油氣管道環(huán)焊縫焊接施工應(yīng)關(guān)注的問題及建議*

隋永莉， 曹曉軍， 胡小坡

（1.油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)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(xiàng)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(jí)、管徑、壁厚和輸送壓力不斷升級(jí)，這對(duì)管道現(xiàn)場(chǎng)焊接施工技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，也使得高鋼級(jí)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(zhǎng)輸管道現(xiàn)場(chǎng)焊接施工的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為焊接場(chǎng)所始終處于動(dòng)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(gè)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(dòng)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(shí)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(shí)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(dòng)的焊口的焊接。連頭焊口由于在坡口尺寸精度、組對(duì)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(duì)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(zhēng)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(xiǎn)的差異。筆者認(rèn)為，返修是指對(duì)通過目視檢查、無損檢測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)度、預(yù)熱方法、預(yù)熱溫度和無損檢測(cè)方法等。

1.3 高寒地區(qū)的冬季現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，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(shí)允許進(jìn)行焊接作業(yè)，環(huán)境溫度不低于-40℃時(shí)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(yàn)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(shí)，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(chǎng)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(duì)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(jí)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(yàn)時(shí)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(yàn)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(duì)、地質(zhì)沉降和土壤滑移等側(cè)向應(yīng)力）時(shí)，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(duì)環(huán)焊縫的焊接工藝設(shè)計(jì)、管口組對(duì)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(shí)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(shí)的對(duì)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(duì)焊口的根部焊接。纖維素焊條上向根焊可適應(yīng)的對(duì)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(duì)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(chǎng)切割、管口橢圓度、溫差變化和外對(duì)口器組對(duì)等因素造成的組對(duì)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(shí)因管內(nèi)外劇烈的空氣對(duì)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(duì)口器時(shí)因拘束應(yīng)力過大而引發(fā)焊接裂紋。

現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，當(dāng)實(shí)際的連頭或返修管口的組對(duì)坡口尺寸精度良好時(shí)，技藝高超的焊工會(huì)采用下向焊的方法完成根部焊接 （與順序組對(duì)焊口的焊接工藝相同），以快速完成管道閉合，此時(shí)若經(jīng)后續(xù)監(jiān)督環(huán)節(jié)驗(yàn)證焊縫質(zhì)量合格，則不會(huì)對(duì)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(shí)會(huì)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(xiǎn)。

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(dòng)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(zhǎng)度短、焊接位置多不利于操作等原因，成為整個(gè)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(yàn)才能檢驗(yàn)到，不能通過后續(xù)的無損檢測(cè)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(zhǎng)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(dòng)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(duì)于X65及更高強(qiáng)度級(jí)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(duì)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(chǎng)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(shí)，將發(fā)生脆性破壞的危險(xiǎn)，應(yīng)在設(shè)計(jì)、鋼管采購及焊接工藝評(píng)定等環(huán)節(jié)就對(duì)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(duì)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(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難或不能啟動(dòng)，傳動(dòng)、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(duì)設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)、燃油箱、燃油管路、液壓油箱及管路進(jìn)行啟動(dòng)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(duì)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(shí)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(shí)可避免未完成焊口在低溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間放置，并可在施工現(xiàn)場(chǎng)采用埋弧焊或氣保護(hù)自動(dòng)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(dòng)防護(hù)品保暖性和輕便性，及人體耐受能力的影響，會(huì)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(shí)，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(shí)，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(duì)的施工方式，降低環(huán)焊縫組對(duì)、焊接過程中的施工應(yīng)力。

采用溝下焊接時(shí)，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(yàn)，在監(jiān)理部門和（或）承包商項(xiàng)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(chǎng)施工資料可追溯性強(qiáng)。總結(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(duì)、連頭和返修全過程受控等。

3 結(jié) 論

針對(duì)油氣管道現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(jì)、鋼管、環(huán)焊縫的角度對(duì)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(yàn)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(zhǎng)輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[7]隋永莉，于永超，王建國.長(zhǎng)輸管道連頭施工技術(shù)研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，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(zhǎng)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(shì)[J].電焊機(jī)，2006，36（12）：1-3.