輸氣管道焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)體系及分析*

胡美娟，田 野，池 強(qiáng)，齊麗華

(1. 中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077； 2.中國(guó)石油西部管道公司 新疆 烏魯木齊 830013)

0 引 言

焊接工藝評(píng)定是驗(yàn)證施焊單位擬定焊接工藝的正確性、評(píng)定施焊單位技術(shù)能力的重要手段，是控制產(chǎn)品焊接質(zhì)量最重要和最有效的方法和程序之一[1]。目前，石油天然氣領(lǐng)域鋼質(zhì)管道進(jìn)行焊接工藝評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)通常有美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)以及與上述國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)等同或等效采用的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]。這些標(biāo)準(zhǔn)各成體系，適用范圍各異，規(guī)定存在一定差別，但是因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)、歷史等原因在油氣領(lǐng)域并行使用，導(dǎo)致施工單位無(wú)所適從。另外，近年來(lái)自動(dòng)焊工藝在西氣東輸二線、中俄東線等重要輸氣管道工程中大規(guī)模應(yīng)用，其焊接工藝評(píng)定的基本要素同傳統(tǒng)的焊條電弧焊和半自動(dòng)焊存在較大的差異。因此，有必要對(duì)輸氣管道焊接工藝評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)體系及進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)的分析。

1 輸氣管道焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)體系

GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》是輸氣管道現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，自從2015年10月1日起實(shí)施，屬于國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。在標(biāo)準(zhǔn)的11.1.2中規(guī)定：在開(kāi)工前應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)文件提出的鋼種等級(jí)、管道規(guī)格、焊接接頭形式進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，并應(yīng)根據(jù)焊接工藝評(píng)定結(jié)果編制焊接工藝規(guī)程。其中輸氣管道線路焊接工藝評(píng)定應(yīng)符合現(xiàn)行SY/T 4103《鋼制管道焊接及驗(yàn)收》的有關(guān)規(guī)定[3]。

GB 50369—2014《油氣長(zhǎng)輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》是與GB 50251—2015配套的長(zhǎng)輸管道現(xiàn)行的施工和驗(yàn)收規(guī)范，2014-05-29發(fā)布，2015-03-01實(shí)施，屬于國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。本規(guī)范適用于新建或改建、擴(kuò)建的陸地長(zhǎng)距離輸送油氣管道、煤層氣、成品油管道線路工程的施工及驗(yàn)收。不適用于油氣場(chǎng)站內(nèi)部的工藝管道、油氣田集輸管道、工業(yè)企業(yè)內(nèi)部的油氣管道的施工及驗(yàn)收。在標(biāo)準(zhǔn)的10.1.2中規(guī)定：焊接施工前，應(yīng)制定焊接工藝預(yù)規(guī)程，進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。焊接工藝評(píng)定應(yīng)符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) SY/T 4103《鋼制管道焊接及驗(yàn)收》的有關(guān)規(guī)定[4]。

作為強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，GB 50251—2015和GB 50369—2014的配套焊接工藝評(píng)定引用標(biāo)準(zhǔn)SY/T 4103—2006《鋼質(zhì)管道的焊接及驗(yàn)收》是目前的最新版本，2007年1月1日實(shí)施，修改采用API 1104—1999第19版[5]。這存在的主要問(wèn)題就是引用標(biāo)準(zhǔn)的版本過(guò)低，標(biāo)準(zhǔn)中焊接工藝評(píng)定原則和現(xiàn)行的輸氣管道施工采用的焊接方法和焊接工藝嚴(yán)重脫節(jié)，該標(biāo)準(zhǔn)已于2018年被發(fā)布單位國(guó)家能源局廢止。GB/T 31032—2014《鋼質(zhì)管道的焊接及驗(yàn)收》2014年12月5日發(fā)布，2015年6月1日實(shí)施，修改采用API 1104：2010第20版[6]。

API 1104《管道及相關(guān)設(shè)施的焊接》(Welding of Piplelines and Related Facilities)標(biāo)準(zhǔn)是由包括美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)、美國(guó)氣體協(xié)會(huì)(AGA)、管道承包商協(xié)會(huì)(PLCA)、美國(guó)焊接學(xué)會(huì)(AWS)、美國(guó)無(wú)損探傷學(xué)會(huì)(ASNT)的代表以及管子制造商的代表和個(gè)人代表組成的標(biāo)準(zhǔn)編制委員會(huì)編制，由API發(fā)布，作為長(zhǎng)輸管道的現(xiàn)場(chǎng)焊接及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)在世界范圍內(nèi)廣泛使用。其最新版的API 1104為第21版，2013年9月發(fā)布[7]。

綜合分析輸氣管道焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)體系可知，最新版本的輸氣管道設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收的焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)一致，但是標(biāo)準(zhǔn)中指明的配套標(biāo)準(zhǔn)SY/T 4103則版本過(guò)低，行業(yè)默認(rèn)采用GB/T 31032最新版本代替其使用。

2 焊接工藝評(píng)定的基本要素和檢驗(yàn)要求

2.1 焊接工藝評(píng)定的基本要素演變

GB/T 19866—2005/ISO 15607:2003《焊接工藝規(guī)程及評(píng)定的一般原則》共有 5 種對(duì)焊接工藝進(jìn)行評(píng)定的方法，這與國(guó)際焊接標(biāo)準(zhǔn)體系一致[8]。API 1104采用的就是最常用的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)的評(píng)定方式。焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)的目的在于驗(yàn)證用此工藝能否得到具有合格力學(xué)性能(如強(qiáng)度、塑性和硬度)的焊接接頭。焊接工藝評(píng)定的程序?yàn)椋涸诤附由a(chǎn)前，制定詳細(xì)的預(yù)焊接工藝規(guī)程，并對(duì)此焊接工藝進(jìn)行評(píng)定，采用破壞性試驗(yàn)檢驗(yàn)焊接接頭質(zhì)量，并依據(jù)評(píng)定合格的工藝編制焊接工藝規(guī)程。當(dāng)焊接工藝規(guī)程中規(guī)定的基本要素發(fā)生變更時(shí)，重新對(duì)焊接工藝評(píng)定。下面對(duì)API 1104—2013的焊接工藝評(píng)定的基本要素和試驗(yàn)進(jìn)行分析，并對(duì)比其與SY/T 4103—2006和 GB/T 31032—2014的差異。

API 1104—2013適用的焊接方法為焊條電弧焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)電弧焊、藥芯焊絲保護(hù)焊、等離子弧焊、氧乙炔氣焊、閃光對(duì)焊，焊接方式包括手工焊、半自動(dòng)焊、機(jī)械/自動(dòng)焊，以及上述方式的組合。適用的焊接位置為固定焊、旋轉(zhuǎn)焊或其組合。并且明確指出其第5部分為手工焊和帶填充金屬半自動(dòng)焊的焊接工藝評(píng)定要求；第12部分為帶填充金屬的機(jī)械/自動(dòng)焊焊接工藝評(píng)定要求；第13部分為不帶填充金屬的自動(dòng)焊焊接工藝評(píng)定要求(這主要針對(duì)閃光對(duì)焊，我國(guó)輸氣管道應(yīng)用較少，下文不再討論)。另外，在附錄A環(huán)焊縫的基于ECA驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中增加了有斷裂韌性要求環(huán)焊縫焊接工藝評(píng)定的基本要素變更和附加的機(jī)械性能試驗(yàn)。在SY/T 4103—2006中未明確指出焊接方式的分類。

針對(duì)手工焊和帶填充金屬半自動(dòng)焊的焊接工藝評(píng)定要求，其基本要素共有14組，同GB/T 31032—2014。唯一區(qū)別在于國(guó)標(biāo)未明確規(guī)定保護(hù)氣體流量的變化幅度，API 1104—2013定義為額定流量增加或減少20%即發(fā)生基本要素的變更。另外就是國(guó)標(biāo)未引用API 5L，因此母材的分類采用的是屈服強(qiáng)度而不是鋼級(jí)，但是基本內(nèi)容一致。

針對(duì)帶填充金屬的機(jī)械/自動(dòng)焊工藝評(píng)定要求，適用的焊接方法為：(1)埋弧焊；(2)熔化極氣體保護(hù)焊；(3)非熔化極氣體保護(hù)焊；(4)自保護(hù)或者氣保護(hù)藥芯焊絲電弧焊；(5)等離子弧焊；(6)手工和半自動(dòng)焊接方式和上述自動(dòng)焊接方法的結(jié)合。其基本要素共有17組，同第5章相比，增加了管徑、填充金屬絲尺寸和焊后的冷卻方式，這都是根據(jù)機(jī)械/自動(dòng)焊的焊接工藝特點(diǎn)增補(bǔ)的。GB/T 31032—2014則未考慮焊后的冷卻方式。

基于ECA針對(duì)有斷裂韌性要求環(huán)焊縫焊接工藝評(píng)定要求，其基本要素共有18組，同第12章相比，增加了單層焊道熱輸入的要求，但是基本要素控制得更為嚴(yán)格。針對(duì)焊接方法，增加了電弧熔滴過(guò)渡模式的變更；針對(duì)母材的分類則增加了5項(xiàng)具體要求；填充金屬和焊劑、層間溫度、管徑也有更詳細(xì)的規(guī)定。GB/T 31032—2014與其相比基本一致，具體見(jiàn)表1。

表1 API 1104—2013 焊接工藝評(píng)定的基本要素及變更明細(xì)

續(xù)表

2.2 焊接工藝評(píng)定的檢驗(yàn)和試驗(yàn)

API 1104中的焊接工藝評(píng)定是基礎(chǔ)性評(píng)定，評(píng)定試驗(yàn)的目的在于驗(yàn)證采用的焊接工藝能否得到具有合格力學(xué)性能的(如強(qiáng)度、塑性)的焊接接頭[9]。因此針對(duì)手工焊和帶填充金屬半自動(dòng)焊的對(duì)接焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)截取一個(gè)完整焊口，在該焊口進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn)和試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目只有：拉伸(強(qiáng)度)、刻槽錘斷(焊縫斷面缺陷)、面彎/背彎或側(cè)彎(塑性)三種試驗(yàn)類型。針對(duì)帶填充金屬的機(jī)械/自動(dòng)焊焊焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，對(duì)刻槽錘斷試驗(yàn)項(xiàng)目不做要求。當(dāng)焊接工藝為手工焊/帶填充金屬半自動(dòng)焊機(jī)械自動(dòng)焊的組合，則應(yīng)增加刻槽錘斷試驗(yàn)項(xiàng)目。

基于ECA針對(duì)有斷裂韌性要求環(huán)焊縫焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目有：拉伸(強(qiáng)度)、夏比沖擊(韌性)、斷裂韌性(韌性)三種試驗(yàn)類型。其中拉伸試樣采用改進(jìn)的矩形拉伸試樣，試驗(yàn)結(jié)果要求抗拉強(qiáng)度大于鋼管規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度，并且試件不能在焊縫位置失效。夏比沖擊分別在12點(diǎn)、6點(diǎn)及3點(diǎn)或9點(diǎn)各取一組焊縫和熱影響區(qū)試樣，試驗(yàn)結(jié)果要求：(1)最低設(shè)計(jì)溫度下，最小值和平均值大于30 J和40 J；(2)剪切面積大于等于50%。斷裂韌性取樣位置和夏比沖擊取樣位置一致，每個(gè)焊接工藝都應(yīng)在設(shè)計(jì)溫度或者設(shè)計(jì)溫度以下進(jìn)行至少3個(gè)有效試樣的試驗(yàn)，評(píng)價(jià)方法參考BS EN ISO 15653，6個(gè)試樣的最小CTOD值應(yīng)大于0.05 mm才能用該附錄進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.3 焊接工藝評(píng)價(jià)的特點(diǎn)分析

國(guó)內(nèi)輸氣管道焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)主要修改采用API 1104。該標(biāo)準(zhǔn)適用于使用碳鋼鋼管、低合金鋼管及管件，輸送原油、成品油、燃料氣體、二氧化碳、氮?dú)獾冉橘|(zhì)的長(zhǎng)輸管道、壓氣站管網(wǎng)和泵站管網(wǎng)的安裝焊接。針對(duì)的材料主要是API 5L管線鋼，因此對(duì)材料的分組相對(duì)簡(jiǎn)單。但是針對(duì)有斷裂韌性要求的環(huán)焊，其母材分類則增加了大量的細(xì)化規(guī)則，分類太細(xì)，施工單位執(zhí)行起來(lái)難度較大。另外，其焊接工藝評(píng)定因素也相對(duì)簡(jiǎn)單，只有基本因素。不同于其他壓力容器的焊接工藝評(píng)定因素一般分為重要因素、補(bǔ)加因素和次要因素[10]。

針對(duì)手工焊和半自動(dòng)焊焊接工藝評(píng)定的檢驗(yàn)和試驗(yàn)，API 1104只要求拉伸、刻槽錘斷、面彎/背彎或側(cè)彎；自動(dòng)焊不要求刻槽錘斷，檢驗(yàn)塑性的試驗(yàn)就是彎曲試驗(yàn)。在彎曲試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)壓頭直徑D與試件厚度a的比率與彎曲試樣表面延伸率關(guān)系可知，隨著壓頭直徑加大，試樣拉伸表面中熱影響區(qū)、熔合區(qū)和焊縫區(qū)的延伸率趨于接近。API 1104采用的導(dǎo)向完全試驗(yàn)的壓頭直徑為90 mm，常用管線鋼厚度同彎頭直徑比達(dá)到7，焊縫處的延伸率僅為13.5%，試驗(yàn)嚴(yán)格程度與其它壓力容器類標(biāo)準(zhǔn)相比較低[11]?；贓CA針對(duì)斷裂韌性要求環(huán)焊縫焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，則增加了夏比沖擊和CTOD試驗(yàn)。由于CTOD試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)的普及性較低，國(guó)內(nèi)輸氣管線焊接工藝評(píng)定往往僅做沖擊韌性試驗(yàn)，而不進(jìn)行CTOD試驗(yàn)。

3 結(jié) 論

本文在對(duì)輸氣管道焊接工藝評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)體系演變進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，分析了最新版本API 1104—2013針對(duì)焊接工藝評(píng)定的基本要素和試驗(yàn)的要求，得出了以下結(jié)論。

1)輸氣管道強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中指明的配套標(biāo)準(zhǔn)SY/T 4103的版本過(guò)低，且已廢止，建議采用GB/T 31032最新版本代替。

2)API 1104—2013的常規(guī)焊接工藝評(píng)定為基礎(chǔ)性評(píng)定，焊接工藝評(píng)定因素單一，評(píng)定試驗(yàn)項(xiàng)目簡(jiǎn)單，建議具體工程工藝評(píng)定應(yīng)增加試驗(yàn)項(xiàng)目。

3)API 1104 基于ECA針對(duì)有斷裂韌性要求環(huán)焊縫焊接工藝評(píng)定的基本要素變更增加大量細(xì)則，建議國(guó)內(nèi)的輸氣管道工程在采用時(shí)，應(yīng)綜合考慮實(shí)際焊接工藝和焊接方式，制定合適的工藝評(píng)定準(zhǔn)則。