在線焊接國內(nèi)外標準對比分析

姚學軍，劉少柱，吳凱旋，劉　冰，張　妮，稅碧垣

1.中國石油管道科技研究中心（河北廊坊065000）

2.中國石油管道公司管道處（河北廊坊065000）

3.中國石油管道公司人事處（河北廊坊065000）

在線焊接國內(nèi)外標準對比分析

姚學軍1，劉少柱2，吳凱旋3，劉冰1，張妮1，稅碧垣1

1.中國石油管道科技研究中心（河北廊坊065000）

2.中國石油管道公司管道處（河北廊坊065000）

3.中國石油管道公司人事處（河北廊坊065000）

介紹了國內(nèi)和ASME、API、CSA及俄羅斯管道在線焊接相關標準，針對影響管道在線焊接質(zhì)量的關鍵因素如搶修附件材質(zhì)、壓力要求、介質(zhì)流速要求等進行了國內(nèi)外標準及企業(yè)實踐做法對比分析，明確了國內(nèi)外差異及國外相關標準中值得借鑒的地方，提出了標準改進建議，對提升我國標準技術水平有一定的借鑒意義。

管道在線焊接；標準；影響因素；對比分析

管道在線焊接技術是管道失效搶修中最常用、最重要的技術，管道堵漏、開孔、換管等搶修技術均離不開焊接。在線焊接質(zhì)量高低對于管道本體承壓能力及繼續(xù)安全服役有重要影響。我國管道焊接標準及企業(yè)實踐做法與國外存在一些技術指標上的差異，相比國外先進管道企業(yè)長期建設和運行搶修經(jīng)驗，國內(nèi)針對高強鋼管道在線焊接研究起步晚，經(jīng)驗不足。因此，有必要對焊接相關國內(nèi)外標準及企業(yè)實踐做法進行研究和對比分析，借鑒國外先進標準及最佳實踐做法，促進國內(nèi)在線焊接技術及標準水平的提升［1］。

1　國內(nèi)外標準

目前國內(nèi)外針對在線焊接的專項標準較少，除API 1107外，國外ASME、API、CSA等知名標準化協(xié)會發(fā)布的管道相關標準中對焊接提出了相關要求，對在線焊接具備同樣的約束力和參考性。國內(nèi)目前已發(fā)布了多項焊接標準如GB/T 28055-2011、SY 6554-2003、SY/T 4103-2006等，并于2015年制定了行業(yè)標準《鋼質(zhì)管道失效搶修技術規(guī)范》對在線焊接相關要求進行了規(guī)范。國內(nèi)外管道企業(yè)多依據(jù)現(xiàn)行標準結合企業(yè)實踐做法開展搶修焊接。因此本文主要針對表1所列標準結合國內(nèi)外企業(yè)實踐做法開展對比分析。

表1　國內(nèi)外搶修相關標準

2　標準技術指標對比分析

2.1環(huán)境要求

標準層面上，API 1104對在線焊接環(huán)境要求進行了原則性規(guī)定“業(yè)主應規(guī)定適宜焊接的氣候條件”［2］。俄羅斯標準規(guī)定在受控條件下輸油管道允許在-40℃以內(nèi)的環(huán)境溫度下進行焊接。對于無防護措施如防風保溫棚條件下最低可焊溫度，國內(nèi)外均未查到相關標準規(guī)定。

企業(yè)實踐做法上，國內(nèi)管道企業(yè)針對手工電弧焊環(huán)境要求基本一致，如環(huán)境溫度＜0℃，環(huán)境濕度＞90%RH，環(huán)境風速＞5m/s，在不利環(huán)境中會采取防風棚等措施進行受控焊接。國外專家認為風速、溫度或濕度等環(huán)境因素對焊接質(zhì)量的影響并不十分顯著，因為可以通過采用防風棚、預熱等措施消除環(huán)境因素的影響。

針對在線焊接環(huán)境要求國內(nèi)外企業(yè)實踐做法一致，建議企業(yè)根據(jù)自身需求明確相關標準規(guī)定。

2.2套袖材質(zhì)

套袖修復是最重要的搶修技術之一。不同鋼級管道應匹配相應等級的套袖才能獲得理想的搶修效果。國內(nèi)未見套袖材質(zhì)選型的規(guī)定。俄羅斯標準PД 153-112-014-97規(guī)定“補片、套袖和工藝環(huán)，應采用管材制作，管材的機械性能、化學成分和壁厚等應與維修管段相同”，其適用性有待于進一步驗證。

在搶修實踐中主要考慮套袖的承壓能力。套袖分為A型套袖和B型套袖。A型套袖主要用于補強，不具備承壓能力，在此不做詳細討論。B型套袖具備承壓能力，選型時主要考慮壁厚和強度的計算，具體原則為：

1）套袖厚度應不低于主管道，最大不應超過主管道壁厚的1.5倍。

2）承壓能力應不低于主管道。

3）等級匹配應考慮屈服強度和機械強度，套袖屈服強度高則剛度會有所降低，因此套袖選型時等級不宜太高，如國內(nèi)管道企業(yè)對于X70管道多采用為L485、Q345B等材質(zhì)套袖，Enbridge公司對于X65管道采用A517（Gr 50）材質(zhì)套袖。

國內(nèi)外做法基本一致，但目前國內(nèi)外標準對套袖選型尚缺乏規(guī)范，建議進一步研究套袖選型并在標準中進行規(guī)范。

2.3壓力要求

焊接前降壓可保證焊接安全但同時會影響正常生產(chǎn)輸送。因此管道企業(yè)期望在更高的壓力下進行焊接。國內(nèi)一般根據(jù)GB/T 28055-2011中允許帶壓施焊的壓力計算公式確定［3］，但此方法專業(yè)性較強，需要專業(yè)技術人員支持。國內(nèi)部分管道企業(yè)根據(jù)經(jīng)驗進行降壓，如取管道允許工作壓力的0.4倍或更高，但此種方法較為保守，會造成輸送困難。ASME B31.8要求“在線焊接時管道應無泄漏，管內(nèi)應進行降壓且降壓后管內(nèi)壓力產(chǎn)生的環(huán)向應力不超過最小屈服強度的20%”［4］，該規(guī)定操作性較弱；俄羅斯標準PД 153-112-014要求“管道內(nèi)余壓2.0MPa以內(nèi)”過于嚴苛很難達到。

國外管道企業(yè)在搶修實踐中降壓幅度相對寬松。Enbridge公司一般做法為“當管道壁厚≥6.35mm時，內(nèi)壓最大可以達到100%額定最小屈服強度，如果焊接過程中發(fā)現(xiàn)磁化現(xiàn)象，需要降壓50%”。Kinder Morgan公司對于壁厚大于10.3mm的管道最大允許壓力為60%額定最小屈服強度。研究表明當管道壁厚超過6mm時控制好焊接工藝參數(shù)就不會發(fā)生燒穿［2］。因此降壓要求可以相對放寬。

建議國內(nèi)管道企業(yè)進一步研究合理的降壓幅度，適當放寬降壓要求。

2.4介質(zhì)流速

管輸介質(zhì)保持一定流速可防止過熱保證焊接安全，但介質(zhì)流速過快會帶走大量熱量使預熱困難或冷卻速率過高造成焊縫硬度增加。國內(nèi)外公開標準未見對介質(zhì)流速的規(guī)定。國外管道企業(yè)多采用EWI模型或Batelle模型計算確定。國內(nèi)管道企業(yè)依據(jù)經(jīng)驗確定介質(zhì)流速，如要求液體管道流速不大于大于5m/s，氣體管道流速不應大于10m/s等，理論依據(jù)不足［5-6］。

建議國內(nèi)管道企業(yè)進一步研究合理流速確定方法，并對EWI模型或Batelle模型計算流速的合理性進行研究。

2.5焊條選型

焊條選型對焊接質(zhì)量有重要影響。SY/T 7033-2016《鋼制管道失效搶修技術規(guī)范》明確規(guī)定“管道在線焊接應使用低氫焊條或低氫焊接工藝方法”［7］。CSA Z662明確規(guī)定在線焊接應采取低氫焊接工藝。但未見焊條選型具體規(guī)定［8］。

國外管道企業(yè)在焊條選型時主要考慮以下原則：

1）熔結強度必須等于或高于被焊管道的屈服強度，Kinder Morgan公司填充焊焊條選型采用等強度匹配，如表2所示X70填充焊采用E7018；En?bridge公司采用高強度匹配，如表3所示X70填充焊采用E8018-C3。

2）頭2道焊縫的冶金特性會由于稀釋效應會發(fā)生改變，宜選用較低熔結強度的焊條，如表2所示Kinder Morgan公司根焊和熱焊焊條選型。

國內(nèi)某管道企業(yè)X65管道填充焊采用E5015，X70填充焊采用E5515。由于國內(nèi)低氫焊條標號值低于AWS，如GB 5118-1996《熱強鋼焊條》中E5015焊條抗拉強度相當于AWS A5.5-1996《低合金鋼焊條》中的E7015焊條，E5515相當于國外的E8015。因此對于焊條選型國內(nèi)外基本一致。

表2　Kinder Morgan焊條選型做法

表3　Enbridge公司焊條選型做法

2.6焊條直徑

焊條直徑主要影響焊接熱輸入和焊接速度。國內(nèi)外公開標準未見在線焊接焊條直徑相關規(guī)定。在焊接實踐中，根焊和熱焊一般選用較小直徑焊條以降低熱輸入防止燒穿，填充焊和蓋面焊選用直徑較大焊條以提高焊接效率，如國內(nèi)某管道公司對X70管道根焊、熱焊一般采用3.2mm直徑焊條，對于填充焊采用4.0mm直徑焊條。表4和表5分別為Kinder Morgan和TransCanada公司焊條直接選型實踐做法，可以看出國外管道企業(yè)會區(qū)分管道直徑確定焊條直徑選擇，且相比國內(nèi)焊條直徑選用更粗一些。建議國內(nèi)管道企業(yè)區(qū)分管道直徑確定并適當提高配套焊條直徑。

表4　Kinder Morgan最大焊條直徑選擇做法

表5　TransCanada公司最大焊條直徑選擇做法

2.7預熱方法

焊前預熱可大大降低在線焊接難度。因此國內(nèi)外管道企業(yè)基本都會進行焊前預熱。ASME B31.8原則性規(guī)定在需要時應進行預熱［4］。SY/T 7033-2016要求X70以上管道及管道吸熱能力較強時采用中頻和火焰相結合的方式。

預熱的方法可歸為3種：火焰加熱、電阻加熱和中頻加熱。3種預熱方法比較如表6所示［6］。從表中可以看出，火焰加熱成本低但效果一般，中頻加熱效果最好但成本高。在搶修實踐中國內(nèi)外管道企業(yè)對3種方式都有應用，其中火焰加熱和中頻加熱相結合是應用最多的最理想的預熱方式。國內(nèi)外做法基本一致。

表6　預熱方法對比

2.8預熱溫度

SY/T 7033-2016原則性規(guī)定“預熱溫度應符合焊接工藝規(guī)程的要求”。ASME B31.8規(guī)定“在實際施焊時間內(nèi)不使溫度降到規(guī)定的最低預熱溫度以下”。俄羅斯標準PД 153-112-014-97針對不同環(huán)境溫度、厚度及碳當量規(guī)定應采取的不同預熱溫度，可操作性較強，如表7所示［4］。

在搶修實踐中，國內(nèi)管道企業(yè)依據(jù)管道等級及實踐經(jīng)驗確定預熱溫度，如某管道公司根據(jù)不同鋼級采用60℃、80℃、100℃、120℃預熱溫度。Kinder Morgan、El Paso等國外管道企業(yè)在鋼級≤X80、外徑≥325mm、環(huán)境溫度＜10℃、名義壁厚≥11.43mm時要求預熱溫度不低于95.3℃。此外對于凍土區(qū)管道預熱溫度應相應提高一些。

國內(nèi)外不同管道企業(yè)預熱溫度要求有所差異。建議借鑒俄羅斯標準根據(jù)鋼等級（碳當量）、壁厚、環(huán)境溫度選擇相應的預熱溫度（表7）。

2.9焊接連續(xù)性

焊接應盡可能連續(xù)進行，各層焊道之間時間間隔應盡可能短。SY/T 7033-2016要求焊接中斷再次焊接前應重新預熱至規(guī)程要求的最低預熱溫度。俄羅斯標準PД 153-112-014-97要求“兩層焊道之間間隔在10min以上時，焊接接頭要覆蓋干燥的石棉布”?？刹捎脺y溫儀進行溫度監(jiān)測。一般情況下焊接的熱輸入足以維持道間溫度。此外中頻加熱器可連續(xù)加熱則無需重新預熱。國內(nèi)外要求基本一致。

表7　俄羅斯標準關于預熱溫度的要求/℃

2.10焊后應力消除

焊接后應消除殘余應力以防止裂紋形成。SY/T 7033-2016規(guī)定“焊后應采用保溫緩冷措施”，ASME B31.8規(guī)定“碳鋼焊縫公稱壁厚超過1英寸（2.54cm）時，應進行應力消除處理”。焊后保溫是最常用應力消除方法，保溫時間應根據(jù)管道壁厚、口徑等確定［4］，如國內(nèi)某管道公司搶修實踐中會采取加熱1h后保溫6h的做法，Petrofac公司會加熱至100℃后緩冷2h。國內(nèi)外不同管道企業(yè)差異在于加熱溫度和保溫時間不同。但對于高壁厚管道和易產(chǎn)生應力腐蝕的環(huán)境，對于應力的控制應當更為嚴格。因此建議針對高壁厚管道和易產(chǎn)生應力腐蝕的環(huán)境明確應力控制的要求。

2.11焊道層數(shù)

焊道包括根焊、熱焊、填充焊、蓋面焊等，完成焊接所用的焊道層數(shù)過少過多都不利于焊縫質(zhì)量。SY/T 7033-2016要求“焊接環(huán)向角焊縫前，應在輸送管道上焊接預堆層”，但未給出各層焊道具體推薦值。俄羅斯標準PД 153-112-014-97根據(jù)壁厚明確規(guī)定了使用纖維素焊條、堿性焊條時應焊接的最低焊道層數(shù)，如表8所示，可操作性強。

焊道層數(shù)主要與管道壁厚有關，一般原則為焊腳長度應與管道壁厚相等。國內(nèi)管道企業(yè)在線焊接實踐中會焊接根焊、熱焊、填充焊、蓋面焊等，但工藝規(guī)程中未明確要求應采取的最低焊道層數(shù)。國外管道企業(yè)則進行了相關要求，如表9、表10所示，Kinder Morgan、TransCanada等國外管道企業(yè)會根據(jù)管道壁厚明確應采取的最低焊道層數(shù)。

表8　俄羅斯最低焊道層數(shù)

表9　Kinder Morgan關于最低焊道層數(shù)做法

建議國內(nèi)管道企業(yè)借鑒國外標準及企業(yè)實踐做法根據(jù)不同壁厚明確應采取的最低焊道層數(shù)。

2.12焊道順序

焊接順序?qū)τ诤附有始百|(zhì)量均有重要影響。GB/T 28055-2011規(guī)定了對開三通和對開四通縱向焊縫、環(huán)向角焊縫的焊接順序，國內(nèi)管道企業(yè)基本執(zhí)行該標準規(guī)定。API 1104和API 1107對加固板、套管、三通、環(huán)形板等不同焊接附件給出了推薦焊接順序［3］。其中對開三通、對開四通焊接順序與GB/T 28055-2011基本一致。確定焊接順序最基本原則為焊接應朝遠離管道的方向進行，采用使殘余應力最小化的焊接順序，如對于套袖應在環(huán)向角焊縫之前完成縱向接縫，一端環(huán)向角焊縫應在另一端環(huán)向角焊縫之前完成。對此國內(nèi)外做法基本一致［9-10］。

表10　TransCanada關于最低焊道層數(shù)

2.13焊接前表面處理

對于管道焊接部位表面處理主要包括消除起鱗、磨損、鐵銹、渣垢、油脂等，對此國內(nèi)外管道企業(yè)做法及標準要求基本一致，均要求對表面進行處理至顯出金屬光澤。國內(nèi)管道企業(yè)對于表面處理寬度多采用“管口邊緣50mm”的做法，俄羅斯標準PД 153-112-014-97充分考慮壁厚因素要求“套袖10mm以內(nèi)、管道4倍壁厚”，操作性更強。建議國內(nèi)管道企業(yè)借鑒俄羅斯標準關于表面處理寬度的規(guī)定。

2.14焊接前管材確認

焊接工藝與管道管材有密切關系，因此焊接前必須確認管道管材信息。俄羅斯標準PД 153-112-014-97規(guī)定焊接前應確定管壁厚度及其材質(zhì)，尤其碳當量是重要信息。API 1104要求除了指明材料的名義屈服強度外，還應明確材料的碳當量［2］。SY/T 7033-2016要求“應使用超聲波測厚儀或其他合適儀器確定焊接位置管道壁厚，確認管材信息”［7］。En?bridge公司制定了碳當量測定標準。國內(nèi)外管道企業(yè)焊接前均會確定焊接管道管材信息，對此國內(nèi)尚缺乏明確標準規(guī)定。

2.15開孔及焊接位置

帶壓開孔及焊接會對原焊縫組織及應力狀態(tài)造成影響，因此應避開原焊縫進行操作［11］。CSA Z662要求開孔位置宜避免穿過焊縫［8］。API 2201-2003則明確規(guī)定在焊縫附近應避免進行開孔操作。SY/T 6554-2003采標自API 2201-2003沿用了該規(guī)定。對此國內(nèi)外做法基本一致。

3　結論及建議

對15個影響焊接質(zhì)量的關鍵技術點進行了國內(nèi)外標準及實踐做法對比分析，其中環(huán)境要求、套袖材質(zhì)、預熱方法、焊接連續(xù)性、焊后應力消除、焊道順序、開孔及焊接位置等方面國內(nèi)相關標準規(guī)定或企業(yè)實踐做法與國外一致或差異不大，壓力要求、介質(zhì)流速要求等方面國內(nèi)標準或企業(yè)實踐做法更嚴格，預熱溫度要求、焊條選型、焊條直徑、焊道層數(shù)、焊接前管材確認等國外標準及企業(yè)實踐做法更為完善。

［1］楊景順，谷風濤.油氣管道維搶修技術［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2013.

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［4］The American Society of Mechanical Engineers.Gas Trans?mission and Distribution Piping Systems：ASME B31.8［S］. New York：The American Society of Mechanical Engineers，2012.

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［7］石油工業(yè)油氣儲運專業(yè)標準化技術委員會.鋼制管道失效搶修技術規(guī)范：SY/T 7033-2016［S］.北京：石油工業(yè)出版社，2016.

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［9］石油工業(yè)建設專業(yè)標準化委員會.鋼質(zhì)管道焊接及驗收：SY/T 4103-2006［S］.北京：石油工業(yè)出版社，2006.

［10］American Petroleum Institute.Pipeline Maintenance Weld?ing Practices：API 1107［S］.Washington，D.C.：American Pe?troleum Institute，1991.

［11］石油工業(yè)安全專業(yè)標準化技術委員會.石油工業(yè)帶壓開孔作業(yè)安全規(guī)范：SY/T 6554-2003［S］.北京：石油工業(yè)出版社，2003.

The standards of China，ASME，API，CSA and Russian related to on-line pipeline welding are introduced.The standard re?quirements in the key factors influencing the welding quality of pipeline such as the used material，the pressure and the media flow ve?locity in welding are comparatively analyzed with enterprise practice，and the difference between the domestic standard and the overseas standards and something worth learning from the overseas standards is pointed out.Some improvement suggestions to the domestic stan?dard are put forward，which has certain reference significance for improving the technology level of the standard of our country.

on-line pipeline welding；standard；influence factor；comparative analysis

姚學軍（1985-），男，工程師，主要從事管道技術標準研究工作。

本文編輯：路萍2016-01-22