隋永莉， 曹曉軍， 胡小坡

（1.油氣管道輸送安全國家工程實驗室，河北 廊坊065000；2.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北 廊坊065000；3.中國石油天然氣管道局安全環(huán)保部，河北 廊坊065000；4.中國石油天然氣管道建設(shè)項目經(jīng)理部工程管理處，北京100084）

0 前 言

近年來，管道建設(shè)用鋼管的強(qiáng)度等級、管徑、壁厚和輸送壓力不斷升級，這對管道現(xiàn)場焊接施工技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，也使得高鋼級管道環(huán)焊縫的質(zhì)量與安全問題突顯，成為制約管道發(fā)展的瓶頸。

長輸管道現(xiàn)場焊接施工的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為焊接場所始終處于動態(tài)條件下，焊接施工的自然環(huán)境和人文環(huán)境復(fù)雜多變，焊接過程中管段固定條件不穩(wěn)定，焊接操作包括了 “平、立、橫、仰”全位置，焊接工藝方法種類多樣等。這些都是影響環(huán)焊縫焊接質(zhì)量與安全的主要因素。此外，不同焊接作業(yè)機(jī)組間管道閉合的連頭焊接、不合格焊縫金屬的返修焊接、高寒地區(qū)的冬季焊接、地質(zhì)條件本身存在的沉降和滑移等特殊地區(qū)的管道焊接，也是油氣管道環(huán)焊縫焊接施工應(yīng)關(guān)注的問題。

1 管道環(huán)焊縫焊接施工應(yīng)關(guān)注的問題

1.1 連頭焊接

根據(jù) 《石油工程建設(shè)基本術(shù)語》的規(guī)定，連頭焊口是指用一段鋼管將兩個相鄰固定管道連接在一起的焊接接頭，俗稱死口（tie-in，即為受拘束的、不能自由活動的）。連頭焊口中有一種不能參與管道試壓的特殊焊口，稱為金口（golden joint），大多處于新老管線連接處，或先管道試壓、清洗再安裝的管道連接、儀表等位置。

但在實際管道建設(shè)過程中，“連頭”還有著更為廣泛的意義。作業(yè)機(jī)組通常將所進(jìn)行的后期管道閉合連接的焊接作業(yè)統(tǒng)稱為 “連頭”作業(yè)，涉及到的焊口既有線路焊口 （焊口一側(cè)為自由端），也有真正意義的連頭焊口 （焊口兩側(cè)均為固定端），此時所采用的焊接工藝應(yīng)該是有所不同的，分別為線路焊接工藝規(guī)程和連頭焊接工藝規(guī)程。

本研究所討論的連頭為受拘束的、不能自由活動的焊口的焊接。連頭焊口由于在坡口尺寸精度、組對管段軸線角度、焊接過程中溫差變化、位置空間不利于操作等技術(shù)方面受到限制，在保證焊接質(zhì)量上有難度，常常存在著安全隱患。近年來我國的管道建設(shè)投產(chǎn)過程中發(fā)生的生產(chǎn)安全事故很大一部分是與連頭焊口的焊接質(zhì)量問題相關(guān)的。因此，應(yīng)從技術(shù)角度和管理層面對此投入更多的關(guān)注。

1.2 返修焊接

在業(yè)界焊縫返修與修補(bǔ)往往是人們爭論的話題，包括技術(shù)上的、管理上的以及所帶來的質(zhì)量與安全風(fēng)險的差異。筆者認(rèn)為，返修是指對通過目視檢查、無損檢測等方法發(fā)現(xiàn)的焊縫缺陷 （如未熔合、氣孔、夾渣等），在受控的狀態(tài)下由返修焊工采取打磨和焊接來完善焊縫質(zhì)量的手段。修補(bǔ)是指對焊接過程中發(fā)現(xiàn)的表面缺陷 （如根部燒穿及未焊透、表面氣孔和夾渣、咬邊、余高不足等），由焊工自行通過打磨和焊接以保證焊接質(zhì)量的手段。

從對焊接質(zhì)量影響的角度考慮，返修與修補(bǔ)的不同之處主要在于所承受的拘束應(yīng)力的不同。返修多為多層焊接，需對多層、甚至是全壁厚焊縫金屬進(jìn)行打磨、焊接，才能完全清除缺陷，修補(bǔ)多為表面打磨或單層焊接，如根焊、表面焊或填充焊的某一層。另外，返修焊口的兩側(cè)多為長管道固定端，修補(bǔ)焊縫的一側(cè)多為一根鋼管自由端。因此，返修焊接過程中受到的拘束應(yīng)力遠(yuǎn)高于修補(bǔ)焊縫。

焊口承受的應(yīng)力和返修焊工的操作水平對返修焊接質(zhì)量具有很大的影響。為避免焊接接頭產(chǎn)生裂紋缺陷，返修焊接應(yīng)在受控狀態(tài)下，由具有返修資格的焊工按照返修焊接工藝規(guī)程進(jìn)行焊接，并嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)定的最小修磨長度、預(yù)熱方法、預(yù)熱溫度和無損檢測方法等。

1.3 高寒地區(qū)的冬季現(xiàn)場焊接

NB/T 47015—2011規(guī)定初始的焊件溫度不應(yīng)低于-20℃，當(dāng)焊件溫度為-20～0℃時，應(yīng)在始焊處100 mm范圍內(nèi)預(yù)熱到15℃以上。俄羅斯干線管道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)СНИП III-42-80規(guī)定環(huán)境溫度不低于-50℃時允許進(jìn)行焊接作業(yè)，環(huán)境溫度不低于-40℃時允許進(jìn)行管道吊裝等機(jī)械作業(yè)。而API 1104，SY/T 4103，SY/T 4125和GB 50369等油氣管道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定焊接環(huán)境溫度不應(yīng)低于焊接工藝規(guī)程的規(guī)定溫度。

從國內(nèi)外管道工程的施工經(jīng)驗可以看出，在施工人員能夠耐受的低溫環(huán)境條件下可以進(jìn)行焊接施工。如前蘇聯(lián)的烏連戈依—中央輸氣管道系統(tǒng)經(jīng)過永凍土區(qū)的施工，美國阿拉斯加管道工程經(jīng)過北極圈內(nèi)的永凍土區(qū)施工，加拿大阿爾伯塔省北部地區(qū)北極圈內(nèi)等，焊接施工的最低環(huán)境溫度達(dá)到了-46℃。我國建設(shè)的俄羅斯遠(yuǎn)東—太平洋管道工程、哈薩克斯坦肯基亞克鹽下油田管道工程、西部原油成品油管道工程、西氣東輸二線西段管道工程及漠大線管道工程等，焊接施工的最低環(huán)境溫度達(dá)到了-28℃。

環(huán)境溫度較低時，高強(qiáng)度管線鋼環(huán)焊縫焊接存在的主要問題包括：①焊縫冷卻速度加快，出現(xiàn)淬硬組織，冷裂紋敏感性相應(yīng)增加；②低溫環(huán)境下預(yù)熱效果變差，保持焊縫道間溫度困難，增加焊縫一次結(jié)晶的區(qū)域偏析，在較大的拉應(yīng)力場作用下焊縫中心易發(fā)生結(jié)晶裂紋；③嚴(yán)寒、冰雪天氣使施工機(jī)具、焊接設(shè)備的可靠性降低；④焊工對寒冷的耐受力直接影響焊接質(zhì)量。

1.4 沉降和滑移等地質(zhì)條件下環(huán)焊縫承載狀態(tài)

相同輸送壓力條件下，隨著管道鋼管強(qiáng)度等級的提高、直徑的增大、壁厚的減薄，鋼管的徑厚比增大，管道穩(wěn)定性降低，管道環(huán)焊縫受外部載荷的影響而發(fā)生破壞的概率增大。

在只承受內(nèi)壓的情況下，環(huán)焊縫水壓試驗時所承受的軸向應(yīng)力最大，約為環(huán)向應(yīng)力的1/2，而在管道正常運(yùn)行過程中所承受的軸向應(yīng)力則約為環(huán)向應(yīng)力的1/3，這也就意味著經(jīng)過水壓試驗的環(huán)焊縫完全有能力承受管道運(yùn)行過程中的內(nèi)壓。

當(dāng)環(huán)焊縫承受了內(nèi)壓以外的其他外部載荷（如強(qiáng)力組對、地質(zhì)沉降和土壤滑移等側(cè)向應(yīng)力）時，其所承受的軸向應(yīng)力大大增加，在應(yīng)力集中作用的影響下易在焊縫根部或近縫區(qū)發(fā)生開裂。因此，對環(huán)焊縫的焊接工藝設(shè)計、管口組對質(zhì)量應(yīng)給予更多的關(guān)注。

2 管道環(huán)焊縫焊接施工建議

2.1 連頭和返修的根焊宜采用上向焊

上向焊和下向焊是根據(jù)焊接時的焊接方向來區(qū)分的。由于焊接熔池為液態(tài)，具有向下流動的重力屬性，為了能夠托住熔池一般都采用上向焊，上向焊也被稱為傳統(tǒng)焊。下向焊時需要采用專用的焊接材料，如纖維素型焊條、專用低氫型焊條等，下向焊具有熔池粘度大、可快速凝固的特性，焊接速度快。近年來，隨著管道建設(shè)的快速發(fā)展，下向焊方法被越來越多的焊工所掌握，尤其是纖維素型焊條下向焊、自保護(hù)藥芯焊絲半自動下向焊等，傳統(tǒng)的上向焊方法反倒逐漸減少。

目前管道建設(shè)使用的一些焊接材料 （如纖維素焊條），既可進(jìn)行下向焊也可進(jìn)行上向焊。纖維素焊條下向根焊時的對口間隙為2.0 mm左右，焊接速度快，焊層厚度約2.0 mm，該方法大多用于順序組對焊口的根部焊接。纖維素焊條上向根焊可適應(yīng)的對口間隙為3.5 mm左右，焊接速度較慢，焊層厚度約3.0 mm，該方法多用于管道連頭、返修和管口組對質(zhì)量不能保證焊口的根部焊接。

采用小直徑焊條上向焊進(jìn)行連頭和返修根焊的方法，首先可更好地適應(yīng)由于現(xiàn)場切割、管口橢圓度、溫差變化和外對口器組對等因素造成的組對坡口尺寸誤差，焊工容易通過變化運(yùn)條方式、降低焊接速度等手段保證根焊質(zhì)量；其次，可將根焊道最后的封口留在有利于焊接操作的位置，避免最后一段閉合縫焊接時因管內(nèi)外劇烈的空氣對流而產(chǎn)生焊接缺陷；最后，可保證根焊層的厚度，避免拆除外對口器時因拘束應(yīng)力過大而引發(fā)焊接裂紋。

現(xiàn)場施工過程中，當(dāng)實際的連頭或返修管口的組對坡口尺寸精度良好時，技藝高超的焊工會采用下向焊的方法完成根部焊接 （與順序組對焊口的焊接工藝相同），以快速完成管道閉合，此時若經(jīng)后續(xù)監(jiān)督環(huán)節(jié)驗證焊縫質(zhì)量合格，則不會對管道的本質(zhì)安全造成重大影響。但也存在這樣的情況，即同一焊口中坡口尺寸良好的位置 （如立焊）采用了下向焊方法根焊，而其他坡口尺寸較差的位置（如平焊或仰焊）又采用上向焊方法根焊，此時會因焊接方向和焊接順序的變化而導(dǎo)致焊縫金屬產(chǎn)生過大的殘余應(yīng)力和焊接變形，具有一定的質(zhì)量與安全風(fēng)險。

2.2 返修焊的填充、蓋面不應(yīng)采用自保護(hù)藥芯焊絲

自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊的焊接速度快，合格率高，是我國管道建設(shè)中普遍使用的焊接方法。但返修焊口由于拘束應(yīng)力大、焊接長度短、焊接位置多不利于操作等原因，成為整個管道的最薄弱環(huán)節(jié)，若采用自保護(hù)藥芯焊絲進(jìn)行填充、蓋面，存在著環(huán)焊縫韌性難以保證的不利影響，且這種焊縫金屬性能的變差只能通過破壞性試驗才能檢驗到，不能通過后續(xù)的無損檢測環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)。其帶來的管道運(yùn)行安全隱患為，焊縫金屬中的焊接缺欠有可能由于韌性差而在外力的作用下發(fā)展為裂紋源。

自保護(hù)藥芯焊絲的返修焊縫韌性難以保證，首先是由于道間溫度的影響，返修焊縫長度較短，焊接過程中常超過80～120℃的最佳道間溫度，使得焊縫金屬韌性的穩(wěn)定性變差。其次是由于焊接操作穩(wěn)定性的影響，返修焊接大多在仰焊位置，操作難度大，有的焊工需要采用小電流、滅弧法才能形成滿意的外觀成形，但這卻造成了電弧穩(wěn)定性差、焊縫金屬中氮含量高導(dǎo)致焊縫金屬韌性下降。最后是由于焊縫接頭的影響，自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊工藝固有的缺點(diǎn)是焊縫金屬韌性離散，一般的分析認(rèn)為與母材冶金成分、藥粉灌裝均勻性、焊接穩(wěn)定性等條件相關(guān)，返修焊縫段接頭層疊，韌性更差。

因此，對于X65及更高強(qiáng)度級別的管道，推薦采用擴(kuò)散氫含量低、焊縫金屬性能穩(wěn)定的低氫型焊條上向焊或低氫型焊條下向焊的方法進(jìn)行焊接。由于低氫型焊條下向焊的焊接工藝性能差，對焊工的技能水平要求也高，所以返修焊接大多采用低氫型焊條上向焊的方法。

2.3 高寒地區(qū)現(xiàn)場焊接

高寒地區(qū)管道建設(shè)過程中，當(dāng)環(huán)境溫度低至鋼管或環(huán)焊縫的韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下時，將發(fā)生脆性破壞的危險，應(yīng)在設(shè)計、鋼管采購及焊接工藝評定等環(huán)節(jié)就對可能遇到的最低施工環(huán)境溫度給予充分的考慮。

吊管機(jī)、推土機(jī)、挖掘機(jī)、對口器、坡口機(jī)、焊接工程車、焊接電源等機(jī)具和設(shè)備，在-20℃以下的環(huán)境下將會出現(xiàn)發(fā)動機(jī)啟動困難或不能啟動，傳動、液壓和電器系統(tǒng)不能正常工作等問題，應(yīng)提前做好防護(hù)措施。如油管、氣管、液壓管要適合低溫環(huán)境；采用燃油加熱器或電加熱器對設(shè)備的發(fā)動機(jī)、燃油箱、燃油管路、液壓油箱及管路進(jìn)行啟動前的預(yù)熱；進(jìn)入冬季前更換低溫用潤滑油、液壓油、柴油和冷卻液；對口器在空壓機(jī)出口處加裝空氣干燥器或酒精罐，防止供氣回路結(jié)冰，影響使用等。

焊接作業(yè)應(yīng)在防風(fēng)棚或保溫棚內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度低于-20℃時宜采用小流水作業(yè)的施工方式，有利于保證層間溫度，同時可避免未完成焊口在低溫環(huán)境下長時間放置，并可在施工現(xiàn)場采用埋弧焊或氣保護(hù)自動焊進(jìn)行 “二接一”、 “三接一”的預(yù)制。焊口預(yù)熱、道間溫度保持應(yīng)采用中頻感應(yīng)加熱裝置。

寒冷環(huán)境中，焊工受勞動防護(hù)品保暖性和輕便性，及人體耐受能力的影響，會使焊接過程更易出現(xiàn)誤操作。因此，應(yīng)加強(qiáng)HSE管理，做好人員取暖、保暖工作。

2.4 沉降和滑移等地質(zhì)條件下環(huán)焊縫焊接

當(dāng)管道處于有可能發(fā)生地質(zhì)沉降、土壤滑移等特殊地段時，環(huán)焊縫的焊接宜采用高強(qiáng)匹配的焊接工藝，保證焊接接頭的整體強(qiáng)度高于管體。當(dāng)鋼管具有焊接熱影響區(qū)軟化傾向時，還可采用增加環(huán)焊縫蓋面寬度的方法進(jìn)行焊接熱影響區(qū)的補(bǔ)強(qiáng)。

應(yīng)避免在這類地段內(nèi)，尤其是沉降、滑移的邊緣地帶進(jìn)行管道連頭，盡量采用順序組對的施工方式，降低環(huán)焊縫組對、焊接過程中的施工應(yīng)力。

采用溝下焊接時，可適當(dāng)增加管溝寬度，確保環(huán)焊縫焊接后的殘余應(yīng)力較小。

2.5 其他

參考?xì)W美或俄羅斯管道建設(shè)經(jīng)驗，在監(jiān)理部門和（或）承包商項目部設(shè)立焊接總監(jiān)，負(fù)責(zé)焊接施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)把關(guān)，如為某段管道選擇適宜的焊接工藝、焊接施工過程中主要問題的分析與整改、關(guān)鍵點(diǎn)多次返修的認(rèn)可及簽署等。

將質(zhì)量檢查的重點(diǎn)放到施工過程中，確保焊接過程規(guī)范、有序，現(xiàn)場施工資料可追溯性強(qiáng)?？偨Y(jié)、歸納出管道建設(shè)過程中的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，并加以有效控制，如使用母材、焊材、焊接工藝執(zhí)行的正確性，是否存在強(qiáng)力組對、連頭和返修全過程受控等。

3 結(jié) 論

針對油氣管道現(xiàn)場焊接施工中應(yīng)關(guān)注的問題，給出了以下焊接施工建議，希望以此提高油氣管道環(huán)焊縫的安全性和可靠性。

（1）連頭和返修焊口的根焊采用上向焊方法，可保證大部分焊工能夠在現(xiàn)場條件下完成高質(zhì)量的焊接。應(yīng)避免采用上向和下向混合操作的方法進(jìn)行根焊焊接。

（2）返修焊口的填充、蓋面焊接采用低氫焊條上向或下向焊的方法，可保證焊縫金屬性能，不應(yīng)采用自保護(hù)藥芯焊絲。

（3）應(yīng)從設(shè)計、鋼管、環(huán)焊縫的角度對管道建設(shè)中可能遇到的最低施工環(huán)境溫度給予充分考慮。冬季焊接施工前應(yīng)提前做好設(shè)備和人員的防護(hù)工作，采用小流水作業(yè)、中頻感應(yīng)加熱等焊接施工方法有利于保證焊縫性能。

（4）承受側(cè)向應(yīng)力的環(huán)焊縫應(yīng)采用高強(qiáng)匹配的焊接工藝，焊接施工中宜注意采取能夠降低焊接殘余應(yīng)力的措施。

[1]NB/T 47015—2011，壓力容器焊接規(guī)程[S].

[2]Q/SY 4103—2006，鋼質(zhì)管道焊接及驗收[S].

[3]SY/T 4125—2013，鋼質(zhì)管道焊接規(guī)程[S].

[4]СНИП III-42-80， Магистральныетрубопроводы.Правилапроизводства и приемкиработ[S].

[5]API 1104，Welding of Pipelines and Related Facilities[S].

[6]GB 50369—2006，油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范[S].

[7]隋永莉，于永超，王建國.長輸管道連頭施工技術(shù)研究[J].石油天然氣學(xué)報，2011，33（09）：304-306.

[8]隋永莉，薛振奎.西氣東輸二線管道工程的焊接技術(shù)特點(diǎn)[J].電焊機(jī)，2009，39（05）：18-21.

[9]曾惠林，隋永莉.西氣東輸二線干線管道冬季焊接技術(shù)研究[J].壓力容器，2009，26（06）：46-49.

[10]隋永莉，王福柱.長輸管道建設(shè)中焊接設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].電焊機(jī)，2006，36（12）：1-3.