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)量提升問題，圍繞焊接工藝規(guī)程執(zhí)行過程中的質(zhì)量管控點，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)人員和焊接機組的管理，焊接電源的特性、自動焊裝備及設(shè)備管理。常用焊接材料類型、標(biāo)準(zhǔn)及材料管理，焊接工藝執(zhí)行過程及管理管控點，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，我國已建成了長度超過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)互通等多個重點油氣工程建設(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、海氣登陸”的油氣管網(wǎng)格局，有力推動了國家油氣管網(wǎng)業(yè)務(wù)的穩(wěn)健發(fā)展。未來一段時期，中國管網(wǎng)建設(shè)需求依舊強勁，特別是天然氣管道里程年均復(fù)合增長率將達(dá)到9.8%，大口徑、高鋼級、高壓力油氣管道干線建設(shè)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(jié)果是無法通過后續(xù)的檢查、檢驗等手段得到完整、充分的驗證和提高的，需要對焊接過程進(jìn)行周密的策劃、準(zhǔn)備、安排和監(jiān)控。工程焊接前對施焊過程進(jìn)行的策劃、準(zhǔn)備的過程稱為焊接工藝評定，工程焊接過程中對施工過程進(jìn)行檢查、監(jiān)控的過程稱為焊接質(zhì)量管控，即執(zhí)行焊接工藝規(guī)程的過程。本文重點介紹焊接工藝規(guī)程執(zhí)行過程中的質(zhì)量管控點。

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(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(shè)備焊接操作人員資格證，并不能完全滿足工程項目的焊接作業(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上崗考試。

表 1 焊工管理的質(zhì)量關(guān)鍵點

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，可及時指導(dǎo)現(xiàn)場焊接工作，解決現(xiàn)場焊接技術(shù)問題。焊接質(zhì)量控制人員通常經(jīng)過培訓(xùn)，掌握環(huán)焊縫外觀檢查，了解射線檢測底片和AUT、PAUT檢測圖譜的缺陷評判過程，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

1.3  焊接機組

工程焊接機組人員應(yīng)相對固定，施工合同中應(yīng)約定焊接機組不可替換人員清單。當(dāng)機組的焊工替換比例超過四分之一時，重新按新機組進(jìn)行焊接質(zhì)量管理與監(jiān)控。

若出現(xiàn)焊工無資格或資格與施焊項目不符，焊材未復(fù)檢就用于現(xiàn)場，故意不申請無損檢測、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，焊接機組長負(fù)主要責(zé)任將被直接清退。

若焊接機組長未履行開工條件確認(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)備通常較為簡單，操作方便，易于維修。該工藝過程中，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)藥芯焊絲半自動焊）工藝采用平外特性電源，易于實現(xiàn)自動化，焊接效率高。但CO2焊時飛濺大，弧光強，易產(chǎn)生氣孔、未熔合等缺陷。該工藝過程中，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，但操作不熟練時易在根部出現(xiàn)未熔合缺欠。該工藝過程中，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(yīng)用了第一代PAW系列管道自動焊機，到2020年研發(fā)應(yīng)用了第三代CPP900系列管道焊接專機，采用全數(shù)字化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)與國產(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、唐山LNG項目、蒙西煤制氣管道項目、廣西支干線、西氣東輸三線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系列管道自動焊機，2016年研制出第二代XG-A系列管道自動焊裝備,開始在中俄原油二期管道工程、中俄東線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)量的實時監(jiān)控和管理。

2.3  焊接設(shè)備管理要求

開工前，應(yīng)對焊接設(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。自動焊用焊接機具、設(shè)備與焊接工藝規(guī)程規(guī)定的產(chǎn)品名稱相符合。焊接設(shè)備的電流、電壓、送絲速度等顯示參數(shù)有比對校核記錄，且數(shù)據(jù)吻合。有數(shù)據(jù)傳輸要求時，焊接設(shè)備應(yīng)具有實時參數(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)運行記錄，且狀態(tài)標(biāo)識明晰（表 3）。

表 3 焊接設(shè)備的質(zhì)量關(guān)鍵點

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型如圖 1所示，包括纖維素焊條、低氫焊條、實心焊絲、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年開始，我國開始對標(biāo)相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，將焊接材料國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。其中，油氣管道工程相關(guān)的常用焊接材料國家標(biāo)準(zhǔn)對照如表 4所示。

表 4 焊接材料的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對照表

3.3  焊接材料的保管與使用

（1）存放條件。施工現(xiàn)場應(yīng)設(shè)置焊材庫，焊材庫應(yīng)干燥、通風(fēng)、無腐蝕性，可采用移動式集裝箱結(jié)構(gòu)。根據(jù)需要可將焊材庫劃分為待檢區(qū)、合格區(qū)等兩個區(qū)域，并設(shè)置貨架、采用防潮劑或去濕器等。焊材庫內(nèi)應(yīng)裝有溫度計和濕度計，室內(nèi)溫度應(yīng)不低于5℃，相對濕度應(yīng)小于60%，達(dá)不到儲存條件的焊材庫應(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)建立焊材出入庫登記臺帳。應(yīng)每天按規(guī)定記錄庫內(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)量的問題時，應(yīng)及時上報并進(jìn)行處理。

（3）出庫。焊接材料的發(fā)放應(yīng)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，必須搬運時蓋上防雨布。

嚴(yán)重受潮、變質(zhì)的焊接材料，應(yīng)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(zhǔn)許出庫。對于這類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啟后應(yīng)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年的填充金屬時應(yīng)委托具有CMA和CNAS資質(zhì)的檢測機構(gòu)進(jìn)行第三方檢驗評價。檢驗合格后的焊接材料應(yīng)在6個月內(nèi)使用。

4  焊接工藝

4.1  焊接坡口及管口組對

手工焊和半自動焊的坡口一般是在管廠加工預(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(yīng)加工成內(nèi)孔錐型坡口或進(jìn)行削薄處理。自動焊的復(fù)合坡口則應(yīng)用坡口機在現(xiàn)場進(jìn)行加工，如圖 2所示。自動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），測量復(fù)合坡口的拐點高度H、鈍邊厚度P和半坡口寬度W三個數(shù)據(jù)，如圖 3所示。

圖 2 自動焊的復(fù)合坡口示意圖

圖 3 自動焊的復(fù)合坡口尺寸精度測量

管口組對前，應(yīng)修磨管體內(nèi)外焊縫余高。手工焊或半自動焊時，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檢測時，坡口及兩側(cè)150 mm范圍內(nèi)應(yīng)清理干凈。組對時，兩相鄰管的制管焊縫應(yīng)相互錯開至少100 mm。

4.2  預(yù)熱溫度和道間溫度

油氣管道焊接施工時，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℃時則宜使用感應(yīng)加熱器。如果焊接過程中道間溫度不能保持時，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擴散出去，就會增加開裂風(fēng)險。

4.3  焊接工藝參數(shù)

焊工進(jìn)行焊接操作時總是趨向于使用更大的熱輸入量，因此焊接施工過程中應(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計算值，不能直觀地觀察得到，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  對口器和對口支撐撤離

內(nèi)對口器（或內(nèi)焊機）應(yīng)在根焊道全部完成后方可撤離。外對口器應(yīng)在根焊道均勻?qū)ΨQ完成50%、且每段焊縫長度大于100 mm方可撤離。根焊完成后的鋼管在放置到管墩上的過程中，鋼管不應(yīng)受到振動和沖擊。

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，根焊過程中調(diào)整對口間隙，熱焊未完成時撤離吊機進(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

固定口連頭地點宜選擇在地勢平坦段，固定連頭口應(yīng)選擇在等壁厚的直管段上。轉(zhuǎn)角彎、穿越出土點等位置的固定口連頭，宜延伸至地勢平坦段。當(dāng)現(xiàn)場需要切割焊口時，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，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，可依據(jù)鋼管壁厚和鋼級來決定局部預(yù)熱或整口預(yù)熱。相鄰兩返修處的距離小于100 mm時，按一處缺陷進(jìn)行返修。返修焊總長度應(yīng)不大于1/3 管周長。

定期統(tǒng)計分析焊接缺陷的產(chǎn)生位置、類型及與焊工、焊接設(shè)備的相關(guān)性，有利于焊接質(zhì)量提升。管道自動焊時，根據(jù)無損檢測機組反饋的檢測結(jié)果及時進(jìn)行缺陷產(chǎn)生原因的統(tǒng)計分析，有利于避免同類型缺陷的連續(xù)產(chǎn)生，也有利于提升自動焊機組的能力。

5  焊接環(huán)境

如果自然氣候條件不滿足焊接環(huán)境要求時，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)鍵點如表 5所示。

表 5 焊接環(huán)境的質(zhì)量關(guān)鍵點

當(dāng)自然氣候條件溫度低于﹣5℃時，屬于低溫環(huán)境焊接作業(yè)范疇，應(yīng)創(chuàng)造滿足焊接工藝規(guī)程要求的施焊環(huán)境，如保溫棚、碘鎢燈、熱風(fēng)機等。根焊開始前，若低于最低預(yù)熱溫度要求應(yīng)重新預(yù)熱。焊接過程中可采用電伴熱來保證層（道）間溫度。自動焊的送絲機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

（1）焊接工藝規(guī)程是焊接施工過程的指導(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，在國家管網(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，還包括焊接工藝評定管理、環(huán)焊接頭性能檢驗管理、無損檢測工藝和人員管理等，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)專家，主要從事油氣管道及儲罐的現(xiàn)場焊接技術(shù)研究。聯(lián)系方式：0316-2076715，cnpcsuiyongli@sina.com。