隋永莉

中國(guó)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(yùn)行安全的重要因素。本文針對(duì)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(guī)程執(zhí)行過(guò)程中的質(zhì)量管控點(diǎn)，從人員、設(shè)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(jī)組的管理，焊接電源的特性、自動(dòng)焊裝備及設(shè)備管理。常用焊接材料類(lèi)型、標(biāo)準(zhǔn)及材料管理，焊接工藝執(zhí)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(jié)合今后的實(shí)際工程建設(shè)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(guó)已建成了長(zhǎng)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(shè)構(gòu)筑了“東北、西北、西南、海上”四大油氣戰(zhàn)略通道，形成了“西氣東輸、西油東送、北油南運(yùn)、海氣登陸”的油氣管網(wǎng)格局，有力推動(dòng)了國(guó)家油氣管網(wǎng)業(yè)務(wù)的穩(wěn)健發(fā)展。未來(lái)一段時(shí)期，中國(guó)管網(wǎng)建設(shè)需求依舊強(qiáng)勁，特別是天然氣管道里程年均復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到9.8%，大口徑、高鋼級(jí)、高壓力油氣管道干線(xiàn)建設(shè)任務(wù)依然繁重，這將對(duì)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(jié)果是無(wú)法通過(guò)后續(xù)的檢查、檢驗(yàn)等手段得到完整、充分的驗(yàn)證和提高的，需要對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行周密的策劃、準(zhǔn)備、安排和監(jiān)控。工程焊接前對(duì)施焊過(guò)程進(jìn)行的策劃、準(zhǔn)備的過(guò)程稱(chēng)為焊接工藝評(píng)定，工程焊接過(guò)程中對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行檢查、監(jiān)控的過(guò)程稱(chēng)為焊接質(zhì)量管控，即執(zhí)行焊接工藝規(guī)程的過(guò)程。本文重點(diǎn)介紹焊接工藝規(guī)程執(zhí)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(jī)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(yīng)持有有效期內(nèi)的“特種設(shè)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(xiàng)目符合管道工程焊接要求（表 1）。另外，由于油氣管道工程項(xiàng)目的焊接具有一定的特殊性，焊工具有特種設(shè)備焊接操作人員資格證，并不能完全滿(mǎn)足工程項(xiàng)目的焊接作業(yè)需求，還需結(jié)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(jiān)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(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)焊接工作，解決現(xiàn)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(xùn)，掌握環(huán)焊縫外觀(guān)檢查，了解射線(xiàn)檢測(cè)底片和AUT、PAUT檢測(cè)圖譜的缺陷評(píng)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(shí)（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(jī)組

工程焊接機(jī)組人員應(yīng)相對(duì)固定，施工合同中應(yīng)約定焊接機(jī)組不可替換人員清單。當(dāng)機(jī)組的焊工替換比例超過(guò)四分之一時(shí)，重新按新機(jī)組進(jìn)行焊接質(zhì)量管理與監(jiān)控。

若出現(xiàn)焊工無(wú)資格或資格與施焊項(xiàng)目不符，焊材未復(fù)檢就用于現(xiàn)場(chǎng)，故意不申請(qǐng)無(wú)損檢測(cè)、私割私改、私自返修，焊接層數(shù)、道次與焊接工藝規(guī)程不符等情況時(shí)，焊接機(jī)組長(zhǎng)負(fù)主要責(zé)任將被直接清退。

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

2  焊接設(shè)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(shè)備通常較為簡(jiǎn)單，操作方便，易于維修。該工藝過(guò)程中，應(yīng)注意監(jiān)控焊接電流的范圍是否在焊接工藝規(guī)程規(guī)定的范圍內(nèi)。

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

脈沖式熔化極氣保護(hù)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(xiàn)未熔合缺欠。該工藝過(guò)程中，應(yīng)注意監(jiān)控焊接電流、電弧電壓及相關(guān)脈沖參數(shù)的范圍是否在規(guī)定的范圍內(nèi)。

2.2  管道自動(dòng)焊用裝備

（1）中國(guó)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(yīng)用了第一代PAW系列管道自動(dòng)焊機(jī)，到2020年研發(fā)應(yīng)用了第三代CPP900系列管道焊接專(zhuān)機(jī)，采用全數(shù)字化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與國(guó)產(chǎn)焊接電源的深度融合和電弧跟蹤技術(shù)的精細(xì)化提升，在中俄東線(xiàn)、唐山LNG項(xiàng)目、蒙西煤制氣管道項(xiàng)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(yīng)用。

（2）成都熊谷加世電器有限公司在2009年研發(fā)并應(yīng)用了第一代XG-A系列管道自動(dòng)焊機(jī)，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(yīng)用，具有WIFI、掃碼器接口、自動(dòng)電弧跟蹤功能，可提供遠(yuǎn)程技術(shù)服務(wù)與數(shù)據(jù)云端傳輸，方便焊接工程質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。

2.3  焊接設(shè)備管理要求

開(kāi)工前，應(yīng)對(duì)焊接設(shè)備進(jìn)行檢查以確保設(shè)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(jī)具、設(shè)備與焊接工藝規(guī)程規(guī)定的產(chǎn)品名稱(chēng)相符合。焊接設(shè)備的電流、電壓、送絲速度等顯示參數(shù)有比對(duì)校核記錄，且數(shù)據(jù)吻合。有數(shù)據(jù)傳輸要求時(shí)，焊接設(shè)備應(yīng)具有實(shí)時(shí)參數(shù)采集和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸能力。焊接設(shè)備有維修保養(yǎng)運(yùn)行記錄，且狀態(tài)標(biāo)識(shí)明晰（表 3）。

表 3 焊接設(shè)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(hù)藥芯焊絲等。

圖 1 油氣管道用焊接材料

3.2  焊接材料標(biāo)準(zhǔn)

自2012年開(kāi)始，我國(guó)開(kāi)始對(duì)標(biāo)相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，將焊接材料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。其中，油氣管道工程相關(guān)的常用焊接材料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照如表 4所示。

表 4 焊接材料的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照表

3.3  焊接材料的保管與使用

（1）存放條件。施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)設(shè)置焊材庫(kù)，焊材庫(kù)應(yīng)干燥、通風(fēng)、無(wú)腐蝕性，可采用移動(dòng)式集裝箱結(jié)構(gòu)。根據(jù)需要可將焊材庫(kù)劃分為待檢區(qū)、合格區(qū)等兩個(gè)區(qū)域，并設(shè)置貨架、采用防潮劑或去濕器等。焊材庫(kù)內(nèi)應(yīng)裝有溫度計(jì)和濕度計(jì)，室內(nèi)溫度應(yīng)不低于5℃，相對(duì)濕度應(yīng)小于60%，達(dá)不到儲(chǔ)存條件的焊材庫(kù)應(yīng)設(shè)置去濕、加熱設(shè)備。

（2）保管。應(yīng)有焊接材料管理人員，負(fù)責(zé)焊接材料的烘干、保管、發(fā)放及回收，應(yīng)建立焊材出入庫(kù)登記臺(tái)帳。應(yīng)每天按規(guī)定記錄庫(kù)內(nèi)溫度和濕度。如發(fā)現(xiàn)焊材保存不當(dāng)而出現(xiàn)可能影響焊接質(zhì)量的問(wèn)題時(shí)，應(yīng)及時(shí)上報(bào)并進(jìn)行處理。

（3）出庫(kù)。焊接材料的發(fā)放應(yīng)按先入先出的原則進(jìn)行，避免庫(kù)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(yùn)，必須搬運(yùn)時(shí)蓋上防雨布。

嚴(yán)重受潮、變質(zhì)的焊接材料，應(yīng)由檢驗(yàn)單位進(jìn)行必要的檢驗(yàn)，并做出降級(jí)使用或報(bào)廢的處理決定之后，方可準(zhǔn)許出庫(kù)。對(duì)于這類(lèi)焊接材料的去向必須嚴(yán)格控制。

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

使用超出生產(chǎn)日期2年的填充金屬時(shí)應(yīng)委托具有CMA和CNAS資質(zhì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行第三方檢驗(yàn)評(píng)價(jià)。檢驗(yàn)合格后的焊接材料應(yīng)在6個(gè)月內(nèi)使用。

4  焊接工藝

4.1  焊接坡口及管口組對(duì)

手工焊和半自動(dòng)焊的坡口一般是在管廠(chǎng)加工預(yù)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(xiàn)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(duì)接焊的焊口，應(yīng)加工成內(nèi)孔錐型坡口或進(jìn)行削薄處理。自動(dòng)焊的復(fù)合坡口則應(yīng)用坡口機(jī)在現(xiàn)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(yīng)采用游標(biāo)卡尺和拐尺（或深度尺、板尺），測(cè)量復(fù)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(shù)據(jù)，如圖 3所示。

圖 2 自動(dòng)焊的復(fù)合坡口示意圖

圖 3 自動(dòng)焊的復(fù)合坡口尺寸精度測(cè)量

管口組對(duì)前，應(yīng)修磨管體內(nèi)外焊縫余高。手工焊或半自動(dòng)焊時(shí)，坡口及兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)應(yīng)打磨至顯現(xiàn)出金屬光澤。當(dāng)采用AUT或PAUT檢測(cè)時(shí)，坡口及兩側(cè)150 mm范圍內(nèi)應(yīng)清理干凈。組對(duì)時(shí)，兩相鄰管的制管焊縫應(yīng)相互錯(cuò)開(kāi)至少100 mm。

4.2  預(yù)熱溫度和道間溫度

油氣管道焊接施工時(shí)，通常應(yīng)進(jìn)行焊前預(yù)熱，并保持一定的道間溫度。當(dāng)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(yīng)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(yù)熱和道間保溫的主要目的是預(yù)防焊接冷裂紋。如果預(yù)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(kuò)散出去，就會(huì)增加開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

4.3  焊接工藝參數(shù)

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(yīng)注意監(jiān)控焊接工藝參數(shù)的變化范圍。由于焊接熱輸入量是一個(gè)計(jì)算值，不能直觀(guān)地觀(guān)察得到，通常采用控制焊道層數(shù)和道數(shù)、焊接電流范圍等方式進(jìn)行監(jiān)管。

4.4  對(duì)口器和對(duì)口支撐撤離

內(nèi)對(duì)口器（或內(nèi)焊機(jī)）應(yīng)在根焊道全部完成后方可撤離。外對(duì)口器應(yīng)在根焊道均勻?qū)ΨQ(chēng)完成50%、且每段焊縫長(zhǎng)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(yīng)受到振動(dòng)和沖擊。

在鋼管穩(wěn)定在管墩上之前，不能撤離支撐吊具。鋼管支撐不穩(wěn)定包括鋼管懸空，滾管，根焊過(guò)程中調(diào)整對(duì)口間隙，熱焊未完成時(shí)撤離吊機(jī)進(jìn)行下一道焊口組對(duì)，或用于組對(duì)的鉤機(jī)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(shì)平坦段，固定連頭口應(yīng)選擇在等壁厚的直管段上。轉(zhuǎn)角彎、穿越出土點(diǎn)等位置的固定口連頭，宜延伸至地勢(shì)平坦段。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)需要切割焊口時(shí)，切割寬度應(yīng)至少比蓋面焊道每側(cè)寬5 mm，以去除原焊縫熱影響區(qū)。

4.6  返修焊接

返修前確認(rèn)缺陷已被完全打磨清除是質(zhì)量管控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)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(rèn)。根焊層返修時(shí)，可能存在更大的拘束度，可采用整管預(yù)熱。填充、蓋面層返修時(shí)，可依據(jù)鋼管壁厚和鋼級(jí)來(lái)決定局部預(yù)熱或整口預(yù)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(zhǎng)度應(yīng)不大于1/3 管周長(zhǎng)。

定期統(tǒng)計(jì)分析焊接缺陷的產(chǎn)生位置、類(lèi)型及與焊工、焊接設(shè)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(jù)無(wú)損檢測(cè)機(jī)組反饋的檢測(cè)結(jié)果及時(shí)進(jìn)行缺陷產(chǎn)生原因的統(tǒng)計(jì)分析，有利于避免同類(lèi)型缺陷的連續(xù)產(chǎn)生，也有利于提升自動(dòng)焊機(jī)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(yīng)采取必要的防護(hù)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(dāng)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(yīng)創(chuàng)造滿(mǎn)足焊接工藝規(guī)程要求的施焊環(huán)境，如保溫棚、碘鎢燈、熱風(fēng)機(jī)等。根焊開(kāi)始前，若低于最低預(yù)熱溫度要求應(yīng)重新預(yù)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(jī)等裝置宜放置在防風(fēng)保溫棚內(nèi)。保護(hù)氣體應(yīng)進(jìn)行保溫處理，保證利用率。

6  結(jié)語(yǔ)

（1）焊接工藝規(guī)程是焊接施工過(guò)程的指導(dǎo)性文件，是確保油氣管道的環(huán)焊縫焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)，應(yīng)在人員資格、設(shè)備管理、焊接材料優(yōu)選、工藝紀(jì)律執(zhí)行和焊接環(huán)境管控等方面給與足夠的重視和嚴(yán)格的執(zhí)行。

（2）油氣管道焊接質(zhì)量管控的關(guān)鍵點(diǎn)，在國(guó)家管網(wǎng)的DEC文件中均有相應(yīng)的規(guī)定。這些規(guī)定仍需結(jié)合今后的實(shí)際工程建設(shè)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(píng)定管理、環(huán)焊接頭性能檢驗(yàn)管理、無(wú)損檢測(cè)工藝和人員管理等，目前均有相應(yīng)的DEC文件規(guī)定。

作者簡(jiǎn)介：隋永莉，1970年生，教授級(jí)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(guó)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(chǔ)罐的現(xiàn)場(chǎng)焊接技術(shù)研究。聯(lián)系方式：0316-2076715，cnpcsuiyongli@sina.com。