直縫埋弧焊管焊偏測量方法探討

羅華權(quán)，陳曉麗，曹 峰，宋 娟，楊力能

(1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；2.長慶油田分公司蘇里格氣田研究中心，西安710018)

直縫埋弧焊管焊偏測量方法探討

羅華權(quán)1，陳曉麗2，曹 峰1，宋 娟1，楊力能1

(1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；2.長慶油田分公司蘇里格氣田研究中心，西安710018)

分析了焊偏的定義，對直縫埋弧焊管焊偏量的測量方法及其優(yōu)缺點進行了比較，列舉了國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對焊偏量的相關(guān)要求，并進行分析。結(jié)果表明：API標(biāo)準(zhǔn)和石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對焊偏定義只是粗略的概括，其測量方法并不明確；焊趾中心線法、焊道弧頂點距離法、焊道中脊線法及X射線檢驗法各有優(yōu)缺點，但都難以準(zhǔn)確反映實際偏移量，建議采用焊道熔合區(qū)中心線法，此法較為唯一和準(zhǔn)確；在管道外徑較大的情況下，建議使用外焊道焊趾連線或壁厚中心連線為鋼管表面切線平行線，使得焊道熔合區(qū)中心線法更具可操作性和唯一性，建議GB/T 9711—2011中對焊偏量的測量方法采用焊道熔合區(qū)中心線法；國內(nèi)直縫埋弧焊管焊偏量的限定標(biāo)準(zhǔn)是在參考國外同類型標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定的，在重大工程的應(yīng)用中偏于嚴(yán)格。

直縫埋弧焊；焊管；焊偏量；測定方法

直縫埋弧焊管廣泛應(yīng)用于石油天然氣工業(yè)、壓力容器等行業(yè)，焊偏量是焊接工藝質(zhì)量的參數(shù)之一，焊偏量過大，直縫埋弧焊縫中可能引起層間未熔合和未焊透等缺陷。這些缺陷易造成焊接接頭強度降低，理化性能下降，引起管道失效。因此，直縫埋弧焊管的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，特別是國內(nèi)外重大高鋼級管線項目標(biāo)準(zhǔn)中，例如西氣東輸管道工程一線、二線、三線及中亞管線等，對焊偏量都有嚴(yán)格的限定。

1 焊偏的定義

根據(jù)美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API STD 5T1[1](缺欠術(shù)語標(biāo)準(zhǔn))第10版，焊偏(偏離焊縫，out-of-line weld beads or off seam)的定義為：焊縫的內(nèi)焊道和(或)外焊道與焊接側(cè)邊接合界在徑向偏離，引起未焊透。石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6445—2000[2](石油管材常見缺陷術(shù)語)對焊偏的定義表述為：內(nèi)焊道和(或)外焊道的中心線與焊接側(cè)邊接合界產(chǎn)生偏離(不對中)狀態(tài)，當(dāng)偏離足夠大時，可能引起未焊透。SY/T 6445—2000基本沿用API STD 5T1第10版的定義，增加了“中心線”的描述，但是此“中心線”并不明確。這兩種定義也并未給出測量示意圖或測量方法。

2 焊偏的測量方法及其優(yōu)缺點

目前，國內(nèi)外重大管道工程一般采用高鋼級、大壁厚鋼管，以降低管道建設(shè)成本，如西氣東輸二線采用X80級Φ1 219mm×22mm、Φ1 219mm×26.4mm、Φ1 219mm×33mm等規(guī)格鋼管，這樣可以提高管道輸送壓力，進而提高輸氣量，又可以減少鋼材用量，提高其安全性。隨著管道壁厚的增加，管道直縫埋弧焊接一般采用雙絲焊接法[3-7]、外焊道雙絲焊接和內(nèi)焊單絲焊接法，這樣的焊接方法對于不同的焊偏量測量方法出現(xiàn)了一些爭議。

焊偏量的實驗室測量方法主要采用金相檢驗法(酸蝕法)，通過在焊管上取樣，進行金相打磨、拋光，最后通過硝酸酒精酸蝕焊道部位，得到清晰的焊道圖像，在線檢驗一般采用X射線法。不同測量方法如圖1所示。

圖1 焊偏量的測量方法

(1)焊趾中心線法。焊縫試樣經(jīng)拋光、硝酸酒精酸蝕，在清晰顯示焊縫內(nèi)、外焊道后，找出內(nèi)外焊道焊趾連線的中心線，其中心線的距離即為焊偏量，如圖1(a)所示。焊趾中心線法操作簡單、方便，測量結(jié)果唯一。由于焊偏測量的意義在于保證內(nèi)、外焊道完全焊透和熔合。當(dāng)采用焊趾中心線法時，對于雙絲焊焊接的外焊道，可能存在外焊前絲焊縫熔深中心與內(nèi)焊縫中心偏移，造成未熔合和未焊透，而外焊后絲焊縫中心與內(nèi)焊縫中心不偏移。采用此方法時，焊偏量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但不能準(zhǔn)確反映內(nèi)外焊道熔合部位的實際偏移量，這樣就失去了對焊偏測量的意義。

(2)焊道弧頂點距離法。在焊縫試樣酸蝕后，用筆勾劃出其弧頂輪廓，找到頂點，測量內(nèi)外焊道弧頂點距離。此方法雖然能較為準(zhǔn)確地反映內(nèi)外焊縫熔合部位的偏移，保證焊縫金屬的熔合量，但主觀性較強，個人隨意性較大，外焊道弧形軌跡基本能根據(jù)焊道圖形繪出，但內(nèi)焊道弧頂無軌跡(被外焊道熔合)，無法準(zhǔn)確描繪弧頂軌跡和定點，全憑感覺和想象，是不準(zhǔn)確的。因此不同的人測量，其結(jié)果不一定相同，如圖1(b)所示。

(3)焊道中脊線法。焊縫試樣酸蝕后，根據(jù)焊道結(jié)晶中線測量焊偏(圖1(c))。但實際焊道中脊線并不一定成直線，也不一定平行，所以也難以測量焊偏量(圖1(d))。

(4)焊道熔合區(qū)中心線法。根據(jù)API SPEC 5L—2012[8](該法實際在 API SPEC 5L—2007-ADDENDUM已經(jīng)規(guī)定)規(guī)定，如圖1(e)所示，M1、M2分別為兩條橫穿熔敷焊道平行線AB、CD的中點，這兩條線平行于鋼管表面切線，并通過內(nèi)外焊道熔合線的交點。d為偏移距離，即分別通過點M1和點M2、且垂直于鋼管表面切線的兩條線之間的距離。該方法的基本點在于規(guī)范內(nèi)外焊道熔合部分的偏移量，焊道表面部位可以不予考慮偏移，以達到控制焊偏的目的，該方法測量結(jié)果較為準(zhǔn)確，消除了上述不同測量方法引起的爭議，目前使用較多。

但使用此方法測量焊偏時，根據(jù)API SPEC 5L—2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，通過點M1、M2的兩條平行線AB、CD要平行于鋼管表面切線。由于沒有明確什么位置的鋼管表面切線，怎么確定鋼管表面切線(此焊縫位置，鋼管表面為焊縫余高，其表面并不是規(guī)則的圓弧形，其切線難以確定)，因此在劃兩條平行線AB、CD時主觀性較大，具有一定的隨意性，如果AB、CD兩條平行線的位置發(fā)生變化，可能導(dǎo)致M1、M2點的位置變化，進而影響焊偏量d值的大小。因此，筆者認(rèn)為這里應(yīng)該明確是什么位置的鋼管表面切線，使用怎樣的方法來確定。

在實際操作過程中，當(dāng)管道外徑較大時，外焊道焊趾連線基本和鋼管外表面切線(此切線為沒有余高時的鋼管外表面圓弧最高點的切線)重合。所以筆者認(rèn)為，在管道外徑較大時，可以考慮把外焊道焊趾連線作為通過鋼管外表面切線的平行線，而AB、CD線以此為基準(zhǔn)進行繪制，從而減少主觀性和隨意性，使得測量結(jié)果更加唯一。另外，當(dāng)不存在錯邊或者錯邊較小時，還可采用焊縫試樣兩邊壁厚中心線連線作為鋼管外表面切線的平行線，進而定出AB、CD兩條平行線的位置，確定焊偏量。

以焊趾中心線法確定焊偏量如圖2所示。針對組合焊(COW)偏移量，因為組合焊的焊縫在焊接過程中，第一道焊縫是連續(xù)的，且采用熔化極氣體保護電弧焊焊接，然后進行埋弧焊，在鋼管的內(nèi)、外表面至少各有一道焊縫，而熔化極氣體保護電弧焊焊道未完全被埋弧焊焊道熔化。顯然，內(nèi)外表面焊道沒有直接熔合，而是內(nèi)、外焊道分別和熔化極氣體保護電弧焊焊道熔合，所以不便用SAW鋼管焊道熔合區(qū)中心線法測量焊偏量，而是采用內(nèi)外焊道焊趾中心線法來確定(如圖2(a)所示)。

GB/T 9711—2011[9]標(biāo)準(zhǔn)中埋弧焊(SAW)焊偏測量方法與API SPEC 5L—2007版中相同，只給出了如圖2(b)所示的示意圖，由于實際內(nèi)外焊道的形貌并不是完全左右對稱的，焊趾中心線法的不足在文中已經(jīng)論述，因而測量結(jié)果可能存在偏差和爭議。

圖2 以焊趾中心線法確定焊偏量示意圖

(5)X射線檢驗法。對于焊縫焊偏的在線檢測，有的采用X光工業(yè)電視顯像法，依據(jù)焊縫加強高度在屏幕顯示出的焊縫灰度來判斷內(nèi)外焊縫的偏移量，其原理基本是以焊趾中心線為依據(jù)，具體方法參考文獻[10]。此法雖然簡單、便捷，但難以充分保證直縫埋弧焊管焊偏量是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，只是一種粗略的估算，可以作為一種輔助檢測方法。

3 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對焊偏量的規(guī)定

焊偏量是焊縫工藝質(zhì)量是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求的一個重要參數(shù)，目前國內(nèi)外許多焊接鋼管標(biāo)準(zhǔn)，特別是國內(nèi)管道建設(shè)重大工程技術(shù)條件中，對其有明確的限定。筆者對焊縫焊偏量和測量方法進行了比較，主要涉及以下10個標(biāo)準(zhǔn)：①API SPEC 5L—2012《管線鋼管規(guī)范》；②GB/T 9711—2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》；③Q/SY XQ 15—2003《西氣東輸管道工程直縫埋弧焊管技術(shù)條件》；④Q/SY GJX 0104—2007《西氣東輸二線管道工程用直縫埋弧焊管技術(shù)條件》；⑤Q/SY GJX 117—2012《西氣東輸三線0.8設(shè)計系數(shù)管道用X80螺旋埋弧焊管技術(shù)條件》；⑥SY/T 5037—2012《普通流體輸送管道用埋弧焊鋼管》；⑦《GB/T 28413—2012鍋爐和熱交換器用焊接鋼管》；⑧CSA Z245.1-07《加拿大國家標(biāo)準(zhǔn)-管線鋼管標(biāo)準(zhǔn)》；⑨ISO 3183—2012《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》；⑩Q/SY ZG 16—2011《中亞管線X80直縫埋弧焊鋼管技術(shù)條件》，不同標(biāo)準(zhǔn)對焊偏的具體要求見表1。

表1 不同焊管標(biāo)準(zhǔn)對焊偏的要求

目前，包括API SPEC 5L—2012、ISO3183—2012、Q/SY ZG 16—2011、Q/SY GJX 117—2012等國際管線管標(biāo)準(zhǔn)和重大管道工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，都采用了焊道熔合區(qū)中心線法測量焊偏量，且對焊偏量都有明確的規(guī)定，個別標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。例如：加拿大國家管線鋼管標(biāo)準(zhǔn)CSA Z245.1-07，對于焊偏量的規(guī)定較API SPEC 5L—2012更為嚴(yán)格。西氣東輸管道工程一線、二線、三線和中緬管線等重大管道工程技術(shù)要求基本都規(guī)定內(nèi)外焊道焊偏量不超過3mm，對于壁厚大于20mm(0.8 in)的鋼管，稍嚴(yán)于API SPEC 5L—2012。而GB/T 9711—2011仍然采用焊趾中心線法，建議采用焊道熔合區(qū)中心線法，避免帶來爭議。對于普通流體輸送用直縫埋弧焊管，對焊偏量沒有具體規(guī)定和要求，但要求無損檢測，且焊縫完全焊透和熔合。

4 結(jié) 論

(1)API標(biāo)準(zhǔn)和石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對焊偏定義只是粗略的概括，其測量方法并不明確。測量焊偏量的焊趾中心線法、焊道弧頂點距離法、焊道中脊線法及X射線檢驗法各有優(yōu)缺點，但都難以準(zhǔn)確反映實際偏移量，建議采用焊道熔合區(qū)中心線法，此法較為唯一和準(zhǔn)確。

(2)在管道外徑較大的情況下，建議使用外焊道焊趾連線或壁厚中心連線為鋼管表面切線平行線，使得焊道熔合區(qū)中心線法更具可操作性和唯一性，建議GB/T 9711—2011對埋弧焊管焊偏量的測量方法采用焊道熔合區(qū)中心線法。

(3)國內(nèi)直縫埋弧焊管的焊偏量限定標(biāo)準(zhǔn)是在參考國外同類型標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定的，在重大工程的應(yīng)用中偏于保守。

[1]API STD 5T1(第 10版)，Standard on Imperfection Terminology Tenth Edition[S].

[2]SY/T 6445—2000，石油管材常見缺陷術(shù)語[S].

[3]韓彬，鄒增大，曲仕堯，等.雙(多)絲埋弧焊方法及應(yīng)用[J].焊管，2003，26(4)：41-44.

[4]李桓，張寶紅，孫國夫，等.熱絲填充埋弧焊原理及應(yīng)用[J].焊接學(xué)報，1998(1)：27-30.

[5]陳文靜，屈金山，鐘玉，等.雙絲埋弧焊工藝及焊接接頭性能研究[J].焊接技術(shù)，2008(1)：4-7.

[6]付魁軍，及玉梅，翟曉莉.雙絲埋弧焊工藝參數(shù)對接頭組織與性能的影響[J].焊接，2004(7)：25-28.

[7]蔡立民.MZS-1250型雙弧雙絲埋弧焊設(shè)備及工藝[J].電焊機，2006(4)：38-40.

[8]API SPEC 5L—2012，管線鋼管規(guī)范[S].

[9]GB/T 9711—2011，石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管[S].

[10]史經(jīng)建.螺旋埋弧焊管的焊偏及定量分析[J].焊管，2003，26(6)：43-47.

Determining Method of Weld Misalignment of Longitudinal Submerged Arc Welding Steel Pipe

LUO Huaquan1，CHEN Xiaoli2，CAO Feng1，SONG Juan1，YANG LiNeng1
(1.CNPC Tubular Goods Research Institute，Xi’an 710077,China；2.Changqing Sulige Gas Field Research Center，Xi’an 710018,China)

The definition of welding misalignment was analyzed,the advantages and disadvantages of determining method of longitudinal submerged arc welding steel pipe weld misalignment were compared.The relevant requirements for welding misalignment in the relevant standards at home and abroad were listed and analyzed.The results showed that the definition of welding misalignment in API standard and the oil industry standard is a rough summary and the method of measurement is not clear.It has the advantages and disadvantages of the determining method of weld misalignment by using the weld toe center line method,the weld arc vertex distance method,the ridge line bead method and the X-ray test method,and they are difficult to accurately reflect the actual offset.It is recommended that using the weld fusion zone center line method to determine weld misalignment because it is more unique and accurate.In the case of larger diameter of pipe,the outside weld toe line or the center line of the wall thickness is recommended to be the parallel line of the steel pipe tangent line,and it would be more operability and uniqueness for the weld fusion zone center line method.The weld fusion zone center line method is recommended to determine weld misalignment for GB/T 9711—2011.The limited standard of welding misalignment in our nation is formulated on the basis of foreign standards of the same type and it is stricter in abroad in the application of major engineering projects.

longitudinal submerged arc welding；welded pipe；weld misalignment；determining method

TG445

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.08.015

羅華權(quán)(1983—)，男，工程師，碩士，長期從事石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗及研究工作。

2016-04-15

黃蔚莉