胡美娟，田 野，池 強，齊麗華

(1. 中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077； 2.中國石油西部管道公司 新疆 烏魯木齊 830013)

0 引 言

焊接工藝評定是驗證施焊單位擬定焊接工藝的正確性、評定施焊單位技術(shù)能力的重要手段，是控制產(chǎn)品焊接質(zhì)量最重要和最有效的方法和程序之一[1]。目前，石油天然氣領(lǐng)域鋼質(zhì)管道進行焊接工藝評定的標準依據(jù)通常有美國標準、歐洲標準以及與上述國外標準等同或等效采用的國家標準和行業(yè)標準[2]。這些標準各成體系，適用范圍各異，規(guī)定存在一定差別，但是因為經(jīng)驗、歷史等原因在油氣領(lǐng)域并行使用，導(dǎo)致施工單位無所適從。另外，近年來自動焊工藝在西氣東輸二線、中俄東線等重要輸氣管道工程中大規(guī)模應(yīng)用，其焊接工藝評定的基本要素同傳統(tǒng)的焊條電弧焊和半自動焊存在較大的差異。因此，有必要對輸氣管道焊接工藝評定的標準體系及進展進行詳細的分析。

1 輸氣管道焊接工藝評定標準體系

GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》是輸氣管道現(xiàn)行設(shè)計標準，自從2015年10月1日起實施，屬于國家強制性標準。在標準的11.1.2中規(guī)定：在開工前應(yīng)根據(jù)設(shè)計文件提出的鋼種等級、管道規(guī)格、焊接接頭形式進行焊接工藝評定，并應(yīng)根據(jù)焊接工藝評定結(jié)果編制焊接工藝規(guī)程。其中輸氣管道線路焊接工藝評定應(yīng)符合現(xiàn)行SY/T 4103《鋼制管道焊接及驗收》的有關(guān)規(guī)定[3]。

GB 50369—2014《油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范》是與GB 50251—2015配套的長輸管道現(xiàn)行的施工和驗收規(guī)范，2014-05-29發(fā)布，2015-03-01實施，屬于國家強制性標準。本規(guī)范適用于新建或改建、擴建的陸地長距離輸送油氣管道、煤層氣、成品油管道線路工程的施工及驗收。不適用于油氣場站內(nèi)部的工藝管道、油氣田集輸管道、工業(yè)企業(yè)內(nèi)部的油氣管道的施工及驗收。在標準的10.1.2中規(guī)定：焊接施工前，應(yīng)制定焊接工藝預(yù)規(guī)程，進行焊接工藝評定。焊接工藝評定應(yīng)符合現(xiàn)行行業(yè)標準 SY/T 4103《鋼制管道焊接及驗收》的有關(guān)規(guī)定[4]。

作為強制性國家標準，GB 50251—2015和GB 50369—2014的配套焊接工藝評定引用標準SY/T 4103—2006《鋼質(zhì)管道的焊接及驗收》是目前的最新版本，2007年1月1日實施，修改采用API 1104—1999第19版[5]。這存在的主要問題就是引用標準的版本過低，標準中焊接工藝評定原則和現(xiàn)行的輸氣管道施工采用的焊接方法和焊接工藝嚴重脫節(jié)，該標準已于2018年被發(fā)布單位國家能源局廢止。GB/T 31032—2014《鋼質(zhì)管道的焊接及驗收》2014年12月5日發(fā)布，2015年6月1日實施，修改采用API 1104：2010第20版[6]。

API 1104《管道及相關(guān)設(shè)施的焊接》(Welding of Piplelines and Related Facilities)標準是由包括美國石油學會(API)、美國氣體協(xié)會(AGA)、管道承包商協(xié)會(PLCA)、美國焊接學會(AWS)、美國無損探傷學會(ASNT)的代表以及管子制造商的代表和個人代表組成的標準編制委員會編制，由API發(fā)布，作為長輸管道的現(xiàn)場焊接及驗收標準在世界范圍內(nèi)廣泛使用。其最新版的API 1104為第21版，2013年9月發(fā)布[7]。

綜合分析輸氣管道焊接工藝評定標準體系可知，最新版本的輸氣管道設(shè)計、施工和驗收的焊接工藝評定標準一致，但是標準中指明的配套標準SY/T 4103則版本過低，行業(yè)默認采用GB/T 31032最新版本代替其使用。

2 焊接工藝評定的基本要素和檢驗要求

2.1 焊接工藝評定的基本要素演變

GB/T 19866—2005/ISO 15607:2003《焊接工藝規(guī)程及評定的一般原則》共有 5 種對焊接工藝進行評定的方法，這與國際焊接標準體系一致[8]。API 1104采用的就是最常用的焊接工藝評定試驗的評定方式。焊接工藝評定試驗的目的在于驗證用此工藝能否得到具有合格力學性能(如強度、塑性和硬度)的焊接接頭。焊接工藝評定的程序為：在焊接生產(chǎn)前，制定詳細的預(yù)焊接工藝規(guī)程，并對此焊接工藝進行評定，采用破壞性試驗檢驗焊接接頭質(zhì)量，并依據(jù)評定合格的工藝編制焊接工藝規(guī)程。當焊接工藝規(guī)程中規(guī)定的基本要素發(fā)生變更時，重新對焊接工藝評定。下面對API 1104—2013的焊接工藝評定的基本要素和試驗進行分析，并對比其與SY/T 4103—2006和 GB/T 31032—2014的差異。

API 1104—2013適用的焊接方法為焊條電弧焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護電弧焊、藥芯焊絲保護焊、等離子弧焊、氧乙炔氣焊、閃光對焊，焊接方式包括手工焊、半自動焊、機械/自動焊，以及上述方式的組合。適用的焊接位置為固定焊、旋轉(zhuǎn)焊或其組合。并且明確指出其第5部分為手工焊和帶填充金屬半自動焊的焊接工藝評定要求；第12部分為帶填充金屬的機械/自動焊焊接工藝評定要求；第13部分為不帶填充金屬的自動焊焊接工藝評定要求(這主要針對閃光對焊，我國輸氣管道應(yīng)用較少，下文不再討論)。另外，在附錄A環(huán)焊縫的基于ECA驗收標準中增加了有斷裂韌性要求環(huán)焊縫焊接工藝評定的基本要素變更和附加的機械性能試驗。在SY/T 4103—2006中未明確指出焊接方式的分類。

針對手工焊和帶填充金屬半自動焊的焊接工藝評定要求，其基本要素共有14組，同GB/T 31032—2014。唯一區(qū)別在于國標未明確規(guī)定保護氣體流量的變化幅度，API 1104—2013定義為額定流量增加或減少20%即發(fā)生基本要素的變更。另外就是國標未引用API 5L，因此母材的分類采用的是屈服強度而不是鋼級，但是基本內(nèi)容一致。

針對帶填充金屬的機械/自動焊工藝評定要求，適用的焊接方法為：(1)埋弧焊；(2)熔化極氣體保護焊；(3)非熔化極氣體保護焊；(4)自保護或者氣保護藥芯焊絲電弧焊；(5)等離子弧焊；(6)手工和半自動焊接方式和上述自動焊接方法的結(jié)合。其基本要素共有17組，同第5章相比，增加了管徑、填充金屬絲尺寸和焊后的冷卻方式，這都是根據(jù)機械/自動焊的焊接工藝特點增補的。GB/T 31032—2014則未考慮焊后的冷卻方式。

基于ECA針對有斷裂韌性要求環(huán)焊縫焊接工藝評定要求，其基本要素共有18組，同第12章相比，增加了單層焊道熱輸入的要求，但是基本要素控制得更為嚴格。針對焊接方法，增加了電弧熔滴過渡模式的變更；針對母材的分類則增加了5項具體要求；填充金屬和焊劑、層間溫度、管徑也有更詳細的規(guī)定。GB/T 31032—2014與其相比基本一致，具體見表1。

表1 API 1104—2013 焊接工藝評定的基本要素及變更明細

續(xù)表

2.2 焊接工藝評定的檢驗和試驗

API 1104中的焊接工藝評定是基礎(chǔ)性評定，評定試驗的目的在于驗證采用的焊接工藝能否得到具有合格力學性能的(如強度、塑性)的焊接接頭[9]。因此針對手工焊和帶填充金屬半自動焊的對接焊接工藝評定試驗截取一個完整焊口，在該焊口進行無損檢驗和試驗，試驗項目只有：拉伸(強度)、刻槽錘斷(焊縫斷面缺陷)、面彎/背彎或側(cè)彎(塑性)三種試驗類型。針對帶填充金屬的機械/自動焊焊焊接工藝評定試驗，對刻槽錘斷試驗項目不做要求。當焊接工藝為手工焊/帶填充金屬半自動焊機械自動焊的組合，則應(yīng)增加刻槽錘斷試驗項目。

基于ECA針對有斷裂韌性要求環(huán)焊縫焊接工藝評定試驗，試驗項目有：拉伸(強度)、夏比沖擊(韌性)、斷裂韌性(韌性)三種試驗類型。其中拉伸試樣采用改進的矩形拉伸試樣，試驗結(jié)果要求抗拉強度大于鋼管規(guī)定的最小抗拉強度，并且試件不能在焊縫位置失效。夏比沖擊分別在12點、6點及3點或9點各取一組焊縫和熱影響區(qū)試樣，試驗結(jié)果要求：(1)最低設(shè)計溫度下，最小值和平均值大于30 J和40 J；(2)剪切面積大于等于50%。斷裂韌性取樣位置和夏比沖擊取樣位置一致，每個焊接工藝都應(yīng)在設(shè)計溫度或者設(shè)計溫度以下進行至少3個有效試樣的試驗，評價方法參考BS EN ISO 15653，6個試樣的最小CTOD值應(yīng)大于0.05 mm才能用該附錄進行評價。

2.3 焊接工藝評價的特點分析

國內(nèi)輸氣管道焊接工藝評定標準主要修改采用API 1104。該標準適用于使用碳鋼鋼管、低合金鋼管及管件，輸送原油、成品油、燃料氣體、二氧化碳、氮氣等介質(zhì)的長輸管道、壓氣站管網(wǎng)和泵站管網(wǎng)的安裝焊接。針對的材料主要是API 5L管線鋼，因此對材料的分組相對簡單。但是針對有斷裂韌性要求的環(huán)焊，其母材分類則增加了大量的細化規(guī)則，分類太細，施工單位執(zhí)行起來難度較大。另外，其焊接工藝評定因素也相對簡單，只有基本因素。不同于其他壓力容器的焊接工藝評定因素一般分為重要因素、補加因素和次要因素[10]。

針對手工焊和半自動焊焊接工藝評定的檢驗和試驗，API 1104只要求拉伸、刻槽錘斷、面彎/背彎或側(cè)彎；自動焊不要求刻槽錘斷，檢驗塑性的試驗就是彎曲試驗。在彎曲試驗時，根據(jù)壓頭直徑D與試件厚度a的比率與彎曲試樣表面延伸率關(guān)系可知，隨著壓頭直徑加大，試樣拉伸表面中熱影響區(qū)、熔合區(qū)和焊縫區(qū)的延伸率趨于接近。API 1104采用的導(dǎo)向完全試驗的壓頭直徑為90 mm，常用管線鋼厚度同彎頭直徑比達到7，焊縫處的延伸率僅為13.5%，試驗嚴格程度與其它壓力容器類標準相比較低[11]。基于ECA針對斷裂韌性要求環(huán)焊縫焊接工藝評定試驗，則增加了夏比沖擊和CTOD試驗。由于CTOD試驗在國內(nèi)的普及性較低，國內(nèi)輸氣管線焊接工藝評定往往僅做沖擊韌性試驗，而不進行CTOD試驗。

3 結(jié) 論

本文在對輸氣管道焊接工藝評定的標準體系演變進行分析的基礎(chǔ)上，分析了最新版本API 1104—2013針對焊接工藝評定的基本要素和試驗的要求，得出了以下結(jié)論。

1)輸氣管道強制性國家標準中指明的配套標準SY/T 4103的版本過低，且已廢止，建議采用GB/T 31032最新版本代替。

2)API 1104—2013的常規(guī)焊接工藝評定為基礎(chǔ)性評定，焊接工藝評定因素單一，評定試驗項目簡單，建議具體工程工藝評定應(yīng)增加試驗項目。

3)API 1104 基于ECA針對有斷裂韌性要求環(huán)焊縫焊接工藝評定的基本要素變更增加大量細則，建議國內(nèi)的輸氣管道工程在采用時，應(yīng)綜合考慮實際焊接工藝和焊接方式，制定合適的工藝評定準則。