鋼管焊接質(zhì)量控制與射線檢測技術(shù)研究

周 璟

(山西省黃河萬家寨水務(wù)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030012)

目前，鋼管焊接已成為水利工程中廣泛應(yīng)用的管道安裝方式之一，焊接質(zhì)量事關(guān)工程長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須高度重視。鋼管焊接質(zhì)量控制應(yīng)在做好事前控制的基礎(chǔ)上，做好事中、事后控制，尤其是要做好焊縫射線檢測工作。為規(guī)范鋼管焊接質(zhì)量控制各項(xiàng)行為，提高焊縫射線檢測工作質(zhì)量，下面結(jié)合某引水項(xiàng)目泵站管網(wǎng)改造工程的具體工程實(shí)例，對(duì)鋼筋焊接質(zhì)量控制和射線檢測技術(shù)進(jìn)行研究和探討。

1 工程實(shí)例簡介

某引水項(xiàng)目泵站在廠區(qū)內(nèi)設(shè)置深水井，通過潛水泵將井水抽送至廠區(qū)內(nèi)海拔較高處的有效容積不小于324m3的消防水池和有效容積不小于300m3的軸封用清水池，從而形成常高壓自流供水系統(tǒng)，供給泵站的主軸密封用水和消防供水。深水井與水池間及水池與泵站技術(shù)及消防系統(tǒng)間設(shè)置了供水管網(wǎng)。該管網(wǎng)系統(tǒng)于2003年投運(yùn)，歷經(jīng)10多年的運(yùn)行出現(xiàn)不同程度的損壞、老化等現(xiàn)象，存在不少安全隱患。為滿足未來安全運(yùn)行需要，2015年對(duì)供水管網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)改造。升級(jí)改造中將室外供水管線由原焊接鋼管更換為不銹鋼管，直埋管道的基礎(chǔ)為二八灰土或砂墊層，直埋管道在轉(zhuǎn)角處和坡度改變處均做鎮(zhèn)墩。采用的鋼管為304不銹鋼無縫鋼管，材質(zhì)為0Cr18Ni9，其中清水系統(tǒng)管主要類型為Φ89×5mm，消防系統(tǒng)管主要類型為Φ114×5mm。管道總長度40多km，管道安裝均采用對(duì)口焊接方式進(jìn)行，焊口多達(dá)6000多道。管道焊縫為一級(jí)焊縫，質(zhì)量等級(jí)二級(jí)以上為合格。

2 鋼管焊接質(zhì)量控制

2.1 質(zhì)量控制概述

工程質(zhì)量控制活動(dòng)是指通過有效的質(zhì)量控制工作和具體的質(zhì)量控制措施，在滿足投資和進(jìn)度要求的前提下，實(shí)現(xiàn)工程預(yù)定的質(zhì)量目標(biāo)。工程質(zhì)量控制包括主動(dòng)控制和被動(dòng)控制。主動(dòng)控制是在具體施工活動(dòng)開始前擬訂和采取有針對(duì)性的預(yù)防措施，從而減少乃至避免目標(biāo)偏離，它是事前控制、前饋控制和開環(huán)控制，在質(zhì)量控制中起防患于未然的作用。被動(dòng)控制是在具體施工活動(dòng)的實(shí)際實(shí)施中發(fā)現(xiàn)偏差，通過對(duì)產(chǎn)生偏差原因的分析，制定糾偏措施，以使偏差得以糾正，它是事中控制和事后控制，也是反饋控制和閉環(huán)控制。工程質(zhì)量控制應(yīng)建立施工單位保證、監(jiān)理單位控制、項(xiàng)目法人負(fù)責(zé)的質(zhì)量管理體系，從“人機(jī)料法環(huán)”等5個(gè)方面開展各項(xiàng)質(zhì)量控制活動(dòng)。

2.2 質(zhì)量控制要點(diǎn)

2.2.1 事前控制

事前控制的工作內(nèi)容有：施工方案制定和審查、焊工資質(zhì)和能力核查、焊接設(shè)備核查、施工材料檢查等。首先，施工單位制定焊接專項(xiàng)施工方案和作業(yè)指導(dǎo)書，監(jiān)理單位進(jìn)行詳細(xì)審查批復(fù)。其次監(jiān)理單位對(duì)焊工資質(zhì)條件進(jìn)行核實(shí)，看其是否持有國家或行業(yè)頒發(fā)尚在有效期內(nèi)的焊工合格證書，且證書所列焊接類別與工程項(xiàng)目要求相對(duì)應(yīng)，核查焊接設(shè)備是否符合技術(shù)規(guī)范要求。業(yè)主聘請(qǐng)行業(yè)專家對(duì)進(jìn)場焊工進(jìn)行了試焊能力測試，通過測試的才允許進(jìn)行實(shí)際焊接工作。監(jiān)理單位對(duì)不銹鋼管和焊接材料進(jìn)行核查，管材核查內(nèi)容包括材質(zhì)證明書是否齊備，管材標(biāo)識(shí)如：爐號(hào)、批號(hào)、規(guī)格等和材質(zhì)證明書是否對(duì)應(yīng)，管材入庫檢驗(yàn)記錄是否完整，對(duì)鋼管的幾何尺寸的檢驗(yàn)未達(dá)到要求的處置方式記錄，并有明顯標(biāo)識(shí)；焊接材料的資料核查內(nèi)容包括焊接材料的規(guī)格要齊全，有出廠合格證和爐批號(hào)，入庫和出庫手續(xù)齊全，有抽樣復(fù)驗(yàn)記錄等。

2.2.2 事中控制

在焊接過程中應(yīng)執(zhí)行專業(yè)施工方案，保證合格的焊接環(huán)境，嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行施工。管材入溝槽時(shí)應(yīng)不用鋼絲繩直接捆扎，避免把管表面劃痕，安放在管架上穩(wěn)固，使用非金屬墊片進(jìn)行墊隔。焊接采用氬弧焊和手工電弧焊，焊件組對(duì)前將坡口及其內(nèi)外側(cè)表面不小于10mm范圍內(nèi)的油、漆、垢、銹、毛刺及鍍鋅層等清除干凈，無裂紋、夾層等缺陷。清除時(shí)用不銹鋼刷子和丙酮刷洗干凈。在采用熱加工方法加工坡口后，除去坡口表面的氧化皮、熔渣，并將凹凸不平處打磨平整。坡口加工采用電動(dòng)坡口機(jī)加工或車床車制。不銹鋼焊件坡口兩側(cè)各100mm范圍內(nèi)，在施焊前采取了防止焊接飛濺物沾污焊件表面的措施。焊條、焊劑在使用前按規(guī)定進(jìn)行了烘干，并在使用過程中保持干燥。焊絲使用前清除了其表面的油污、銹蝕等。焊完的焊縫進(jìn)行了本能洗、鈍化。

施工單位的焊接檢驗(yàn)員應(yīng)對(duì)焊縫外觀質(zhì)量進(jìn)行檢查，檢查焊口的成型狀態(tài)、表面顏色是否存在咬邊、錯(cuò)邊、凹坑、飛濺等缺欠情況，并做好各項(xiàng)工序檢驗(yàn)記錄，包括焊口的位置和焊工號(hào)的記錄、焊縫坡口和對(duì)口間隙的檢驗(yàn)記錄，焊縫幾何尺寸的檢驗(yàn)記錄，焊縫外觀質(zhì)量的檢驗(yàn)記錄。監(jiān)理單位的旁站監(jiān)理應(yīng)對(duì)重點(diǎn)工序進(jìn)行檢查和抽查，包括鋼管對(duì)口的檢查，坡口有無污跡、豁口、電弧灼傷、水跡，管口的圓度、直徑的偏差、對(duì)口間隙、錯(cuò)口量等。

2.2.3 事后控制

鋼管焊接完成后的焊縫檢測是事后控制的關(guān)鍵一環(huán)。根據(jù)合同文件和技術(shù)規(guī)范要求，焊縫檢驗(yàn)采取X光射線檢測，并且要求施工單位對(duì)焊縫100%進(jìn)行檢測，對(duì)于不合格的焊縫及時(shí)進(jìn)行返修，返修后再次進(jìn)行檢測，直至合格為止。監(jiān)理單位對(duì)施工單位的無損檢測單位資質(zhì)，檢測人員的資質(zhì)進(jìn)行了核查。業(yè)主聘請(qǐng)了第三方無損檢測單位按10%比例進(jìn)行了平行檢測，共檢測了600多道焊口，拍片2000余張。該檢驗(yàn)是對(duì)施工現(xiàn)場已完成的焊口進(jìn)行指定位置抽查和對(duì)施工單位已自檢合格的焊口進(jìn)行抽查復(fù)檢，復(fù)檢工作要有覆蓋性、隨機(jī)性、重點(diǎn)性、獨(dú)立性。指定位置抽查是對(duì)已焊成的焊口進(jìn)行檢驗(yàn)，包括工程所用的碳鋼和不銹鋼焊口，彎管與彎管焊口，彎管與直管焊口，固定焊口，施工單位自檢超出標(biāo)準(zhǔn)要求并返修處理檢驗(yàn)合格的焊口，施焊位置狹窄的焊口。抽查復(fù)驗(yàn)包含指定位置抽查的所有焊口，比例上要大于指定位置抽查，檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)質(zhì)量偏差較大的焊口位置，要擴(kuò)大檢驗(yàn)比例。管道系統(tǒng)在投入使用前，還需進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為工作壓力的1.5倍。

3 射線底片評(píng)定

3.1 X射線底片評(píng)判方法

為了保證焊接構(gòu)件的產(chǎn)品質(zhì)量，必須對(duì)焊縫進(jìn)行無損檢測和評(píng)價(jià)。射線檢測是常規(guī)無損檢測的重要方法之一，其檢測結(jié)果將作為焊縫缺陷分析和質(zhì)量評(píng)定的重要判定依據(jù)。目前，對(duì)X射線檢測結(jié)果的評(píng)定方法有兩種:人工評(píng)定和計(jì)算機(jī)輔助評(píng)定。人工評(píng)定效率較低，缺陷分析受評(píng)定人員的技術(shù)素質(zhì)、經(jīng)驗(yàn)以及外界條件的影響，結(jié)果往往會(huì)因人而異。采用計(jì)算機(jī)對(duì)X射線檢測結(jié)果進(jìn)行分析和識(shí)別，可以大大提高工作效率，有效地克服人工評(píng)定中由于評(píng)判人員技術(shù)素質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)差異以及外界條件的不同而引起的誤判或漏判，使評(píng)判過程客觀化、科學(xué)化和規(guī)范化。在本工程實(shí)例中，我們?cè)谌斯ぴu(píng)定的基礎(chǔ)上引進(jìn)了計(jì)算機(jī)輔助評(píng)定系統(tǒng)，具體操作是:將射線底片圖像通過底片數(shù)字化掃描設(shè)備變成數(shù)字圖像，然后將其輸入計(jì)算機(jī)，應(yīng)用適當(dāng)?shù)膱D像處理系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理-降噪、平滑化、清背景和差分等，再將處理結(jié)果用三維圖顯示或彩色顯示，處理后缺陷形狀很容易識(shí)別。

3.2 焊接常見缺陷在底片上的表現(xiàn)形式

焊接過程中產(chǎn)生的缺陷主要有6類，即:①熔合不良:未焊透、未熔合；②裂紋；③氣孔；④夾雜物:夾渣、夾鎢；⑤成形不良:咬邊、燒穿和焊瘤等；⑥其他缺陷。射線檢測主要檢測的是前5類。評(píng)定人員可根據(jù)影像的幾何形狀、黑度分布及位置三方面進(jìn)行綜合判斷。

焊接常見缺陷在射線底片上的表現(xiàn)形式如下：未焊透一般呈現(xiàn)為筆直的黑線影像，并處于焊縫影像的中心。未熔合一般呈現(xiàn)為模糊的寬線條狀影像，線條沿焊縫方向延伸，影像的黑度與背景的黑度差較小，有時(shí)影像的一側(cè)呈現(xiàn)直邊狀。裂紋基本形態(tài)呈現(xiàn)為黑線，影像的黑度可能較大，也可能較小。氣孔呈現(xiàn)為黑度大于背景黑度的斑點(diǎn)狀影像，黑度一般都較大，影像清晰，影像的形狀可能是圓形、橢圓形或長圓形(梨形)。夾渣常見的影像有點(diǎn)狀?yuàn)A渣、密集夾渣和條狀?yuàn)A渣三種形態(tài)，其影像的主要特點(diǎn)是形狀不規(guī)則、邊緣不整齊、黑度較大而均勻。夾鎢的影像主要有孤立點(diǎn)狀和密集點(diǎn)狀兩種形態(tài)。咬邊類似于夾渣，它出現(xiàn)在焊縫區(qū)兩側(cè)。燒穿呈現(xiàn)為低黑度的圓環(huán)或橢圓環(huán)及中心高黑度的暗斑形貌。焊瘤呈現(xiàn)為具有圓滑輪廓的較大的低黑度斑點(diǎn)影像，它經(jīng)常出現(xiàn)在焊縫兩側(cè)區(qū)。

3.3 X射線底片評(píng)定實(shí)例及原因分析

在本工程實(shí)例中出現(xiàn)了以下質(zhì)量缺陷類型，如圖1～4所示。

圖1 未焊透

圖2 有氣孔

圖3 夾鎢

圖4 缺邊

通過X射線底片可看出圖1所顯示的缺欠性質(zhì)：未焊透；圖2缺欠性質(zhì)：氣孔；圖3缺欠性質(zhì)：夾鎢；圖4缺欠性質(zhì)：錯(cuò)邊。缺欠在施工過程中有兩種形式存在，一種是偶然性缺欠，一種是普遍性缺欠。偶然性缺欠出現(xiàn)的原因主要有人、機(jī)、材料、環(huán)境等個(gè)別因素造成的。普遍性缺欠的成因，除偶然性缺欠出現(xiàn)的原因外，產(chǎn)生的主要因素是偏離了工藝規(guī)程和作業(yè)指導(dǎo)書，監(jiān)督和檢驗(yàn)不利造成的。

下面對(duì)圖1～4所示的缺欠產(chǎn)生的原因分別進(jìn)行分析。圖1未焊透產(chǎn)生的原因：管口的對(duì)口間隙過大，氬弧焊打底，焊絲直徑1.2mm，用大的焊接電流，高弧長，快的焊接速度，防止燒穿，難免產(chǎn)生未焊透。底片評(píng)定時(shí)，由于評(píng)定人的經(jīng)驗(yàn)不足或其它原因，會(huì)誤評(píng)為內(nèi)凹缺欠。圖2氣孔產(chǎn)生的原因：焊接電流過大，電弧過長，焊接速度快。圖3夾鎢產(chǎn)生的原因：由于電流過大，鎢極局部熔化而墜入熔池留在焊縫中所致。圖4錯(cuò)邊產(chǎn)生的原因：管口與管口直徑不對(duì)造成。

以上缺欠的產(chǎn)生與焊接工藝規(guī)程執(zhí)行有直接的關(guān)系，與焊接質(zhì)檢員的檢驗(yàn)力度也有關(guān)系，無論哪種因素，這些缺欠如帶入工程的運(yùn)行，將帶來安全隱患。

表1 X射線檢測報(bào)告表(節(jié)選)

4 焊縫質(zhì)量評(píng)級(jí)

焊縫射線檢測質(zhì)量評(píng)級(jí)執(zhí)行GB/T3323- 2005《金屬熔化焊焊接接頭射線照相》。該標(biāo)準(zhǔn)適用于金屬材料板和管的熔焊焊接接頭。該標(biāo)準(zhǔn)的附錄C“焊接接頭射線照相缺陷評(píng)定”詳細(xì)說明了焊接接頭質(zhì)量分級(jí)及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，焊接接頭質(zhì)量分為4個(gè)等級(jí)即I、ΙΙ、III、IV級(jí)。缺陷種類包括裂紋、未熔合、未焊透、氣孔、夾渣、夾鎢、根部內(nèi)凹、根部咬邊，其中長寬比大于3的氣孔、夾渣和夾鎢定義為條形缺陷，長寬比小于3的氣孔、夾渣和夾鎢定義為圓形缺陷。對(duì)于本工程實(shí)例，合格等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為ΙΙ級(jí)，射線照相的評(píng)定合格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)不出現(xiàn)裂紋、未熔合、未焊透，評(píng)定區(qū)內(nèi)的圓形缺陷應(yīng)不大于3點(diǎn)，條形缺陷中單個(gè)條形缺陷長度不超過4mm。

5 射線檢測報(bào)告

本工程實(shí)例中，工程范圍涉及5座泵站廠區(qū)，管網(wǎng)總長度達(dá)40多km，焊口多達(dá)6000多道，管道型號(hào)多達(dá)12種，此外管道為埋地管道，在焊接完成并經(jīng)檢測合格后需要覆蓋回填，屬于隱蔽工程，因此焊縫射線檢測報(bào)告應(yīng)滿足及時(shí)、全面、可追溯等要求。為此，業(yè)主要求射線檢測單位周密安排工作計(jì)劃，確保施工單位自檢完成后及時(shí)進(jìn)行平行檢測。檢測過程中，針對(duì)射線檢測中發(fā)現(xiàn)的共性問題，及時(shí)召開專題會(huì)議，督促施工單位進(jìn)行工藝調(diào)整，確保焊接質(zhì)量精益求精。平行檢測報(bào)告中要求增加了詳細(xì)的底片評(píng)定內(nèi)容，即包括缺欠性質(zhì)、長度、點(diǎn)數(shù)等內(nèi)容，見表1的示例，同時(shí)增加了焊口位置圖，保證了檢測數(shù)據(jù)的可追溯性，如圖5所示。

圖5 焊口位置圖

6 結(jié)語

鋼管焊接是管道安裝工程質(zhì)量管理工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)，必須做好事前、事中、事后全過程各項(xiàng)質(zhì)量控制活動(dòng)。焊縫質(zhì)量是參建各方關(guān)注焦點(diǎn)，因此在施工單位自檢的基礎(chǔ)上，業(yè)主、監(jiān)理單位應(yīng)聘請(qǐng)專業(yè)射線檢測單位開展第三方檢測，檢測部位宜選擇關(guān)鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)，檢測過程應(yīng)及時(shí)高效，檢測報(bào)告應(yīng)內(nèi)容全面、可追溯。計(jì)算機(jī)輔助評(píng)判系統(tǒng)的運(yùn)用有效地提高了射線檢測評(píng)定效率和質(zhì)量，但它依然不是實(shí)時(shí)性的，應(yīng)進(jìn)一步探索采用X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像技術(shù)及建立焊縫檢測大數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，以真正實(shí)現(xiàn)焊接過程中的實(shí)時(shí)快速檢測和質(zhì)量監(jiān)控。