高壓管道焊接質(zhì)量的控制措施

董方勇

（中國(guó)海洋石油工程質(zhì)量監(jiān)督渤海中心站，天津300450）

惠州煉化二期工程400萬(wàn)t/a渣油加氫裝置屬甲類生產(chǎn)裝置，是煉化板塊高壓管道最為密集的部分，主要危險(xiǎn)介質(zhì)為甲類可燃?xì)怏w和甲B類可燃液體。工程結(jié)構(gòu)布置緊湊，施工場(chǎng)地狹窄，管線縱橫交錯(cuò)；管材規(guī)格多，牌號(hào)多，管壁厚，高壓管道總長(zhǎng)度約8 500 m，管道最小外徑為26.7 mm，最大外徑為610 mm，管材牌號(hào)主要包括ASTM B423 NO8825、ASTM A312 TP347、ASTM A335 P11、ASTM A106 Gr.B和ASTM A106 Gr.B ANTI-H2S等，試驗(yàn)壓力最低19.5 MPa，最高46.8 MPa。

本研究結(jié)合渣油加氫裝置高壓管道焊接現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和各階段安裝焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)采取方法的有效性進(jìn)行深入研究和分析，認(rèn)為要提高高壓管道的焊接質(zhì)量，必須做好5個(gè)方面的控制工作，分別是焊接工藝的正確選擇、焊工的分級(jí)管理、焊接材料的科學(xué)控制、焊接過(guò)程的控制及自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用。

1 焊接工藝的選擇

準(zhǔn)確適用的焊接工藝是確保高壓管道焊接質(zhì)量的前提條件，工程前期技術(shù)準(zhǔn)備階段，需根據(jù)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和技術(shù)要求，對(duì)工程項(xiàng)目中高壓管道類型進(jìn)行一次綜合評(píng)估，確定需要進(jìn)行焊接工藝評(píng)定的類型，編制焊接工藝文件。

1.1 焊接工藝特點(diǎn)分析

該工程高壓管道的特點(diǎn)是管線中有大量需要焊前預(yù)熱和焊后熱處理的碳鋼、抗氫鋼、鉻鉬鋼和不銹鋼，管材壁厚較大，試驗(yàn)壓力高，且設(shè)計(jì)空間布置緊湊，施工場(chǎng)地狹窄，管線縱橫交錯(cuò)，無(wú)損檢測(cè)要求高。因此，管道安裝焊接難度很大，對(duì)焊工的技術(shù)操作水平要求很高，很容易產(chǎn)生焊接缺陷，出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。

管道焊接大致分兩種，預(yù)制焊接和現(xiàn)場(chǎng)焊接。預(yù)制焊接是提高管道焊接質(zhì)量最有效的措施之一，關(guān)鍵在于該方式能有效降低管道焊接難度，從而大大提高焊接質(zhì)量。

本裝置預(yù)制焊接部分主要采用4種工藝：

（1） 公稱直徑DN≤50 mm， 采用GTAW （鎢極惰性氣體保護(hù)焊）;

（2） 50 mm＜DN≤500 mm， 方法一為 GTAW打底，SMAW（手工電弧焊）填充和蓋面；方法二為GMAW（熔化極氣體保護(hù)焊）打底，F(xiàn)CAW（藥芯焊絲電弧焊）填充和蓋面；

（3）DN＞500 mm，采用SMAW，但焊縫背面需清根處理；

（4） DN≥300 mm， 厚度T≥20 mm， 具備使用自動(dòng)焊的管道焊接采用GTAW打底、填充和蓋面。

現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接主要采用兩種工藝：

（1） DN≤50 mm，采用 GTAW;

（2） DN＞50 mm， 采用 GTAW 打底， SMAW填充和蓋面。

1.2 焊接工藝評(píng)定

焊接工藝評(píng)定所用試件的制備，焊前預(yù)熱，焊接過(guò)程中的電流、電壓及焊接速度的選擇，焊后熱處理等過(guò)程應(yīng)盡可能地模擬現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接的條件進(jìn)行，以保證評(píng)定合格的工藝參數(shù)能最大程度地與現(xiàn)場(chǎng)施焊條件相符，避免評(píng)定合格后的焊接工藝在現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)適用范圍小，甚至根本不能適用。

焊接實(shí)驗(yàn)室的焊接條件一般比現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接的環(huán)境和預(yù)制的焊接環(huán)境優(yōu)越得多，且工藝評(píng)定往往只注重成功率，而對(duì)焊接效率沒(méi)有要求，在評(píng)定焊接過(guò)程中焊工往往把焊接電流、電壓控制的較小，而焊接速度不變，會(huì)造成評(píng)定合格的焊接工藝最大熱輸入線能量Q非常低，現(xiàn)場(chǎng)焊接很容易超出最大線能量，從而造成焊接質(zhì)量無(wú)法保證。

1.2.1 焊接方案選擇

如1.1所述，該工程根據(jù)管徑的大小預(yù)制焊接口設(shè)定了3種焊接方案，現(xiàn)場(chǎng)焊接口設(shè)定了2種焊接方案。對(duì)焊接質(zhì)量的影響具體分析如下：

（1）DN≤50 mm的高壓管道采用GTAW 焊接，原因是GTAW焊接方法具有加熱集中、焊件變形小、電弧穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，較之其他焊接方法能最大程度確保小直徑管焊接的質(zhì)量；

（2）50 mm＜DN≤500 mm的高壓管道壁厚較大時(shí)，方法一（GTAW+SMAW）和方法二（GMAW+FCAW）兩種方案的任一選擇既可確保焊縫質(zhì)量也可確保焊接效率，而全GTAW焊接方案，質(zhì)量肯定要稍優(yōu)于組合焊接方案，但焊接效率太低；

（3）DN＞500 mm的高壓管道焊接只有在管道預(yù)制時(shí)才能采用全SMAW的焊接方案，主要原因是SMAW焊接方法無(wú)法確保單面焊雙面成形焊縫的質(zhì)量，需要進(jìn)行焊縫背面清根處理，現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接的管道，其內(nèi)部無(wú)法進(jìn)行背面清根處理，從而會(huì)造成焊縫質(zhì)量不合格。

1.2.2 焊接材料的選擇

焊接材料必須具有質(zhì)量合格證明書，其熔敷金屬化學(xué)成分、力學(xué)性能應(yīng)符合NB/47018—2011《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)要求》的規(guī)定和設(shè)計(jì)文件要求。不同的管道材質(zhì)牌號(hào)需選用不同牌號(hào)和規(guī)格的焊材，才能最大程度地保證焊接質(zhì)量，本工程高壓管線焊接材料選用信息見表1。

1.2.3 坡口形式的選擇

管道焊接坡口的形式復(fù)雜多樣，根據(jù)管道壁厚可以分為I形坡口、V形坡口、U形坡口及雙V形組合坡口等多種形式。GB 50236—2011《現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工規(guī)范》附錄C.0.1規(guī)定，管道的坡口接頭形式就達(dá)14種之多，因此選擇正確的坡口形式和坡口尺寸也是焊接工藝中的一項(xiàng)重要因素，影響著焊縫焊接質(zhì)量的高低。坡口形式不同，坡口尺寸不同，則選用的焊接工藝參數(shù)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以本裝置最大厚度為45.24 mm的高壓管道為例，坡口形式選擇見表2。

表1 焊接材料選用表

表2 管道坡口形式選用表

2 焊工的分級(jí)管理

焊縫質(zhì)量能否通過(guò)無(wú)損檢測(cè)，能否避免氣孔、夾雜、未熔合、咬邊、裂紋等質(zhì)量缺陷，很大程度上取決于焊工技術(shù)水平的高低。筆者拋開焊工“無(wú)證”上崗和資質(zhì)證書“超項(xiàng)”和“超期”等問(wèn)題不做討論，以焊工的職業(yè)態(tài)度、工作業(yè)績(jī)、技術(shù)能力及年齡這四要素作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊工進(jìn)行Ⅲ級(jí)分級(jí)管理，每一個(gè)月作為一個(gè)考核周期，優(yōu)勝劣汰，評(píng)定級(jí)別高者每月予以相應(yīng)績(jī)效獎(jiǎng)勵(lì)。通過(guò)嚴(yán)格考核選拔出高水平焊工人才，焊接工程師根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)焊接難度，針對(duì)性地委派任務(wù)，取得了非常理想的焊接質(zhì)量效果。

3 焊接材料的科學(xué)控制

焊接材料的牌號(hào)及規(guī)格類型在焊接工藝部分已經(jīng)一一確定，但焊接過(guò)程中對(duì)焊材進(jìn)行科學(xué)有效的控制管理也非常必要，若管理不善往往會(huì)發(fā)生焊材生銹、烘干不達(dá)標(biāo)、用錯(cuò)焊材、回收不及時(shí)以及浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題。

（1）人員管理。焊材烘干管理員必須具備初中以上文化水平，并由焊接工程師進(jìn)行專門的培訓(xùn)，考試合格后方能上崗工作。禁止焊工和其他工種人員臨時(shí)代理焊材烘干管理員一職。

（2）分級(jí)庫(kù)存。整個(gè)工程項(xiàng)目設(shè)立一個(gè)焊材一級(jí)庫(kù)和多個(gè)焊材二級(jí)庫(kù)，存放標(biāo)準(zhǔn)均要符合JB/T 3223—1996《焊接材料質(zhì)量管理規(guī)程》要求，認(rèn)真做好兩級(jí)庫(kù)存焊材入庫(kù)/出庫(kù)記錄臺(tái)賬。

（3）重視焊材的烘干工作。焊材烘干技術(shù)要求文件要張貼在烘干房?jī)?nèi)，以便烘干員參考執(zhí)行，嚴(yán)格按技術(shù)參數(shù)進(jìn)行烘干和保溫。

（4）重視發(fā)放和回收工作。按照“先進(jìn)先出”的原則發(fā)放焊材，憑單領(lǐng)料，及時(shí)記錄，回收閉合，未回收者暫停領(lǐng)料資格。

（5）加強(qiáng)自查工作。每月由焊接工程師組織一次焊材管理的自我檢查工作，就上述（1）～（4）條的內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)督檢查，重點(diǎn)查庫(kù)存量、查庫(kù)房和烘干條件、查入庫(kù)/出庫(kù)記錄、查發(fā)放和回收記錄，確保焊材的使用均在科學(xué)的管理范圍內(nèi)。

4 焊接過(guò)程的控制

焊接過(guò)程質(zhì)量控制主要分為3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，分別是焊前檢查、焊接期間的控制及焊接完成后的檢查。

4.1 焊前檢查

焊接之前的檢查項(xiàng)包括焊接工藝卡是否有效和適用、焊工資格是否相符、焊材牌號(hào)和干燥度是否滿足、焊接設(shè)備是否完整合格、坡口組對(duì)尺寸是否正確以及是否采取了有效的環(huán)保措施。

4.1.1 程序文件

指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)焊接施工的焊接工藝規(guī)程必須是有效執(zhí)行版，施工過(guò)程中曾出現(xiàn)不同班組所用焊接工藝規(guī)程版本不同的問(wèn)題，造成現(xiàn)場(chǎng)焊工焊接時(shí)參數(shù)超標(biāo)，焊接質(zhì)量無(wú)法保證。

“海綿城市”運(yùn)用于城市道路建設(shè)是可行的、經(jīng)濟(jì)的，可以為實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)化和環(huán)境資源協(xié)調(diào)發(fā)展提供有力保證。建設(shè)具有自然積存、滲透、凈化功能的海綿城市是社會(huì)生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分，也是我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展方向。

解決方法：加強(qiáng)文件管理，新版文件發(fā)表后必須加蓋紅色印章，同時(shí)舊版文件必須及時(shí)作廢，并建立文件發(fā)放臺(tái)賬，班組長(zhǎng)專人負(fù)責(zé)，憑回收的舊版文件領(lǐng)取新版文件，從而在根本上解決錯(cuò)用程序文件導(dǎo)致的質(zhì)量問(wèn)題重復(fù)發(fā)生。

4.1.2 焊工資格

焊工資格的檢查主要包括證書是否在有效期，資格項(xiàng)目是否滿足所焊管道直徑和壁厚要求?？刂乒芾淼闹攸c(diǎn)在于項(xiàng)目必須有一位非常專業(yè)的焊接工程師，焊接工程師對(duì)焊工管理負(fù)主要責(zé)任，工作前應(yīng)將具備高壓管道焊接資格的焊工形成文件清單，供班組使用，并對(duì)班組長(zhǎng)進(jìn)行專門的技術(shù)交底，從而有效避免焊工資格超項(xiàng)質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生。同時(shí)，針對(duì)高壓管道焊接難度大的特點(diǎn)，專門在正式焊接前對(duì)清單內(nèi)的焊工進(jìn)行兩天模擬焊接練習(xí)。

4.2 焊接過(guò)程的控制

4.2.1 溫度控制

預(yù)熱溫度、層間溫度的監(jiān)測(cè)控制一定要處在工藝文件要求的范圍內(nèi)，本裝置15CrMo鋼的預(yù)熱溫度應(yīng)≥180℃，層間溫度不宜＞300℃，碳鋼管道層間溫度不宜＞250℃，鎳基管道和不銹鋼管道不需要預(yù)熱，但層間溫度必須嚴(yán)格控制在150℃以內(nèi)。

直徑較小的管道焊前預(yù)熱采用碘鎢燈加熱的方式進(jìn)行預(yù)熱升溫即可滿足要求，直徑較大的管道必須采用電加熱的方式進(jìn)行預(yù)熱。溫度控制常見問(wèn)題在于層間溫度的控制，進(jìn)行下一層焊縫焊接時(shí)，焊前必須進(jìn)行一次3點(diǎn)溫度測(cè)量，確認(rèn)符合工藝要求后再開始焊接。

需要焊后熱處理的鉻鉬鋼、合金鋼管材焊縫，焊接完成后需立即進(jìn)行30 min焊后熱處理，熱處理溫度控制在300～350℃，空冷。

4.2.2 線能量控制

焊接電流、電壓和焊接速度的設(shè)定一定要控制在工藝文件允許的范圍內(nèi)，嚴(yán)禁焊接熱輸入超出允許的最大線能量值。

線能量的控制，由焊工焊前根據(jù)工藝文件設(shè)定好焊機(jī)的焊接參數(shù)，并安排專人在焊接過(guò)程中觀察電壓值和電流值是否在工藝文件要求范圍內(nèi)，同時(shí)計(jì)算出焊接速度值，均符合焊接工藝文件要求方合格。

DN=500 mm的管道，第一道焊口焊縫厚度達(dá)到6 mm時(shí)，增加了一次根部RT檢測(cè)，結(jié)果顯示焊縫背面有焊渣，經(jīng)調(diào)查研究，原因是焊接電流、電壓選擇過(guò)大而速度過(guò)低造成線能量最大化，造成背面出現(xiàn)焊渣，后經(jīng)參數(shù)調(diào)整，問(wèn)題得以良好解決。

4.2.3 背面氣體保護(hù)

4.2.4 層間接頭

多層焊縫應(yīng)加強(qiáng)層間質(zhì)量檢查，上層檢查合格后方可焊接下一層，直至蓋面焊接完成。且多層焊接的層間接頭不應(yīng)集中，需逐個(gè)錯(cuò)開，接頭集中既不美觀，還容易造成應(yīng)力集中和接頭處的缺陷累積，如弧坑、裂紋等缺陷。因此，為避免質(zhì)量問(wèn)題的出現(xiàn)，要求層間接頭錯(cuò)開至少100 mm。

4.3 焊后檢查

焊接結(jié)束后的檢查包括外觀檢查、無(wú)損檢測(cè)和熱處理后檢驗(yàn)。外觀檢查又包括焊工的自檢、互檢和QC質(zhì)檢員專檢。無(wú)損檢測(cè)方式包括MT（磁粉檢測(cè)）、 PT（滲透檢測(cè)）、 RT（射線檢測(cè)）、UT（超聲波檢測(cè)）。

（1）外觀檢測(cè)。外觀檢測(cè)中的自檢工作，焊工需在蓋面完成后立即進(jìn)行。

（2）無(wú)損檢測(cè)。需焊后熱處理的焊縫無(wú)損檢測(cè)必須在完成焊接熱處理之后進(jìn)行。由于本研究的管道壁厚較大，為確保焊縫質(zhì)量的一次合格率，減少返修工作難度，特增加一次根部打底焊縫RT檢測(cè)，要求檢測(cè)厚度為6 mm。

（3）熱處理后檢驗(yàn)。熱處理后的焊口應(yīng)進(jìn)行100%RT檢測(cè)，其中鉻鉬鋼材質(zhì)還應(yīng)增加10%UT抽檢和100%MT（PT）檢測(cè)，確認(rèn)無(wú)裂紋等缺陷為合格。并且熱處理后需先對(duì)熱處理自動(dòng)記錄曲線進(jìn)行檢查審核，確認(rèn)符合要求后方能進(jìn)行硬度抽檢。

5 自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用

本研究采用的自動(dòng)焊焊接技術(shù)為全GTAW焊接方法，即打底、填充、蓋面均采用GTAW焊接方法，適用范圍為直徑≥300 mm、厚度≥20 mm的高壓管道，且主要應(yīng)用在車間預(yù)制焊口上。

5.1 全GTAW自動(dòng)焊優(yōu)點(diǎn)

（1）焊縫成形美觀、光滑，焊縫結(jié)晶組織均勻，熱影響區(qū)小，焊接質(zhì)量高。

（2）焊接速度快，無(wú)損檢測(cè)合格率高，自動(dòng)焊焊縫質(zhì)量一次合格率達(dá)到了100%。

（3）有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)減少人為因素（焊工技術(shù)和體能）對(duì)焊縫質(zhì)量的影響，大大降低了缺陷產(chǎn)生的幾率。

5.2 全GTAW自動(dòng)焊缺點(diǎn)

（1）自動(dòng)焊機(jī)安裝對(duì)環(huán)境條件、焊縫周圍空間及直管段要求較高（徑向空間最小380 mm，軸向空間240 mm），管道壁厚變化頻繁，彎頭、彎管較多時(shí)不宜使用自動(dòng)焊。

（2） 不宜用于小管徑（DN＜300 mm）、 小壁厚（T＜20 mm）的管道，因?yàn)楹笝C(jī)安裝時(shí)間、焊接時(shí)間和拆卸時(shí)間較長(zhǎng)，自動(dòng)焊接效率無(wú)法體現(xiàn)。

（3）現(xiàn)場(chǎng)施工條件較差，自動(dòng)焊機(jī)運(yùn)輸、安裝及拆卸困難，現(xiàn)場(chǎng)焊接適用性低，大多只能用于預(yù)制口焊接。

6 結(jié)束語(yǔ)

在石化工程建設(shè)中，高壓管道被認(rèn)為是裝置的大動(dòng)脈，關(guān)系著整個(gè)裝置的壽命周期，而焊接又是貫穿于高壓管道施工過(guò)程的一項(xiàng)極為重要的工作。無(wú)論是在技術(shù)管理還是施工成本管理方面，如何在采用先進(jìn)技術(shù)工藝的同時(shí)，又確保焊接質(zhì)量，減少返修，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，從而提高企業(yè)核心技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力，是從事工程建設(shè)的焊接工程管理人員必須加以考慮的一項(xiàng)重要工作。

[1]富美財(cái).提高高壓管道焊接質(zhì)量的若干思考[J].現(xiàn)代制造,2012（30）:168-169.

[2]GB50236—2011，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工規(guī)范[S].

[3]姜兵.如何提高工程建設(shè)施工中的焊接質(zhì)量管理[C]//全國(guó)焊接工程創(chuàng)優(yōu)活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)論文集,2011.

[4]NB/T47018—2011,承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件[S].

[5]JB/T 3223—1996,焊接材料質(zhì)量管理規(guī)程[S].

[6]張延維.論高壓管道焊接與質(zhì)量控制[J].化工管理,2014（29）:216.

[7]趙熔.壓力管道焊接質(zhì)量控制探討[J].民營(yíng)科技，2012（12）:49.

[8]NB/T 47014—2011，承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定[S].

[9]田金栓.壓力管道施工焊接質(zhì)量控制[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2008（3）： 45-46.

[10]王晉生,鄭春剛，陳麗中.管道建設(shè)與焊接質(zhì)量控制[J].管道技術(shù)與設(shè)備， 2004（2）：31-32.