國(guó)內(nèi)外管道在線焊接安全技術(shù)條件對(duì)標(biāo)研究

蔡亮

中航油京津冀物流有限公司（天津 300300）

十四五期間我國(guó)長(zhǎng)輸管道仍處于快速發(fā)展階段，管道安全是國(guó)家社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題[1]。由于制造施工缺陷、腐蝕和第三方活動(dòng)，管道發(fā)生泄漏事故需進(jìn)行修復(fù)換管[2]。焊接是管體缺陷修復(fù)和換管搶修的關(guān)鍵程序，傳統(tǒng)的停輸搶修方式需要管道降壓、停輸、放空、置換等，造成經(jīng)濟(jì)損失且污染環(huán)境[3]。在線焊接是一種高效、經(jīng)濟(jì)的修復(fù)方法，具有保證管道運(yùn)行連續(xù)性、修復(fù)時(shí)間效率高等優(yōu)點(diǎn)，是管道搶修技術(shù)的發(fā)展方向[4]。管道在線焊接存在管壁燒穿和氫致裂紋的風(fēng)險(xiǎn)[5]，X80鋼級(jí)對(duì)焊接熱應(yīng)力更敏感，管道設(shè)計(jì)壓力等級(jí)提高對(duì)在線焊接技術(shù)提出更高要求[6]。美國(guó)、俄羅斯在高寒區(qū)管道低溫焊接和在線焊接方面技術(shù)成熟，值得研究借鑒[7]。針對(duì)管道在線焊接的安全技術(shù)條件，包括環(huán)境條件、風(fēng)速、濕度、安全壓力和介質(zhì)流速，開(kāi)展國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)標(biāo)分析，并調(diào)研了國(guó)外石油公司管道在線焊接的推薦做法和先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，最后提出了管道在線焊接技術(shù)改進(jìn)建議和措施。

1 國(guó)內(nèi)外焊接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

研究涵蓋管道焊接標(biāo)準(zhǔn)包括國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50369—2014《油氣長(zhǎng)輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》、GB/T 31032—2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》（采標(biāo)API Std 1104—2010）；中石油標(biāo)準(zhǔn)Q/SY GD 1037—2014《油氣管道維搶修技術(shù)及搶修設(shè)備機(jī)具手冊(cè)》。

管道焊接國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)包括美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)API RP2201—2020《石油與石化行業(yè)熱開(kāi)孔作業(yè)安全規(guī)范》、ASME B31.8—2018《氣體輸送和配送管道系統(tǒng)》；俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)РД153-112-014—1997《石油產(chǎn)品干線輸送管道事故和故障處理規(guī)程》、РД558—1997《天然氣管道修理恢復(fù)作業(yè)的焊管工藝指導(dǎo)性文件》、СТОГазпром2-3.5-454—2010《天然氣主干道使用規(guī)則》。

2 焊接環(huán)境條件

2.1 焊接環(huán)境條件國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

1）國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)方面。①GB 50369—2014規(guī)定在下列任何一種環(huán)境中，如未采取有效防護(hù)措施不得進(jìn)行焊接：雨天或雪天；大氣相對(duì)濕度超過(guò)90%；低氫型焊條電弧焊，風(fēng)速大于5 m/s；酸性焊條電弧焊，風(fēng)速大于8 m/s；自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊，風(fēng)速大于8 m/s；氣體保護(hù)焊，風(fēng)速大于2 m/s。②GB/T 31032—2014規(guī)定當(dāng)惡劣氣候條件影響焊接質(zhì)量時(shí)，應(yīng)停止焊接。惡劣氣候條件包括（但不限于）大氣潮濕、風(fēng)沙或大風(fēng)。如有條件，可使用防風(fēng)棚焊接。③Q/SY GD 1037—2014規(guī)定環(huán)境溫度＜0℃，環(huán)境濕度＞90%RH，環(huán)境風(fēng)速＞5 m/s，雨雪天氣，若無(wú)有效防護(hù)措施，不得進(jìn)行焊接作業(yè)。

2）國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)方面。①美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)API RP2201—2020規(guī)定當(dāng)大氣溫度低于-45℃，除非采取特殊應(yīng)對(duì)措施，例如提供臨時(shí)防風(fēng)帳篷、小型加熱器等，否則不應(yīng)進(jìn)行管道在線焊接。②俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)РД153-112-014—1997規(guī)定石油產(chǎn)品干線輸送管道允許在環(huán)境溫度-40℃以上進(jìn)行焊接維修，應(yīng)采取以下防護(hù)措施：焊接場(chǎng)所應(yīng)防風(fēng)防雪；徹底清除組對(duì)管件端部的積雪和殘液，避免熱蒸汽進(jìn)入焊接電弧區(qū)；組對(duì)應(yīng)滿(mǎn)足最小間隙要求，使焊縫根部焊透，避免產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。③俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)РД558—1997規(guī)定在露天場(chǎng)地進(jìn)行作業(yè)，焊接位置應(yīng)進(jìn)行保護(hù)，避免風(fēng)、大氣降水和污染物進(jìn)入。冬季條件下，為了保持作業(yè)區(qū)必要的環(huán)境溫度，應(yīng)使用臨時(shí)可采暖掩蔽所（小型房間、防風(fēng)棚、帳篷）。

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定管道最低焊接溫度為0℃，一般施工環(huán)境溫度低于-5℃禁止施焊，環(huán)境溫度在-5～5℃通常做法是將預(yù)熱溫度提高20～30℃，焊后用石棉被覆蓋焊道[8]。國(guó)外管道低溫焊接溫度最低可達(dá)-40～-45℃。盡管?chē)?guó)外標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布時(shí)間在20世紀(jì)90年代，仍表明國(guó)外管道低溫焊接技術(shù)已非常成熟[9-10]。相比國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格限定焊接作業(yè)溫度、濕度和風(fēng)速條件的做法，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)則通過(guò)配備防護(hù)措施和嚴(yán)格控制焊接參數(shù)，在高寒區(qū)長(zhǎng)輸管道施工普遍采用低溫焊接技術(shù)。

2.2 焊接環(huán)境條件國(guó)內(nèi)外石油公司推薦做法

調(diào)研中石油管道在線焊接的環(huán)境要求是大氣相對(duì)濕度小于90%；環(huán)境溫度高于5℃；低氫型焊條電弧焊，風(fēng)速小于5 m/s；自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊，風(fēng)速小于8 m/s；熔化極氣保護(hù)電弧焊，風(fēng)速小于2 m/s。

國(guó)際能源公司Xodus Group對(duì)在線焊接的環(huán)境溫度、空氣濕度以及風(fēng)速規(guī)定如下：①相對(duì)空氣濕度。如果焊條保存條件良好，對(duì)空氣濕度沒(méi)有特殊要求。②環(huán)境溫度。只要預(yù)熱溫度達(dá)到要求，對(duì)環(huán)境溫度沒(méi)有特殊要求。③采用低氫手工電弧焊（SMAW），風(fēng)速不超過(guò)5 m/s；在不合理風(fēng)速條件下，低氫焊條會(huì)出現(xiàn)氣孔，為了防止產(chǎn)生焊接缺陷，推薦使用焊接帳篷抵御風(fēng)速的影響[11]，如圖1所示。

巴西國(guó)家石油公司Petrobras管道在線焊接也未考慮相對(duì)濕度的影響，認(rèn)為當(dāng)大氣溫度低于露點(diǎn)溫度在管道表面形成水珠時(shí)，可通過(guò)對(duì)管道焊接區(qū)域采取預(yù)熱措施消除水蒸氣的影響。當(dāng)環(huán)境溫度低于-45℃時(shí)，不能進(jìn)行在線焊接。推薦使用防風(fēng)帳篷抵御風(fēng)速對(duì)在線焊接的影響。

圖1 Xodus Group公司焊接防風(fēng)帳篷

英國(guó)Petrofac石油公司也認(rèn)為空氣濕度和環(huán)境溫度對(duì)管道在線焊接影響不大，指出只要保證焊接前預(yù)熱滿(mǎn)足要求，即可防止空氣濕度過(guò)高對(duì)于焊接的影響。針對(duì)低氫手工電弧焊（SMAW）的風(fēng)速條件，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)速條件應(yīng)不高于1.4 m/s，防止低氫手工電弧焊過(guò)程產(chǎn)生氣孔導(dǎo)致焊接不合格。GMAW（熔化極氣體保護(hù)焊）或FCAW（藥芯焊絲電弧焊）則通過(guò)焊接帳篷抵御風(fēng)速的影響。

俄羅斯Petrofac石油公司和Gazprom公司工程中心實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度在-40℃及以上溫度時(shí)進(jìn)行在線焊接，推薦采用防風(fēng)防雨的帆布棚消除風(fēng)速對(duì)在線焊接的影響，采取預(yù)熱措施保證環(huán)境溫度滿(mǎn)足焊接要求。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)10 m/s時(shí)或下雪時(shí)，必須使用防風(fēng)防雨帳篷。

Shell公司規(guī)定在風(fēng)速小于8 m/s時(shí)不需要采取焊接保護(hù)措施。若環(huán)境溫度低于露點(diǎn)溫度，可以對(duì)管道焊接區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱處理。若空氣濕度較高，可以將焊條存放在專(zhuān)用干燥保溫箱中。

國(guó)外石油公司管道焊接對(duì)濕度和溫度沒(méi)有特殊要求，只要焊條保存條件良好、預(yù)熱溫度達(dá)到要求，即可進(jìn)行焊接作業(yè)。在較高風(fēng)速條件下（8～10 m/s）推薦采用防風(fēng)防雨帳篷保證焊接環(huán)境條件，實(shí)際上對(duì)于焊接環(huán)境條件要求更嚴(yán)格。例如英國(guó)Petrofac石油公司手工電弧焊風(fēng)速要求不超過(guò)1.4 m/s，遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值5 m/s，實(shí)質(zhì)上是采用室內(nèi)焊接方式替代露天焊接方式，以保證良好的施工環(huán)境條件。

3 在線焊接管道安全壓力

3.1 在線焊接管道安全壓力國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

中石油標(biāo)準(zhǔn)Q/SY GD 1037—2014規(guī)定原油管道在線焊接，焊接處管內(nèi)壓力宜小于管道允許工作壓力的0.5倍，且原油充滿(mǎn)管道；天然氣或者成品油管道在線焊接，焊接處管內(nèi)壓力宜小于管道允許工作壓力的0.4倍，且成品油充滿(mǎn)管道。上述原則對(duì)于大多數(shù)情形較為保守[12]，如在線焊接管道壓力不滿(mǎn)足上述要求，應(yīng)按照下式確定管道焊接壓力，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

式中:P為在線焊接管道壓力，MPa；σs為管材最小屈服強(qiáng)度，MPa；t為焊接處管道壁厚，mm；c為因焊接引起的壁厚修正值，一般取值2.4 mm；D為管外徑，mm；F為安全系數(shù)，原油成品油管道取值0.6，天然氣管道取值0.5。

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.8—2018規(guī)定對(duì)接環(huán)焊縫存在不可接受缺陷，應(yīng)在停輸情況下進(jìn)行焊接維修。環(huán)焊縫缺陷在線焊接的條件是焊接處未發(fā)生泄漏且管道應(yīng)降壓運(yùn)行，降壓幅度為管材最小屈服強(qiáng)度（SMYS）產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力的20%，且保證管道缺陷打磨后管壁厚度仍大于3.2 mm。

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)СТОГазпром2-3.5-454—2010規(guī)定：如管體存在非穿透性腐蝕缺陷或其他損傷，皺褶、機(jī)械損傷深度小于管壁厚度30%，天然氣管道在線焊接的運(yùn)行壓力不低于管段規(guī)定工作壓力的30%；如管體存在裂紋缺陷、穿透性腐蝕缺陷，皺褶、機(jī)械損傷深度大于管壁厚度30%，天然氣管道焊接維修應(yīng)降至大氣壓力（停輸維修）。

可以看出，針對(duì)在線焊接管道安全壓力，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)較為保守。以天然氣管道為例，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)為管道運(yùn)行壓力的0.4倍，美國(guó)為0.8倍，俄羅斯為0.7倍。

3.2 在線焊接管道安全壓力國(guó)內(nèi)外石油公司推薦做法

調(diào)研中石油做法是管道腐蝕泄漏需要執(zhí)行停輸之后再進(jìn)行維修，天然氣和成品油管道在線焊接要求是焊接處管內(nèi)壓力宜小于該處管道允許工作壓力的0.4倍。

國(guó)際能源公司Xodus Group公司做法是管道發(fā)生泄漏事故執(zhí)行停輸。在線焊接時(shí)管道運(yùn)行壓力相比正常運(yùn)行狀態(tài)需要降壓50%。

美國(guó)Kinder Morgan公司在評(píng)估在役管道焊接安全性時(shí)主要考慮管道壁厚值，如果管道壁厚小于2.5 mm，通常會(huì)對(duì)缺陷管道進(jìn)行停輸換管，而不會(huì)對(duì)管道進(jìn)行焊接維修。管道壁厚大于2.5 mm進(jìn)行在線焊接時(shí)，根據(jù)管壁厚度確定管道降壓程度。美國(guó)Kinder Morgan公司在線焊接管道運(yùn)行壓力見(jiàn)表1。

表1 美國(guó)Kinder Morgan公司在線焊接的管道運(yùn)行壓力

巴西國(guó)家石油公司Petrobras規(guī)定滿(mǎn)足以下條件，可以在不降壓的情形下對(duì)管道進(jìn)行在線焊接：管道無(wú)泄漏，管道壁厚沒(méi)有發(fā)生明顯的減損；管道預(yù)熱溫度在可控范圍內(nèi)，保證在焊接過(guò)程中不會(huì)發(fā)生管道燒穿；管道缺陷區(qū)域?qū)崟r(shí)進(jìn)行超聲監(jiān)控；通過(guò)打磨拋光不能消除管道缺陷。如不能滿(mǎn)足上述條件，則需要在降壓的情況下進(jìn)行在線焊接，降壓幅度為管材最小屈服強(qiáng)度（SMYS）產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力的20%，且保證管道缺陷打磨后管壁厚度仍大于3.2 mm。

英國(guó)Petrofac石油公司認(rèn)為如果管壁厚度大于6 mm，并且能對(duì)管道焊接參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，包括管道預(yù)熱溫度、中間焊道溫度、焊接電流以及焊后熱處理等，則可以進(jìn)行管道在線焊接。管道在線焊接的運(yùn)行壓力需根據(jù)以下幾類(lèi)因素確定：管壁厚度、焊接電流、焊接工人的技術(shù)熟練程度以及焊接流程等。

俄羅斯Gazprom公司針對(duì)缺陷管道進(jìn)行在線焊接時(shí)，參照СТОГазпром2-3.5-454—2010《天然氣主干道使用規(guī)則》執(zhí)行管道降壓程度。根據(jù)管道損壞程度確定焊接時(shí)的降壓幅度。挖掘絕緣損壞的天然氣管道地段前，其內(nèi)壓力應(yīng)降低不少于10%。當(dāng)腐蝕損壞（根據(jù)管道內(nèi)部探傷結(jié)果）未達(dá)到管壁厚度的30%時(shí)，壓力應(yīng)降低至最大工作壓力的30%。當(dāng)腐蝕損壞超過(guò)管壁厚度30%時(shí)，應(yīng)該對(duì)天然氣管道進(jìn)行停輸。

可以看出，國(guó)外石油公司對(duì)管道在線焊接要求更寬松，在不發(fā)生泄漏、腐蝕深度不超過(guò)壁厚30%、嚴(yán)格監(jiān)控焊接參數(shù)條件下，可以進(jìn)行管道在線焊接。國(guó)外石油公司規(guī)定的管道在線焊接安全壓力等級(jí)也高于國(guó)內(nèi)管道企業(yè)規(guī)定值，一般僅需降低運(yùn)行壓力的20%～30%左右[13]，而國(guó)內(nèi)管道企業(yè)則需降低運(yùn)行壓力的50%左右。

4 在線焊接管道安全流速

4.1 在線焊接管道安全流速?lài)?guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

中石油標(biāo)準(zhǔn)Q/SY GD 1037—2014規(guī)定封堵管件焊接時(shí)，管道內(nèi)液體流速不大于5 m/s，氣體流速不大于10 m/s。調(diào)研國(guó)內(nèi)在役管道焊接管內(nèi)介質(zhì)流速推薦值，液體流速不大于2 m/s，氣體流速不大于7 m/s。二者存在差異原因在于，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值從限制焊接熱輸入角度考慮。為保證管道運(yùn)行安全和在線焊接施工安全，施工前調(diào)整管道運(yùn)行參數(shù)，實(shí)行降壓降量運(yùn)行。為保證輸送含蠟原油管道不發(fā)生初凝事故，在線焊接時(shí)間在12 h左右，降壓降量輸送對(duì)管道輸量及經(jīng)濟(jì)效益影響很小。

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)API RP2201—2020規(guī)定針對(duì)壁厚大于12.7 mm的管道在線焊接，流速對(duì)冷卻速率的影響和燒穿的風(fēng)險(xiǎn)是可以忽略的。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.8—2018針對(duì)腐蝕程度較輕的管道缺陷區(qū)域，可使用低氫焊條進(jìn)行填充焊修復(fù)，管道運(yùn)行壓力越高、介質(zhì)流速越快，管道焊接區(qū)域發(fā)生燒穿的概率越小。表2給出了在焊接工藝參數(shù)下（焊接電流100 A、電壓20 V），不同壁厚對(duì)應(yīng)的介質(zhì)安全流速。

表2 典型工況下在線焊接管道安全流速

針對(duì)在線焊接管道安全流速，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于所有等級(jí)管道執(zhí)行統(tǒng)一性要求。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)大口徑管道在線焊接，介質(zhì)流速未做要求；小管徑管道在線焊接則規(guī)定了介質(zhì)流速要求?？梢?jiàn)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)理念更為合理。

4.2 在線焊接管道安全流速?lài)?guó)內(nèi)外石油公司推薦做法

調(diào)研中石油封堵管件焊接時(shí)參照?qǐng)?zhí)行Q/SY GD 1037—2014，管道內(nèi)液體流速不應(yīng)大于5 m/s，氣體流速不應(yīng)大于10 m/s。

巴西國(guó)家石油公司Petrobras在線焊接確定管輸介質(zhì)最小流速，主要考慮其對(duì)管壁燒穿和產(chǎn)生氫致裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)壁厚在6.4～12.7 mm的管道，流速過(guò)快會(huì)增加焊接冷卻速率，容易形成淬硬的熱影響區(qū)。針對(duì)厚度大于12.7 mm的管道，介質(zhì)流速對(duì)于焊接冷卻速率和燒穿風(fēng)險(xiǎn)的影響可以忽略。

英國(guó)Petrofac石油公司在線焊接沒(méi)有最大介質(zhì)流速限制。相對(duì)流速過(guò)高可能產(chǎn)生的應(yīng)力集中和焊縫變硬的風(fēng)險(xiǎn)，指出更應(yīng)關(guān)注預(yù)熱過(guò)程、焊道間溫度等工藝參數(shù)，是否采用精準(zhǔn)電加熱和回火焊工藝，以及焊接后熱處理等方法以降低熱影響區(qū)的硬度。

俄羅斯Petrofac石油公司在線焊接管道內(nèi)液體流速3 m/s，天然氣流速不超過(guò)1 m/s。俄羅斯Gazprom公司根據(jù)管道類(lèi)型、強(qiáng)度和壁厚，介質(zhì)的最大速度標(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別。對(duì)于管道內(nèi)液體流速不超過(guò)5 m/s，對(duì)于天然氣流速不超過(guò)2 m/s。

可見(jiàn)，針對(duì)在線焊接管道安全流速，國(guó)外石油公司要求較為寬松，特別是大口徑管道不考慮介質(zhì)流速的影響。在中小管徑管道方面，相對(duì)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格限定介質(zhì)流速的做法，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于通過(guò)焊接前預(yù)熱、焊接后熱處理以及嚴(yán)格監(jiān)控焊道溫度等方法，避免形成熱影響區(qū)淬硬組織。限定管道安全流速屬于被動(dòng)防御方式，國(guó)外石油公司做法更為合理。

5 結(jié)論及建議

在線焊接是管道維搶修技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，為保證管道焊接質(zhì)量，應(yīng)充分借鑒國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，制定科學(xué)、合理的焊接參數(shù)，嚴(yán)格過(guò)程監(jiān)控技術(shù)。為進(jìn)一步提高我國(guó)管道在線焊接技術(shù)水平，建議如下：

1）普通管道在線焊接執(zhí)行現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中焊接溫度、濕度和風(fēng)速的要求，制定高寒區(qū)管道低溫焊接技術(shù)規(guī)范，包括焊接參數(shù)和防護(hù)措施等。

2）研制適用于高風(fēng)速條件和低溫環(huán)境的防風(fēng)防雨專(zhuān)用焊接帳篷。

3）針對(duì)X80高鋼級(jí)管道，在不發(fā)生泄漏、腐蝕深度不超過(guò)壁厚30%、嚴(yán)格監(jiān)控焊接參數(shù)條件下，即可進(jìn)行管道在線焊接；焊接前管道降低運(yùn)行壓力20%～30%。

4）針對(duì)X80高鋼級(jí)管道在線焊接可不考慮管道流速影響。通過(guò)焊接前預(yù)熱、焊接后熱處理以及嚴(yán)格監(jiān)控焊道溫度等方法，避免形成熱影響區(qū)淬硬組織。

5）管道在線焊接技術(shù)研究重點(diǎn)是輸送介質(zhì)和管壁在高溫高壓條件下的物理化學(xué)反應(yīng)，包括介質(zhì)放熱、管壁滲碳、滲氫和應(yīng)力腐蝕機(jī)理問(wèn)題。X80鋼級(jí)管道焊接接頭應(yīng)力評(píng)估和疲勞失效問(wèn)題也應(yīng)引起重視。

6）管道在線焊接存在很多不可預(yù)見(jiàn)因素，除制定科學(xué)、合理的焊接工藝規(guī)程外，還應(yīng)建立完善的焊接管理體系，確保焊接作業(yè)安全高效進(jìn)行。