油氣管道環(huán)縫焊接國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的啟示和借鑒*

李為衛(wèi)，何小東，葛加林，2

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077；2.西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 陜西 西安 710065)

0 引 言

近10年來，隨著高鋼級大口徑管道的大量建設(shè)和投產(chǎn)，在管道試壓階段和投產(chǎn)運(yùn)行初期就發(fā)生了30 余起環(huán)焊縫開裂和泄漏事故，70%以上是由于環(huán)焊縫缺陷引起的[1]。管道運(yùn)行過程中也發(fā)生多次爆裂事故。針對高強(qiáng)度油氣管道環(huán)焊縫的質(zhì)量問題，目前國家、行業(yè)在開展全面質(zhì)量提升工作，其中一項(xiàng)主要工作就是對標(biāo)國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)做法，提高我國管道建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)水平。國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)對長輸管道焊接標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對比分析[2-5]，但對比的多是國家、行業(yè)或者協(xié)會的標(biāo)準(zhǔn)，基本不涉及油公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

油氣管道現(xiàn)場焊接國際上應(yīng)用范圍廣、影響力大的是API 1104和ISO 13847標(biāo)準(zhǔn)[6-7]，這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂各方參與程度高，發(fā)展歷史長，內(nèi)容較完善，但由于參與制修訂的各方利益不同，是各方協(xié)調(diào)的產(chǎn)物，其技術(shù)指標(biāo)要求不高，因此，國際著名油公司(如SHELL、BP、TOTAL、TransCanada)針對長輸油氣管道的現(xiàn)場焊接，基本上以這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)作為基礎(chǔ)，增加補(bǔ)充技術(shù)要求。另外，俄羅斯天然氣公司企標(biāo)在焊接技術(shù)方面也有詳細(xì)的規(guī)定。這些油公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增加的補(bǔ)充要求和規(guī)定是在研究基礎(chǔ)上，針對高強(qiáng)度、重要管道提出的補(bǔ)充要求，對保證管道的焊接質(zhì)量具有重要作用。

我國目前的油氣管道現(xiàn)場焊接國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基本采用API 1104制定，石油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有適當(dāng)?shù)募夹g(shù)補(bǔ)充，但與國外先進(jìn)油公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比，還有一定的差距。本文對國外著名油公司的管道現(xiàn)場焊接標(biāo)準(zhǔn)在焊接方法、焊接材料、適用范圍、工藝參數(shù)等方面的技術(shù)要求進(jìn)行了對比分析，另外，也分析了NB/T 47014、ASME Section IX和BS 4515-1等標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求[8-10]，對提高我國油氣管道的現(xiàn)場焊接標(biāo)準(zhǔn)提出修改完善的建議。

1 國外油公司標(biāo)準(zhǔn)介紹

荷蘭SHELL公司管道及相關(guān)設(shè)施的現(xiàn)場焊接標(biāo)準(zhǔn)DEP XXX—2010，是對ISO 13847—2000的修改/補(bǔ)充，規(guī)定了碳鋼管道及相關(guān)設(shè)施的焊接要求和推薦做法，適用的最高鋼級為X70。

英國BP石油公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GIS XXX—2006是對API 1104—2005(20版)的補(bǔ)充/修改，適用于C-Mn鋼和低合金管主管道的焊接及驗(yàn)收，主要適用的最高鋼級為X80，也適用最高鋼級為X120的管道。

法國TOTAL石油公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GS EP PLR XXX—2013是對API 1104的增補(bǔ)。規(guī)定了甜性和酸性環(huán)境、陸上和海洋碳鋼管道的現(xiàn)場焊接，適用的最高鋼級為X70。

加拿大TransCanada企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TES-WELD-XXX—2007是對API 1104的修改/補(bǔ)充，規(guī)定了天然氣(甜氣)管道系統(tǒng)的焊接及檢驗(yàn)要求，適用于碳鋼管道現(xiàn)場環(huán)焊縫的焊接，適用的最高鋼級為X100。

俄羅斯天然氣工業(yè)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“博瓦年科沃——烏赫塔干線天然氣輸氣管道焊接規(guī)程”(2008)規(guī)定了博—烏陸上干線輸氣管道的現(xiàn)場焊接要求，適用于工作壓力11.8 MPa及以下，鋼級為K60和K65，直徑DN1 000～1 400 mm，壁厚22.7～37.9 mm。

上述標(biāo)準(zhǔn)中，SHELL、BP、TOTAL標(biāo)準(zhǔn)與基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)相同的內(nèi)容沒有寫，內(nèi)容相對較少，補(bǔ)充的技術(shù)要求只給出規(guī)定，技術(shù)細(xì)節(jié)少。TransCanada和俄氣標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容較多，對焊接工藝、技術(shù)補(bǔ)充規(guī)定多，尤其是對較高鋼級給出了較為詳細(xì)的焊接方法、焊接材料和工藝要求。

2 標(biāo)準(zhǔn)對比分析

2.1 焊接方法

管道線路焊接國外油公司允許使用的焊接方法見表1。熔化極氣體保護(hù)電弧焊(GMAW)是油氣長輸管道最適用的焊接方法，所有國外油公司標(biāo)準(zhǔn)都允許使用，一般采用自動或機(jī)械方式，效率高、質(zhì)量優(yōu)。埋弧焊方法(SAW)也是一種普遍適用的干線管道焊接方法，用于具備條件的雙聯(lián)管焊接。焊條電弧焊(SMAW)和氬弧焊(GTAW)也是普遍允許使用的方法，但由于效率問題，一般在不具備自動或機(jī)械GMAW情況下(如連頭口、返修、穿越)使用。

表1 國外油公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)管道線路焊接允許使用的焊接方法

*此處指實(shí)心焊絲氣保焊，不包括藥芯或粉芯焊絲氣保焊。

對于我國油氣長輸管道多年來大量使用的自保護(hù)藥芯焊絲電弧焊(FCAW-S)方法， SHELL、BP、TOTAL明確不允許使用，俄氣標(biāo)準(zhǔn)范圍含有這種方法，但只允許用于部件和站場工藝管道的焊接，線路管道不允許使用，只有TransCanada在線路焊接中允許使用。氣保焊藥芯焊絲電弧焊(FCAW-G)方法除了BP明確不允許使用外，其它油公司均允許使用。

FCAW盡管是一種高效方法，但由于焊絲制造以及實(shí)際焊接過程中對合金元素和工藝參數(shù)比較敏感，焊接接頭的力學(xué)性能(主要是沖擊韌性)不穩(wěn)定，尤其是自保護(hù)的FCAW由于采用Al脫氧，焊縫的沖擊韌性更難保證。對此，TOTAL標(biāo)準(zhǔn)明確不允許采用FCAW-S，使用FCAW-G需要經(jīng)過業(yè)主批準(zhǔn)，并應(yīng)用有專門的提示：承包商應(yīng)始終對FCAW方法進(jìn)行完全控制，以避免焊接熔敷層的機(jī)械性能(特別是沖擊性能)出現(xiàn)任何過度分散。因此，評定試驗(yàn)焊縫的機(jī)械試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)顯示出符合本規(guī)范要求的足夠的安全裕度。如果該工藝的可靠性不令人滿意，公司保留拒絕該方法的權(quán)利。另外，我國鍋爐、壓力容器和壓力管道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47014焊接采用的標(biāo)準(zhǔn)不包括FCAW-S。

建議我國對X70、X80長輸管道的焊接，逐步淘汰半自動自保護(hù)FCAW，大力推廣自動或機(jī)械的熔化極氣體保護(hù)電弧焊方法。

2.2 焊接材料

2.2.1 焊材強(qiáng)度的選擇原則

焊接材料選材一個重要的考慮就是強(qiáng)度匹配。什么是強(qiáng)度匹配(是屈服強(qiáng)度、還是抗拉強(qiáng)度)，什么是高強(qiáng)匹配(按標(biāo)準(zhǔn)值、實(shí)際值還是平均值)，實(shí)際焊接采用高強(qiáng)匹配還是低強(qiáng)匹配，國內(nèi)外有大量的文獻(xiàn)，但認(rèn)識不一致[11-14]。關(guān)于油氣管道焊縫強(qiáng)度匹配，國外油公司有不同的規(guī)定。

1)SHELL標(biāo)準(zhǔn)，對重要管道以及基于應(yīng)變設(shè)計(jì)管道，要求焊縫金屬的屈服強(qiáng)度Rt0.5應(yīng)大于母材規(guī)定最小屈服強(qiáng)度(SMYS)+20 MPa，抗拉強(qiáng)度應(yīng)大于母材的規(guī)定最小值。

2)BP標(biāo)準(zhǔn)，原則上焊縫金屬的屈服強(qiáng)度的選擇宜保證管道環(huán)焊縫的屈服強(qiáng)度與管材實(shí)際強(qiáng)度的高匹配，要求全焊縫金屬屈服強(qiáng)度不能低于管子SMYS，與典型管子屈服強(qiáng)度相比，希望達(dá)到高匹配。如果進(jìn)行工程適用性評價(ECA)或者設(shè)計(jì)有要求，需要達(dá)到與實(shí)際管子的高匹配。

3)TOTAL標(biāo)準(zhǔn)，對于陸地管道沒有要求。對于海管的Lay或J-Lay 鋪設(shè)，焊縫強(qiáng)度要達(dá)到高匹配，要求焊接材料熔敷金屬的屈服強(qiáng)度大于母材SMYS+80 MPa，全焊縫金屬的拉伸性能要在工程技術(shù)文件中給出。

4)DNV標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)變εl,nom<0.4%以及不進(jìn)行ECA的環(huán)焊縫，焊縫金屬的屈服強(qiáng)度宜超過母材SMYS+80 MPa；當(dāng)應(yīng)變εl,nom≥0.4%，或進(jìn)行 ECA時，焊縫金屬的屈服應(yīng)大于等于母材規(guī)定最大屈服強(qiáng)度-20 MPa。

5)英國標(biāo)準(zhǔn)BS 4515-1，對L555級別鋼管或者安裝方法涉及塑性變形的所有級別的管子，焊縫金屬的屈服強(qiáng)度應(yīng)大于母材規(guī)定最小屈服強(qiáng)度。選擇焊縫金屬高匹配程度，宜考慮鋼管的實(shí)際屈服和抗拉強(qiáng)度。

6)API 1104標(biāo)準(zhǔn)附錄A和GB/T 31032標(biāo)準(zhǔn)附錄B明確指出，ECA評價方法不適用總體低匹配的焊縫。

7)EPRG環(huán)焊縫適用性評價準(zhǔn)則規(guī)定，確保高匹配焊縫的最低焊縫金屬屈服強(qiáng)度為母材縱向最小屈服+100 MPa。

盡管國內(nèi)的研究認(rèn)識和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不統(tǒng)一，但從大多數(shù)和主流的觀點(diǎn)來看，金屬結(jié)構(gòu)焊縫的高強(qiáng)匹配，對焊縫的抗斷裂、變形更加有利，高強(qiáng)匹配的焊縫對缺陷的容限高，韌性要求低。國外管道焊接標(biāo)準(zhǔn)對重要管道(高強(qiáng)度、高壓力、大口徑輸氣管道)、基于應(yīng)變設(shè)計(jì)的管道、進(jìn)行工程適用性評價(ECA)的管道的環(huán)縫要求或推薦采用屈服強(qiáng)度的高強(qiáng)匹配，保證焊縫不發(fā)生集中變形。

我國目前已建成的管道，許多為低強(qiáng)匹配，目前管道焊接標(biāo)準(zhǔn)也沒有提出高強(qiáng)匹配要求，建議加強(qiáng)對油氣管道失效斷裂和變形機(jī)理研究，參考國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，對重要天然氣管道提出屈服的高強(qiáng)匹配及匹配度指標(biāo)要求，以此為準(zhǔn)則進(jìn)行焊接材料強(qiáng)度級別的選擇。

2.2.2 焊材型號的選擇及復(fù)驗(yàn)

焊接材料標(biāo)準(zhǔn)型號中代表強(qiáng)度的數(shù)字是抗拉強(qiáng)度，不是屈服強(qiáng)度，而管線鋼級別代表的是屈服強(qiáng)度。如目前X80管道，管材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定屈服強(qiáng)度最小值550 MPa，抗拉強(qiáng)度最小625 MPa，而焊接采用的AWS E81T8-Ni2J焊材，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定屈服強(qiáng)度最小值470 MPa，抗拉強(qiáng)度最小550 MPa(見表2)，兩者差異很大，選用焊材時應(yīng)明白這點(diǎn)。

表2 常用自保護(hù)藥芯焊絲熔敷金屬的拉伸強(qiáng)度

眾所周知，由于焊接條件不同以及母材稀釋的影響，實(shí)際焊縫金屬的力學(xué)性能與焊接材料的熔敷金屬的性能有很大的差異。一般而言，焊縫金屬的拉伸強(qiáng)度高于焊材熔敷金屬的強(qiáng)度，不同的焊接材料、焊接方法和工藝，其升高程度不同，有些升高很多(如GMAW)，有些升高不明顯(如FCAW、SMAW)。關(guān)于焊材強(qiáng)度級別的選擇，應(yīng)考慮熔敷金屬與全焊縫金屬強(qiáng)度的差異，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值與實(shí)際值的差異。

每批焊接材料熔敷金屬的強(qiáng)度一般比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最小值高(見表2)，但從生產(chǎn)商的質(zhì)量保證來講，保證的是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最小值。而工程焊接工藝評定一般采用一個批號的焊材進(jìn)行試驗(yàn)，這批焊材的焊縫力學(xué)性能合格，并不能代表其它批號的焊材合格。因此，國外管道公司(BP、TOTAL、TransCanada)規(guī)定現(xiàn)場焊接使用的焊接材料的進(jìn)場復(fù)驗(yàn)，要進(jìn)行與實(shí)際管材和焊接工藝一致的焊縫力學(xué)性能試驗(yàn)，而我國管道工程焊材復(fù)驗(yàn)是按焊材標(biāo)準(zhǔn)在平板上焊接進(jìn)行熔敷金屬的力學(xué)性能試驗(yàn)，兩種差異很大，這一點(diǎn)國外油公司的做法值得借鑒。

2.2.3 纖維素焊條使用限制

纖維素焊條具有優(yōu)異的工藝性能而在長輸管道中廣泛使用，但該類焊條的藥皮中含有大量的纖維素有機(jī)物，焊縫中的氫含量較高，焊縫的塑韌性和抗裂性差，國外油氣管道標(biāo)準(zhǔn)對其應(yīng)用提出限制。

BP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最為詳細(xì)，超出下列條件限制不允許使用纖維素焊條：1)鋼級和壁厚超過限制：對鋼級≤X65，最大壁厚19 mm；鋼級X70，采用E8010填充最大厚度16 mm，采用E9010填充，最大壁厚10 mm；鋼級X80，根焊和熱焊僅允許使用，填充焊道不允許使用；鋼級>X80，不允許使用；2)承受高應(yīng)變管道；3)基于應(yīng)變設(shè)計(jì)管道；4)管件、法蘭、和閥門的焊接；5)角焊縫焊接(如陰極保護(hù)附件)。

SHELL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，纖維素焊條不允許用于管件焊接以及壁厚超過25 mm的管子與管子焊接。TOTAL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，纖維素焊條僅限用于X56及以下鋼級管道，不允許用于連頭口焊接和返修焊接。TransCanada標(biāo)準(zhǔn)限定返修焊縫纖維素焊條允許使用的最高鋼級為X52，最大壁厚為7 mm。

中石油線路焊接新版CDP僅對X70及以上鋼級管道焊接規(guī)定不允許使用纖維素焊條。建議參考國外標(biāo)準(zhǔn)要求，對不同鋼級和壁厚、以及返修焊、連頭焊提出更嚴(yán)格的纖維素焊條使用限制，并對目前使用纖維素焊條的工藝進(jìn)行梳理。

2.3 工藝評定的有效范圍

2.3.1 材料成分及供貨狀態(tài)

油氣管道現(xiàn)場焊接條件差、難度大，母材、焊材和工藝參數(shù)對焊縫的質(zhì)量影響大，因此管道焊接標(biāo)準(zhǔn)對焊接工藝評定的有效范圍提出了嚴(yán)格的限制。從被焊管材的角度，這是影響焊接質(zhì)量的首個重要因素，重要因素變化需要重新進(jìn)行工藝評定。API 1104標(biāo)準(zhǔn)僅提出強(qiáng)度級別的因素，ISO 13847除了強(qiáng)度等級因素，增加了碳當(dāng)量因素。國外油公司標(biāo)準(zhǔn)在基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)上提出了更多的限制。

SHELL補(bǔ)充焊接工藝評定的重要因素：1)碳當(dāng)量CEIIW增加超過0.03，Pcm增加超過0.02；2)重要管道材料制造商的變化；3)材料熱處理狀態(tài)變化(TMCP、Q+T、正火)。

BP補(bǔ)充焊接工藝評定的重要因素：1)管子、閥門、法蘭和管件來源于不同的制造廠、用不同供貨商材料制造、不同的供貨狀態(tài)；2)改變鋼帶、鋼板、管子和鍛件的制造裝置；3)改變鋼的冶煉、板材軋制、鍛件和鋼管的制造方法；4)鋼級大于等于X80，成分變化引起碳當(dāng)量改變：±0.03CEIIW或±0.02Pcm。

TOTAL補(bǔ)充焊接工藝評定的重要因素：1)材料來源、供貨狀態(tài)、制造技術(shù)路線；2)軋制、鍛造、鑄造的改變；3)每一組中，高鋼級可以評定低鋼級，反之不行；4)Pcm、CEIIW或碳含量增加大于0.02%；5)工藝評定時選用碳當(dāng)量偏于上限的材料。

我國油氣管道焊接國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、中石油舊版CDP與API 1104一致，沒有考慮管材成分、材料狀態(tài)和生產(chǎn)商的變化，中石油新版CDP增加了碳當(dāng)量的影響，建議參考國外油公司的標(biāo)準(zhǔn)，提出焊接工藝評定材料狀態(tài)和生產(chǎn)商變化的因素。

2.3.2 管徑及壁厚

材料的管徑以及厚度是影響焊接質(zhì)量的另一重要因素，不同的焊接工藝評定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不同的變化有效范圍，見表3。

從表3可以看出，API 1104標(biāo)準(zhǔn)管徑和壁厚的變化范圍大，要求寬松，如工藝評定采用OD 323.9 mm、厚度19.1 mm的管子進(jìn)行，適用的實(shí)際工件OD 60.3 mm、厚度4.8 mm的焊接，從事焊接技術(shù)的人員都知道，這兩種規(guī)格的管子焊接工藝存在很大的差異。有些技術(shù)人員認(rèn)為，NB/T 47014—2011和ASME Section IX標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的適用范圍也大，其實(shí)是沒有完全理解這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中有一條容易被忽視的規(guī)定：當(dāng)規(guī)定沖擊試驗(yàn)時，焊接工藝評定合格后，若t≥6 mm，適用焊件母材厚度的有效范圍最小值為t與16 mm兩者中的較小值。例如，如t=12 mm，適用的實(shí)際工件厚度下限為12 mm，而不是5 mm；如果t=19 mm，適用的實(shí)際工件厚度下限為16 mm，也不是5 mm，這是較為嚴(yán)格的規(guī)定，從焊接熱循環(huán)過程分析有一定的科學(xué)道理。

表3 焊接工藝評定母材管徑和厚度的有效范圍

綜合分析認(rèn)為，對油氣管道線路焊接而言，TOTAL的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定相對合理，建議采用。

2.3.3 焊接電特性參數(shù)

焊接電特性參數(shù)最常用的是焊接電流、電壓和速度，工藝中都有規(guī)定，但現(xiàn)場焊接經(jīng)常超出范圍操作，手工焊和半自動焊現(xiàn)場焊接速度往往不控制。對焊接接頭內(nèi)在性能有影響的熱輸入量參數(shù)，目前有些工藝不規(guī)定，實(shí)際過程也不控制。有的工藝通過控制焊層/道數(shù)量或者厚度間接控制熱輸入量。

焊接電特性參數(shù)對接頭的使用性能有極其重要的影響，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)工藝評定的有效范圍見表4。從表可以看出，API 1104和TransCanada要求最為寬松，對電流、電壓、熱輸入和焊道數(shù)均不控制，因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)不考慮沖擊韌性。NB/T 47014標(biāo)準(zhǔn)如果不考慮沖擊韌性，也不控制這些參數(shù)，但如果規(guī)定有沖擊韌性要求，要求控制熱輸入?yún)?shù)或者單位長度焊道的熔敷金屬體積。其他幾項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)都要求控制焊接熱輸入量的變化。SHELL標(biāo)準(zhǔn)還增加電流、電壓不超出評定范圍±10%的要求。SHELL和TOTAL標(biāo)準(zhǔn)還增加焊道數(shù)的控制要求建議我國的管道標(biāo)準(zhǔn)參考國外標(biāo)準(zhǔn)要求，將熱輸入量作為重要參數(shù)進(jìn)行控制，實(shí)際過程也要監(jiān)控，同時參考國外標(biāo)準(zhǔn)給出焊道數(shù)量的變化范圍要求。

表4 焊接工藝電特性參數(shù)的有效范圍

2.4 焊接預(yù)熱和層間溫度以及焊后熱處理

焊接預(yù)熱和層間溫度、焊后熱處理對防止焊接裂紋、改善焊縫的組織和性能有重要的作用，尤其對高強(qiáng)度、大壁厚管道而言更加重要。對此國外管道標(biāo)準(zhǔn)有一些好的做法和詳細(xì)規(guī)定。

BP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：1)管徑大于500 mm的線路焊接，必須采用感應(yīng)加熱方式進(jìn)行預(yù)熱；2)預(yù)熱溫度要求80 ℃以上的線路焊接，不允許采用手工火焰槍方式預(yù)熱；3)預(yù)熱要均勻，測量位置距離坡口邊緣最少75 mm，沿圓周至少90°測量一次；4)為了保證熱透，預(yù)熱測量的時機(jī)要在熱源離開超過一定的時間(每12.7 mm壁厚 1 min)進(jìn)行；5)預(yù)熱溫度不應(yīng)超過工藝要求的最低預(yù)熱溫度+50 ℃；6)焊接開始前應(yīng)立即確認(rèn)預(yù)熱溫度，并在焊接過程中確認(rèn)整個接頭周圍的預(yù)熱溫度；7)層間溫度在開始焊接的位置邊緣處、電弧通過前測量；8) 預(yù)熱/層間溫度測量方法，采用通過蠟或者漆顏色變化的測溫方式不允許使用，推薦采用熱電偶、校準(zhǔn)的接觸式或光學(xué)高溫計(jì)測量；9)如果工藝文件有規(guī)定，要進(jìn)行焊后熱處理，并給出熱處理操作的要求。

TOTAL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：1)預(yù)熱溫度按工藝文件執(zhí)行，要考慮管材制造商的材料焊接性試驗(yàn)結(jié)果；2)對連頭和返修焊，不論鋼級最低預(yù)熱溫度為100 ℃，返修焊時預(yù)熱溫度比正常焊接溫度高15 ℃；3)施工過程中，整個周圈的溫度不能低于工藝評定時的預(yù)熱溫度，也不能高于預(yù)熱溫度+30 ℃；4)不允許采用手工火焰槍方式進(jìn)行預(yù)熱，可采用均勻的氣體火焰或者電熱方式預(yù)熱；5)預(yù)熱溫度測量位置，距離坡口每側(cè)至少50 mm；6)層間溫度考慮最高250 ℃，且不得高于工藝評定時的最高層間溫度，層間溫度在下一層焊道開始焊接前立即測量；7)預(yù)熱/層間溫度測量可采用接觸式測溫儀或熔化型顯示蠟方法測量，通過觀察顏色變化的測溫方式不允許使用；8)對壁厚超過31.8 mm的管子和管件，要求進(jìn)行焊后熱處理(PWHT)，對相關(guān)的母材要進(jìn)行性能試驗(yàn)(拉伸、硬度和沖擊)。

TransCanada標(biāo)準(zhǔn)給出了不同情況下的預(yù)熱溫度(見表5)。并且規(guī)定：1)預(yù)熱的寬度范圍為坡口每側(cè)100 mm ，返修部位為周圍150 mm；2)預(yù)熱溫度測量位置距坡口邊緣38～64 mm；3)預(yù)熱溫度測量時機(jī)，如果采用火焰加熱，要在火焰離開至少15 s后測量；4)禁止焊縫在超過自然空冷速度下冷卻，不允許強(qiáng)制冷卻。

另外，BS 4515-1標(biāo)準(zhǔn)在一個附錄中專門給出了管道焊接預(yù)熱的指南，俄氣標(biāo)準(zhǔn)也給出了很詳細(xì)的預(yù)熱設(shè)備、加熱方式、測溫方法等要求。

表5 TransCanada標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的焊接預(yù)熱溫度

可以看出，國外標(biāo)準(zhǔn)對預(yù)熱/層間溫度控制的重視。我國的大口徑X70、X80天然氣管道建設(shè)期間和運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)了許多焊縫開裂，其中一個重要的因素就是預(yù)熱、層間溫度的測量和控制不規(guī)范，焊后不進(jìn)行熱處理。建議參考國外標(biāo)準(zhǔn)，對預(yù)熱、層間溫度的加熱方式、測量和控制等進(jìn)行規(guī)定，同時，對大壁厚接頭焊接提出焊后熱處理要求。

2.5 焊接返修

近年來開展的X70、X80天然氣管道開裂失效分析結(jié)果表明，約60%的失效事故與焊縫返修有關(guān)，與正常焊接相比，焊縫返修過程的方法、材料、熱循環(huán)、應(yīng)力狀態(tài)等更難保證接頭的質(zhì)量，對焊縫的返修工藝應(yīng)引起重視。國外油公司標(biāo)準(zhǔn)對返修焊有較詳細(xì)的規(guī)定，對保證返修焊縫的質(zhì)量有重要意義，而我國的管道標(biāo)準(zhǔn)對返修的規(guī)定較少，國外標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值得參考。

1)所有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，焊縫檢測中發(fā)現(xiàn)的裂紋(弧坑裂紋除外)不允許返修，要求割口重焊，這一點(diǎn)在施工和監(jiān)理過程中應(yīng)嚴(yán)格控制。

2)返修焊接預(yù)熱溫度要比正常焊接更高。如SHELL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定返修焊預(yù)熱溫度比主工藝至少高50 ℃；TOTAL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，不論鋼級，返修焊比正常焊接預(yù)熱溫度高15 ℃，且不得低于100 ℃；TransCanada標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，所有鋼級、所有方法的返修焊，最低預(yù)熱溫度為120 ℃。

3)返修焊接要比正常焊接有更詳細(xì)的操作要求。如TOTAL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：1)返修焊坡口缺陷的去除準(zhǔn)備方法是重要變數(shù)，要規(guī)定缺陷的去除和檢測方法；2)填充和蓋面焊道返修長度至少50 mm；3)同一部位，根部焊道只允許返修1次，其它焊道允許2次；4)整個蓋面焊道的返修，允許采用單道焊，其它(包括內(nèi)部和局部蓋面)返修，如果采用單道焊，要求進(jìn)行單獨(dú)的工藝評定；5)返修允許采用的焊接方法：根焊GTAW、超低氫(5 ml/100 g以下)堿性焊條SMAW(纖維素焊條SMAW不允許用于連頭和返修)，填充+蓋面GMAW、PGMAW、GS-FCAW(需業(yè)主批準(zhǔn))；6)低氫焊條采用真空包裝，且保證打開后8 h不吸潮；7)返修要進(jìn)行專門的工藝評定，區(qū)分不同的情況：全壁厚返修、中部或部分焊縫返修、蓋面焊咬邊返修(局部打磨熔敷單焊道或者去掉全部蓋面焊道)、根部焊道內(nèi)焊返修。TransCanada 也有詳細(xì)的規(guī)定，BS 4515-1標(biāo)準(zhǔn)也有大篇幅的返修焊工藝規(guī)定，我國管道標(biāo)準(zhǔn)對焊縫返修規(guī)定較少。

3 結(jié)論及建議

國外油公司管道焊接標(biāo)準(zhǔn)在焊接方法、材料和工藝等方面有許多嚴(yán)格和詳細(xì)的規(guī)定，對保證現(xiàn)場焊縫的質(zhì)量和管道的安全具有重要作用，值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。對修訂完善我國管道現(xiàn)場焊接標(biāo)準(zhǔn)提出如下建議：

1)加強(qiáng)對油氣管道失效斷裂和變形機(jī)理研究，參考國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，對重要天然氣管道提出屈服的高強(qiáng)匹配及匹配度指標(biāo)要求，以此為準(zhǔn)則進(jìn)行焊接材料強(qiáng)度級別的選擇。

2)焊接材料的進(jìn)場復(fù)驗(yàn)，要進(jìn)行與實(shí)際管材規(guī)格和焊接工藝一致的焊縫力學(xué)性能試驗(yàn)，而不僅僅是進(jìn)行熔敷金屬性能的試驗(yàn)。

3)對不同鋼級和壁厚、以及返修焊、連頭焊提出更嚴(yán)格的纖維素焊條使用限制，并對目前使用纖維素焊條的工藝進(jìn)行梳理。

4)焊接工藝評定要考慮材料成分、碳當(dāng)量、熱處理狀態(tài)和生產(chǎn)商變化的因素。

5)焊接工藝將熱輸入量作為重要參數(shù)進(jìn)行評定和控制，實(shí)際過程也要監(jiān)控，同時參考國外標(biāo)準(zhǔn)給出焊道數(shù)量的變化范圍要求。

6)對預(yù)熱/層間溫度的加熱方式、測量和控制等進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定，同時，對大壁厚接頭焊接提出焊后熱處理要求。

7)充分重視焊縫返修工藝和監(jiān)督，對返修焊方法、預(yù)熱和操作工藝等補(bǔ)充更詳細(xì)的要求。