊材保存不當而出現可能影響焊接質(zhì)量的問(wèn)題時(shí)，應及時(shí)上報并進(jìn)行處理。

（3）出庫。焊接材料的發(fā)放應按先入先出的原則進(jìn)行，避免庫存超期所引起的不良后果。下雨天盡可能不要進(jìn)行室外搬運，必須搬運時(shí)蓋上防雨布。

嚴重受潮、變質(zhì)的焊接材料，應由檢驗單位進(jìn)行必要的檢驗，并做出降級使用或報廢的處理決定之后，方可準許出庫。對于這類(lèi)焊接材料的去向必須嚴格控制。

（4）使用。當日領(lǐng)用的填充金屬密封包裝開(kāi)啟后應盡快使用，避免受潮。未用完的焊材必須放置到庫房中，再次使用時(shí)應先用回收的焊材。已烘干的低氫焊條應保存在保溫桶內，隨用隨取。焊條重新烘干次數不應超過(guò)2次。焊接氣體的純度、配比和含水率等應符合要求。

使用超出生產(chǎn)日期2年的填充金屬時(shí)應委托具有CMA和CNAS資質(zhì)的檢測機構進(jìn)行第三方檢驗評價(jià)。檢驗合格后的焊接材料應在6個(gè)月內使用。

4  焊接工藝

4.1  焊接坡口及管口組對

手工焊和半自動(dòng)焊的坡口一般是在管廠(chǎng)加工預制的。連頭、返修等特殊焊口可采用火焰切割或等離子切割等方法在現場(chǎng)進(jìn)行切割加工，并將坡口修磨均勻、光滑。不等壁厚鋼管對接焊的焊口，應加工成內孔錐型坡口或進(jìn)行削薄處理。自動(dòng)焊的復合坡口則應用坡口機在現場(chǎng)進(jìn)行加工，如圖 2所示。自動(dòng)焊坡口的尺寸精度檢查，應采用游標卡尺和拐尺（或深度尺、板尺），測量復合坡口的拐點(diǎn)高度H、鈍邊厚度P和半坡口寬度W三個(gè)數據，如圖 3所示。

圖 2 自動(dòng)焊的復合坡口示意圖

圖 3 自動(dòng)焊的復合坡口尺寸精度測量

管口組對前，應修磨管體內外焊縫余高。手工焊或半自動(dòng)焊時(shí)，坡口及兩側20 mm范圍內應打磨至顯現出金屬光澤。當采用AUT或PAUT檢測時(shí)，坡口及兩側150 mm范圍內應清理干凈。組對時(shí)，兩相鄰管的制管焊縫應相互錯開(kāi)至少100 mm。

4.2  預熱溫度和道間溫度

油氣管道焊接施工時(shí)，通常應進(jìn)行焊前預熱，并保持一定的道間溫度。當環(huán)境溫度高于﹣5℃可使用環(huán)形火焰加熱器，環(huán)境溫度低于﹣5℃時(shí)則宜使用感應加熱器。如果焊接過(guò)程中道間溫度不能保持時(shí)，可使用電伴熱。

焊前預熱和道間保溫的主要目的是預防焊接冷裂紋。如果預熱溫度不夠，道間溫度不足，使得進(jìn)入到焊縫金屬中的氫不能及時(shí)擴散出去，就會(huì )增加開(kāi)裂風(fēng)險。

4.3  焊接工藝參數

焊工進(jìn)行焊接操作時(shí)總是趨向于使用更大的熱輸入量，因此焊接施工過(guò)程中應注意監控焊接工藝參數的變化范圍。由于焊接熱輸入量是一個(gè)計算值，不能直觀(guān)地觀(guān)察得到，通常采用控制焊道層數和道數、焊接電流范圍等方式進(jìn)行監管。

4.4  對口器和對口支撐撤離

內對口器（或內焊機）應在根焊道全部完成后方可撤離。外對口器應在根焊道均勻對稱(chēng)完成50%、且每段焊縫長(cháng)度大于100 mm方可撤離。根焊完成后的鋼管在放置到管墩上的過(guò)程中，鋼管不應受到振動(dòng)和沖擊。

在鋼管穩定在管墩上之前，不能撤離支撐吊具。鋼管支撐不穩定包括鋼管懸空，滾管，根焊過(guò)程中調整對口間隙，熱焊未完成時(shí)撤離吊機進(jìn)行下一道焊口組對，或用于組對的鉤機在根焊過(guò)程中突然卸壓，這些是造成施工期焊接裂紋的主要原因。

4.5  固定口連頭焊接

固定口連頭地點(diǎn)宜選擇在地勢平坦段，固定連頭口應選擇在等壁厚的直管段上。轉角彎、穿越出土點(diǎn)等位置的固定口連頭，宜延伸至地勢平坦段。當現場(chǎng)需要切割焊口時(shí)，切割寬度應至少比蓋面焊道每側寬5 mm，以去除原焊縫熱影響區。

4.6  返修焊接

返修前確認缺陷已被完全打磨清除是質(zhì)量管控的關(guān)鍵環(huán)節之一，可在打磨過(guò)程中采用目視檢查的方法進(jìn)行檢查和確認。根焊層返修時(shí)，可能存在更大的拘束度，可采用整管預熱。填充、蓋面層返修時(shí)，可依據鋼管壁厚和鋼級來(lái)決定局部預熱或整口預熱。相鄰兩返修處的距離小于100 mm時(shí)，按一處缺陷進(jìn)行返修。返修焊總長(cháng)度應不大于1/3 管周長(cháng)。

定期統計分析焊接缺陷的產(chǎn)生位置、類(lèi)型及與焊工、焊接設備的相關(guān)性，有利于焊接質(zhì)量提升。管道自動(dòng)焊時(shí)，根據無(wú)損檢測機組反饋的檢測結果及時(shí)進(jìn)行缺陷產(chǎn)生原因的統計分析，有利于避免同類(lèi)型缺陷的連續產(chǎn)生，也有利于提升自動(dòng)焊機組的能力。

5  焊接環(huán)境

如果自然氣候條件不滿(mǎn)足焊接環(huán)境要求時(shí)，應采取必要的防護措施，如防風(fēng)棚、遮雨棚、防風(fēng)保溫棚等。焊接環(huán)境的質(zhì)量關(guān)鍵點(diǎn)如表 5所示。

表 5 焊接環(huán)境的質(zhì)量關(guān)鍵點(diǎn)

當自然氣候條件溫度低于﹣5℃時(shí)，屬于低溫環(huán)境焊接作業(yè)范疇，應創(chuàng )造滿(mǎn)足焊接工藝規程要求的施焊環(huán)境，如保溫棚、碘鎢燈、熱風(fēng)機等。根焊開(kāi)始前，若低于最低預熱溫度要求應重新預熱。焊接過(guò)程中可采用電伴熱來(lái)保證層（道）間溫度。自動(dòng)焊的送絲機等裝置宜放置在防風(fēng)保溫棚內。保護氣體應進(jìn)行保溫處理，保證利用率。

6  結語(yǔ)

（1）焊接工藝規程是焊接施工過(guò)程的指導性文件，是確保油氣管道的環(huán)焊縫焊接質(zhì)量的基礎，應在人員資格、設備管理、焊接材料優(yōu)選、工藝紀律執行和焊接環(huán)境管控等方面給與足夠的重視和嚴格的執行。

（2）油氣管道焊接質(zhì)量管控的關(guān)鍵點(diǎn)，在國家管網(wǎng)的DEC文件中均有相應的規定。這些規定仍需結合今后的實(shí)際工程建設情況，逐步提升環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量。

（3）環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量管控，還包括焊接工藝評定管理、環(huán)焊接頭性能檢驗管理、無(wú)損檢測工藝和人員管理等，目前均有相應的DEC文件規定。

作者簡(jiǎn)介：隋永莉，1970年生，教授級高工，2008年博士畢業(yè)于天津大學(xué)材料加工工程專(zhuān)業(yè)，中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司首席焊接技術(shù)專(zhuān)家，主要從事油氣管道及儲罐的現場(chǎng)焊接技術(shù)研究。聯(lián)系方式：0316-2076715，cnpcsuiyongli@sina.com。