石化工程工藝管道自動(dòng)化焊接的質(zhì)量管理探討

陳思達(dá)（廣東國(guó)信工程監(jiān)理有限公司，廣東 茂名 525011）

0 引 言

工藝管道焊接在石化工程焊接總量中占比往往達(dá)到60%～70%，而工藝管道向來(lái)有運(yùn)行工況苛刻、涉及材質(zhì)復(fù)雜、焊接質(zhì)量要求高等特點(diǎn)[1]。近年來(lái)，石化行業(yè)飛速發(fā)展，各種新建石化裝置紛至沓來(lái)，在為石化工程建設(shè)帶來(lái)生機(jī)的同時(shí)，也給參建單位帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。目前，多數(shù)施工單位仍舊依賴(lài)于勞動(dòng)密集型的焊條電弧焊，一味以增加焊工人工時(shí)的方式來(lái)保證焊接量。近年來(lái)，隨著石化工程建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，焊工勞務(wù)需求與焊工資源的匱乏形成了巨大的反差，勞務(wù)成本也隨著需求的增長(zhǎng)而提高，因而部分施工單位開(kāi)始探索新的管道預(yù)制方式，以提高焊接效率和降低成本。在以先進(jìn)、安全、高效和可靠的工藝管道焊接方式取代傳統(tǒng)人工密集型的手工焊接方式的大趨勢(shì)下，自動(dòng)化焊接的管道預(yù)制方式應(yīng)運(yùn)而生。

1 工程背景

63/30 萬(wàn) t/a SMPO 裝置是中海殼牌石油化工有限公司 SMPO/POD 項(xiàng)目的核心裝置。項(xiàng)目建設(shè)投資約 50 億元，屬于新建工藝裝置。裝置規(guī)模涵蓋 63 萬(wàn) t/年苯乙烯（SM）、30 萬(wàn) t/年環(huán)氧丙烷（PO）和 75 萬(wàn) t/年乙苯（EB）。工藝管線焊接量總計(jì)約 1.905 萬(wàn) m（75 萬(wàn)吋徑），涉及的材料主要包括 A106-B、A672-C65、A335-P11、A691-1.25CR、A358-304L、A312-TP304L、A358-316L、A312-TP316L、A333-6、A671-CC60、A790-UNS S32760、A358-UNS S31254 等，既有同類(lèi)別材料之間的連接，又有不同類(lèi)別材質(zhì)之間的異種鋼接頭。其中，最大管徑為 DN2100（A358-304L），最大壁厚為 30.6 mm（A333-6）。

本項(xiàng)目要求工藝管道焊接一次合格率達(dá)到 96%，在工期緊張的情況下，施工單位決定在現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)一條工藝管道自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線，投入生產(chǎn)線的主要設(shè)施包括 22 臺(tái)埋弧焊機(jī)、4 臺(tái)自動(dòng)鎢極氬弧焊機(jī)、11 臺(tái)全位置自動(dòng)熔化極氣保焊機(jī)。該生產(chǎn)線每天可以完成的最大預(yù)制焊接量達(dá)到177.8 m（7 000 吋徑）。

2 手工焊預(yù)制與自動(dòng)化焊接預(yù)制的應(yīng)用效果對(duì)比

在傳統(tǒng)的工程建設(shè)中，工藝管道通常采用手工氬弧焊及焊條電弧焊組合焊接。傳統(tǒng)的焊接方法雖然成熟和簡(jiǎn)單，但其焊接效率低下、人工成本昂貴、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)制約其自身的發(fā)展。

管道自動(dòng)化焊接是采用工廠化的生產(chǎn)方式，運(yùn)用埋弧焊和自動(dòng)氣體保護(hù)焊等機(jī)動(dòng)焊焊接方法進(jìn)行管道預(yù)制的一種新型的工程建設(shè)管道焊接生產(chǎn)模式。以下結(jié)合中海殼牌SMPO 項(xiàng)目焊接質(zhì)量管理工作，從質(zhì)量控制、進(jìn)度控制、成本控制和 HSE 控制四個(gè)方面對(duì)手工焊預(yù)制與自動(dòng)化焊接預(yù)制實(shí)施效果進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 質(zhì)量控制

在傳統(tǒng)的手工焊條電弧焊中，焊接質(zhì)量受限于焊工技能水平，焊工技能水平參差不齊使得焊接質(zhì)量難以處于穩(wěn)定狀態(tài)。即使通過(guò)技能考核的方式篩選焊工，也難以確保焊工在作業(yè)過(guò)程中始終處于正常發(fā)揮狀態(tài)。自動(dòng)化焊接的質(zhì)量主要由焊接設(shè)備、焊接材料和焊接工藝參數(shù)控制，對(duì)焊工技能要求低，受焊工自身狀態(tài)影響小。自動(dòng)化焊接設(shè)備一經(jīng)調(diào)試后將一直處于穩(wěn)定狀態(tài)（除設(shè)備故障外），由機(jī)械控制的焊炬電極始終處于適當(dāng)高度，焊炬擺動(dòng)和焊接速度不受焊工身體素質(zhì)的影響，焊接參數(shù)穩(wěn)定，有效確保了焊接質(zhì)量。

此外，氣候是影響管道焊接質(zhì)量的重要因素。中海殼牌 SMPO 項(xiàng)目地處廣東省惠州市近海區(qū)域，雨季頻繁，風(fēng)力較大，自動(dòng)化焊接以工廠化的生產(chǎn)模式有效降低了環(huán)境因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

在中海殼牌 SMPO 項(xiàng)目中，活動(dòng)口手工焊條電弧焊 RT檢測(cè)一次合格率為 97.26%，而自動(dòng)化焊接 RT 檢測(cè)一次合格率達(dá)到 99.02%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于業(yè)主制定的焊接質(zhì)量目標(biāo)。

2.2 進(jìn)度控制

自動(dòng)化焊接的焊接速度可達(dá)到 500 mm/min，且在大管徑、厚管壁的管道焊接時(shí)更具優(yōu)勢(shì)。將埋弧焊作為自動(dòng)化焊接的主要焊接方法，每名焊工每日人均焊接量可達(dá)7.62 m（300 吋徑），而手工焊條電弧焊焊工每日填充蓋面焊接量一般在 2.29 m（90 吋徑）。中海殼牌 SMPO 項(xiàng)目工藝管線焊接總量為 1.905 萬(wàn) m（75 萬(wàn)吋徑），預(yù)制焊接量約為 1.206 2 萬(wàn) m（47.487 3 萬(wàn)吋徑），預(yù)制深度達(dá)到了63.90%，在不考慮環(huán)境及材料到貨影響因素的情況下，若單獨(dú)采用手工電弧焊填充蓋面，則至少需要 100 名焊工在兩個(gè)月內(nèi)完成預(yù)制；而采用自動(dòng)化焊接，則只需要 26 名機(jī)動(dòng)焊工即可在兩個(gè)月內(nèi)完成預(yù)制。在實(shí)際施工過(guò)程中，項(xiàng)目手工焊條電弧焊焊工維持在 150 人以上，手工焊條電弧焊預(yù)制焊接量達(dá) 4 231.45 m（16.659 25 萬(wàn)吋徑），在預(yù)制焊接量中占比 35.08%；而同時(shí)段機(jī)動(dòng)焊焊工 25 人，機(jī)動(dòng)焊焊接量達(dá) 4 582.24 m（18.032 45 萬(wàn)吋徑），在預(yù)制焊接量中占比 37.97%。因此，采用自動(dòng)化焊接在管道預(yù)制進(jìn)度控制方面明顯優(yōu)于手工焊接。

2.3 成本控制

焊接成本主要由設(shè)備采購(gòu)、設(shè)備損耗、勞務(wù)成本和焊材消耗組成。自動(dòng)化焊接設(shè)備一次投入較大，但設(shè)備使用年限一般可以達(dá)到 10年，設(shè)備購(gòu)置成本可以逐年攤銷(xiāo)。通常，焊工薪酬是手工電弧的主要成本之一。目前理想狀態(tài)下手工焊條電弧焊預(yù)制階段大約需要 6 000 工日，而自動(dòng)化焊接僅為 1 500 工日；焊工日薪普遍達(dá)到 500 元以上，采用自動(dòng)化焊接可節(jié)省大量勞務(wù)成本。焊材消耗方面，手工焊焊接 7.62 m（300 標(biāo)準(zhǔn)吋徑），大約需要 600 根 Ф3.2焊條；而采用埋弧焊僅需要一盤(pán) 20 kg 的焊絲和 15 kg 焊劑，既可節(jié)省近 20% 的焊材成本，又能避免因更換焊條而造成的焊材浪費(fèi)。因此，采用自動(dòng)化焊接可有效降低管道預(yù)制的綜合成本。

2.4 HSE 控制

自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線主要設(shè)置在管道加工廠，作業(yè)環(huán)境較好，無(wú)需焊工手持焊把作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度較低，可有效避免中暑等意外情況的發(fā)生。

另外，焊條電弧焊所產(chǎn)生的弧光和煙氣對(duì)人體傷害較大，是焊工電光性眼炎和塵肺等職業(yè)病的主要誘因；而在埋弧焊焊接過(guò)程中，電弧始終在焊劑下方燃燒，無(wú)弧光，煙氣少，極大地減少了對(duì)焊工的傷害。

3 自動(dòng)化焊接質(zhì)量管理的要點(diǎn)

自動(dòng)化焊接生產(chǎn)效率高且焊材更換頻率低，一旦出現(xiàn)焊接參數(shù)不當(dāng)或焊材不匹配等問(wèn)題，就會(huì)造成大范圍的返工。因此，只有積極主動(dòng)地掌握自動(dòng)化焊接的質(zhì)量管理要點(diǎn)，才能讓自動(dòng)化焊接技術(shù)更好地適應(yīng)工程建設(shè)的發(fā)展要求。

3.1 熟悉規(guī)范和設(shè)計(jì)文件，掌握各種焊接方法的特點(diǎn)和要求

規(guī)范和設(shè)計(jì)文件是把控焊接質(zhì)量的依據(jù)。雖然對(duì)于管道的自動(dòng)化焊接，可采取的焊接方法有多種，可選取的焊接材料也很多樣，但其在石化工程中的應(yīng)用時(shí)間較短，普及程度也較低。因此，多數(shù)從業(yè)者對(duì)自動(dòng)化焊接方法的特點(diǎn)及其在施工過(guò)程中的控制要求鮮有了解，對(duì)于自動(dòng)化焊接的工藝評(píng)定、焊接材料和焊工資質(zhì)管理等相關(guān)條文也知之甚少。為此，在焊接施工前，監(jiān)理人員應(yīng)掌握各種焊接方法的原理及所用設(shè)備特點(diǎn)，了解自動(dòng)化焊接方法的焊接材料制作及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，熟悉 NB/T 47014－2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》中機(jī)動(dòng)焊接方法的專(zhuān)用焊接工藝評(píng)定因素及各種焊接方法的通用評(píng)定規(guī)則，熟悉 TSG Z6002－2010《特種設(shè)備焊接操作人員考核細(xì)則》中機(jī)動(dòng)焊的相關(guān)條文要求。只有熟悉各種焊接方法的焊接原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，以及適用工況和相關(guān)規(guī)范要求，才能做到知己知彼，有針對(duì)性地采取預(yù)防措施，有效處理問(wèn)題。

3.2 做好焊接施工前的監(jiān)理準(zhǔn)備工作

在焊接施工準(zhǔn)備階段，監(jiān)理主要從焊工資質(zhì)、焊接設(shè)備、焊接材料、焊接工藝評(píng)定和工藝卡等方面進(jìn)行重點(diǎn)控制。

3.2.1 焊工資質(zhì)

自動(dòng)化焊接所需焊工資質(zhì)與傳統(tǒng)手工焊不同且不可代用。依據(jù) TSG Z 6002－2010《特種設(shè)備焊接操作人員考核細(xì)則》，手工焊工往往需要考取多項(xiàng)資質(zhì)才能滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求，而自動(dòng)化焊接資質(zhì)項(xiàng)目對(duì)試件的材質(zhì)管徑厚度、焊材類(lèi)型、熔覆金屬厚度均無(wú)要求，不僅降低了焊工取證成本，而且大幅度降低了焊工資質(zhì)管理的難度，有效避免了超項(xiàng)問(wèn)題的發(fā)生。自動(dòng)化焊接在工藝上與傳統(tǒng)手工焊焊接不同，在改變電流極性和焊絲類(lèi)型時(shí)無(wú)需重新考核，但在資質(zhì)考試項(xiàng)目中，存在“使用穩(wěn)壓系統(tǒng)、自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和遙控操作的焊工不得操作無(wú)對(duì)應(yīng)功能的焊機(jī)，單道焊資質(zhì)不得進(jìn)行多道焊”的要求。

3.2.2 焊接工藝評(píng)定

焊接工藝評(píng)定（PQR）和工藝規(guī)程（WPS）是焊接生產(chǎn)的綱領(lǐng)性文件，是保障焊接施工質(zhì)量的核心措施。在工程焊接前，監(jiān)理須敦促施工單位整理管道料表，依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)存在的母材材質(zhì)壁厚、擬用的焊接方法和異種鋼接頭報(bào)驗(yàn)必要的焊接工藝評(píng)定，并以此為依據(jù)制定相應(yīng)的焊接工藝規(guī)程。在自動(dòng)化焊接的工藝評(píng)定中，氣體保護(hù)焊改變氣體種類(lèi)及混合比例，改變?nèi)鄣芜^(guò)渡方式，藥芯、實(shí)芯焊絲互換，埋弧焊改變焊劑混合比等都必須重新報(bào)驗(yàn)工藝評(píng)定；改變坡口、焊絲直徑、電流極性，增加焊接位置，將對(duì)接焊縫工藝評(píng)定用于角焊縫焊接，自動(dòng)化焊接與手工焊轉(zhuǎn)換，均無(wú)需重新報(bào)驗(yàn)工藝評(píng)定，但應(yīng)重新制定焊接工藝卡。

3.2.3 焊 材

焊材是影響焊接質(zhì)量的主要因素。焊接施工前，監(jiān)理須敦促承包商，依據(jù) JB/T 3223－2017《焊接材料質(zhì)量管理規(guī)程》制定焊接材料管理規(guī)定；依據(jù) NB/T 47018－2017《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件》嚴(yán)格控制用于壓力管道的焊材入場(chǎng)；不符合 NB/T 47018－2017 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的焊材，不得用于壓力管道的焊接。與此同時(shí)，還要重點(diǎn)關(guān)注藥芯焊絲的使用。由于國(guó)內(nèi)藥芯焊絲生產(chǎn)技術(shù)尚未成熟，多數(shù)藥芯焊絲均為酸性渣藥芯焊絲，且無(wú)法保證藥芯焊絲的均勻分布，目前少有符合 NB/T 47018－2017 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的藥芯焊絲，一般不得將藥芯焊絲用于壓力管道上。

3.2.4 焊接設(shè)備

焊接設(shè)備的性能決定了自動(dòng)化焊接的質(zhì)量，因而對(duì)其進(jìn)場(chǎng)必須嚴(yán)格把關(guān)，確保焊機(jī)性能良好，傳動(dòng)設(shè)備、傳感裝置和送絲機(jī)構(gòu)等設(shè)備靈敏有效。

3.3 加強(qiáng)自動(dòng)化焊接的現(xiàn)場(chǎng)管理

3.3.1 “一機(jī)一料”

限制每臺(tái)設(shè)備所焊接的管道種類(lèi)可以保障該設(shè)備焊接材料的單一性，避免頻繁更換不同材質(zhì)的焊絲、焊劑和保護(hù)氣體，防止因焊材與母材不匹配造成質(zhì)量事故。同時(shí)，限制單臺(tái)設(shè)備焊接的管道種類(lèi)可促使施工隊(duì)伍自覺(jué)進(jìn)行管材分類(lèi)分區(qū)堆放，杜絕了不銹鋼與碳鋼混放的現(xiàn)象，也避免了外觀相近的管材混淆。

3.3.2 “一人一機(jī)”

限定自動(dòng)化焊接焊工使用單臺(tái)設(shè)備，以便對(duì)焊工進(jìn)行持證上崗管理?！耙蝗艘粰C(jī)”也即“一人一料”，焊工只領(lǐng)用一類(lèi)焊材，以利于在焊材領(lǐng)用環(huán)節(jié)把控焊材的使用情況。每位焊工只焊接單一材質(zhì)，可快速增加焊工對(duì)此類(lèi)材質(zhì)焊接性的了解，從而提高整體焊接質(zhì)量。另外，自動(dòng)化焊接設(shè)備的服役年限往往較長(zhǎng)，部分機(jī)器的實(shí)際焊接參數(shù)可能與預(yù)設(shè)值存在誤差，“一人一機(jī)”有利于焊工把握機(jī)器性能，靈活調(diào)節(jié)參數(shù)，確保焊接質(zhì)量。

3.3.3 埋弧焊控制要點(diǎn)

埋弧焊的焊劑在焊接過(guò)程中不僅起保護(hù)作用，還能補(bǔ)充焊縫合金元素，因而焊絲與焊劑的匹配尤為重要。焊劑呈顆粒狀，本身無(wú)標(biāo)識(shí)，且不同焊劑外觀基本相同，因而必須要對(duì)焊劑的存放容器進(jìn)行標(biāo)識(shí)，以便焊劑的使用與回收。使用過(guò)的焊劑含有較多的雜質(zhì)，且顆粒大小不一，易導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)黑點(diǎn)和壓坑，必須要嚴(yán)格控制新舊焊劑的比例。舊焊劑不得超過(guò) 50%，以約 30% 為宜；必須經(jīng)過(guò)篩網(wǎng)篩除超大和超小顆粒，不允許回收焊劑并單獨(dú)使用。

3.3.4 氣體保護(hù)焊控制要點(diǎn)

氣體保護(hù)焊的焊接效率和焊接質(zhì)量不如埋弧焊，一般應(yīng)用于埋弧焊難以焊接的管段，以提高結(jié)構(gòu)復(fù)雜管段的焊接效率。對(duì)于氣體保護(hù)焊，改變氣體混合比會(huì)改變焊接熔滴過(guò)渡方式，因而不同的混合比就需要相應(yīng)的工藝評(píng)定。半自動(dòng)熔化極氣體保護(hù)焊線能量較大，不宜使用在低溫鋼和不銹鋼等對(duì)線能量要求較高的材質(zhì)上。為保證二保焊焊縫成形美觀和減少飛濺，在二保焊作業(yè)時(shí)，還應(yīng)關(guān)注焊接電壓與焊接電流的匹配。短路過(guò)度的二保焊通常使用經(jīng)驗(yàn)公式 U＝0.04×I＋16±2（V）來(lái)選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)。

4 對(duì)自動(dòng)化焊接質(zhì)量管理的建議

（1）完善規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容以適應(yīng)不斷出現(xiàn)的自動(dòng)化焊接方法。現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的版本更替相對(duì)緩慢，在各類(lèi)先進(jìn)焊接方法不斷涌現(xiàn)的形勢(shì)下，難免出現(xiàn)無(wú)法可依的情況。在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn) SH 3501－2011《石油化工有毒、可燃介質(zhì)鋼制管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》第七條“管道焊接”中，僅對(duì)氬弧焊和焊條電弧焊作相關(guān)管理規(guī)定，無(wú)涉及自動(dòng)化焊接方法的相關(guān)條文；其余涉及管道焊接的石化標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)自動(dòng)化焊接方法的管理也是語(yǔ)焉不詳。筆者建議，在后續(xù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的更替中，應(yīng)擴(kuò)充自動(dòng)化焊接的相關(guān)管理要求，以適應(yīng)不斷發(fā)展的自動(dòng)化焊接方法。

（2）監(jiān)理單位應(yīng)針對(duì)自動(dòng)化焊接制定完善的相關(guān)監(jiān)理工作文件。自動(dòng)化焊接在石化工程建設(shè)中應(yīng)用時(shí)間較短，監(jiān)理人員在編制焊接監(jiān)理細(xì)則等文件時(shí)通常僅針對(duì)傳統(tǒng)的手工氬弧焊和焊條電弧焊，缺乏對(duì)自動(dòng)化焊接相應(yīng)的質(zhì)量控制措施。例如，傳統(tǒng)的焊接設(shè)備一般僅要求設(shè)備指示儀表靈敏有效，而自動(dòng)化焊接設(shè)備的行走裝置、送絲機(jī)構(gòu)和跟蹤系統(tǒng)等設(shè)備同樣影響著焊接質(zhì)量，較之于手工焊，其設(shè)備要求更高。此外，自動(dòng)化焊接涉及的焊接方法和材料種類(lèi)眾多，各種焊接方法對(duì)應(yīng)不同的質(zhì)量控制重點(diǎn)，各種焊材也有各自不同的儲(chǔ)存和使用要求，從而對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)管理和焊接材料管理提出了更高的要求。因此，監(jiān)理單位在編寫(xiě)焊接監(jiān)理細(xì)則等相關(guān)監(jiān)理工作文件時(shí)，應(yīng)針對(duì)自動(dòng)化焊接制定更為完善的管理措施，以應(yīng)對(duì)不斷豐富的焊接方法。

5 結(jié) 語(yǔ)

自動(dòng)化焊接是未來(lái)石化工程工藝管道焊接的主流方式。為了做好管道預(yù)制的自動(dòng)化焊接質(zhì)量管理，首先要保證工藝評(píng)定和工藝規(guī)程的正確性，安排嫻熟的操作人員，使用合格的焊材。同時(shí)，監(jiān)理單位應(yīng)不斷總結(jié)自動(dòng)化焊接預(yù)制的管理經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)各種焊接方法的原理及其易發(fā)問(wèn)題，有針對(duì)性地制定相關(guān)管理規(guī)定。這樣才能更好地應(yīng)對(duì)管道自動(dòng)化焊接預(yù)制應(yīng)用于石化工程的發(fā)展要求。