油气管道环焊缝焊接施工应关注的问题及建议*

2014-03-30隋永莉曹晓军胡小坡

焊管 2014年5期

隋永莉，曹晓军，胡小坡

（1.油气管道输送安全国家工程实验室，河北廊坊065000；2.中国石油天然气管道科学研究院，河北廊坊065000；3.中国石油天然气管道局安全环保部，河北廊坊065000；4.中国石油天然气管道建设项目经理部工程管理处，北京100084）

0 前言

近年来，管道建设用钢管的强度等级、管径、壁厚和输送压力不断升级，这对管道现场焊接施工技术提出了新的挑战，也使得高钢级管道环焊缝的质量与安全问题突显，成为制约管道发展的瓶颈。

长输管道现场焊接施工的特点主要表现为焊接场所始终处于动态条件下，焊接施工的自然环境和人文环境复杂多变，焊接过程中管段固定条件不稳定，焊接操作包括了 “平、立、横、仰”全位置，焊接工艺方法种类多样等。这些都是影响环焊缝焊接质量与安全的主要因素。此外，不同焊接作业机组间管道闭合的连头焊接、不合格焊缝金属的返修焊接、高寒地区的冬季焊接、地质条件本身存在的沉降和滑移等特殊地区的管道焊接，也是油气管道环焊缝焊接施工应关注的问题。

1 管道环焊缝焊接施工应关注的问题

1.1 连头焊接

根据《石油工程建设基本术语》的规定，连头焊口是指用一段钢管将两个相邻固定管道连接在一起的焊接接头，俗称死口（tie-in，即为受拘束的、不能自由活动的）。连头焊口中有一种不能参与管道试压的特殊焊口，称为金口（golden joint），大多处于新老管线连接处，或先管道试压、清洗再安装的管道连接、仪表等位置。

但在实际管道建设过程中，“连头”还有着更为广泛的意义。作业机组通常将所进行的后期管道闭合连接的焊接作业统称为 “连头”作业，涉及到的焊口既有线路焊口（焊口一侧为自由端），也有真正意义的连头焊口（焊口两侧均为固定端），此时所采用的焊接工艺应该是有所不同的，分别为线路焊接工艺规程和连头焊接工艺规程。

本研究所讨论的连头为受拘束的、不能自由活动的焊口的焊接。连头焊口由于在坡口尺寸精度、组对管段轴线角度、焊接过程中温差变化、位置空间不利于操作等技术方面受到限制，在保证焊接质量上有难度，常常存在着安全隐患。近年来我国的管道建设投产过程中发生的生产安全事故很大一部分是与连头焊口的焊接质量问题相关的。因此，应从技术角度和管理层面对此投入更多的关注。

1.2 返修焊接

在业界焊缝返修与修补往往是人们争论的话题，包括技术上的、管理上的以及所带来的质量与安全风险的差异。笔者认为，返修是指对通过目视检查、无损检测等方法发现的焊缝缺陷（如未熔合、气孔、夹渣等），在受控的状态下由返修焊工采取打磨和焊接来完善焊缝质量的手段。修补是指对焊接过程中发现的表面缺陷（如根部烧穿及未焊透、表面气孔和夹渣、咬边、余高不足等），由焊工自行通过打磨和焊接以保证焊接质量的手段。

从对焊接质量影响的角度考虑，返修与修补的不同之处主要在于所承受的拘束应力的不同。返修多为多层焊接，需对多层、甚至是全壁厚焊缝金属进行打磨、焊接，才能完全清除缺陷，修补多为表面打磨或单层焊接，如根焊、表面焊或填充焊的某一层。另外，返修焊口的两侧多为长管道固定端，修补焊缝的一侧多为一根钢管自由端。因此，返修焊接过程中受到的拘束应力远高于修补焊缝。

焊口承受的应力和返修焊工的操作水平对返修焊接质量具有很大的影响。为避免焊接接头产生裂纹缺陷，返修焊接应在受控状态下，由具有返修资格的焊工按照返修焊接工艺规程进行焊接，并严格执行规定的最小修磨长度、预热方法、预热温度和无损检测方法等。

1.3 高寒地区的冬季现场焊接

NB/T 47015—2011规定初始的焊件温度不应低于-20℃，当焊件温度为-20～0℃时，应在始焊处100 mm范围内预热到15℃以上。俄罗斯干线管道建设标准СНИП III-42-80规定环境温度不低于-50℃时允许进行焊接作业，环境温度不低于-40℃时允许进行管道吊装等机械作业。而API 1104，SY/T 4103，SY/T 4125和GB 50369等油气管道建设标准规定焊接环境温度不应低于焊接工艺规程的规定温度。

从国内外管道工程的施工经验可以看出，在施工人员能够耐受的低温环境条件下可以进行焊接施工。如前苏联的乌连戈依—中央输气管道系统经过永冻土区的施工，美国阿拉斯加管道工程经过北极圈内的永冻土区施工，加拿大阿尔伯塔省北部地区北极圈内等，焊接施工的最低环境温度达到了-46℃。我国建设的俄罗斯远东—太平洋管道工程、哈萨克斯坦肯基亚克盐下油田管道工程、西部原油成品油管道工程、西气东输二线西段管道工程及漠大线管道工程等，焊接施工的最低环境温度达到了-28℃。

环境温度较低时，高强度管线钢环焊缝焊接存在的主要问题包括：①焊缝冷却速度加快，出现淬硬组织，冷裂纹敏感性相应增加；②低温环境下预热效果变差，保持焊缝道间温度困难，增加焊缝一次结晶的区域偏析，在较大的拉应力场作用下焊缝中心易发生结晶裂纹；③严寒、冰雪天气使施工机具、焊接设备的可靠性降低；④焊工对寒冷的耐受力直接影响焊接质量。

1.4 沉降和滑移等地质条件下环焊缝承载状态

相同输送压力条件下，随着管道钢管强度等级的提高、直径的增大、壁厚的减薄，钢管的径厚比增大，管道稳定性降低，管道环焊缝受外部载荷的影响而发生破坏的概率增大。

在只承受内压的情况下，环焊缝水压试验时所承受的轴向应力最大，约为环向应力的1/2，而在管道正常运行过程中所承受的轴向应力则约为环向应力的1/3，这也就意味着经过水压试验的环焊缝完全有能力承受管道运行过程中的内压。

当环焊缝承受了内压以外的其他外部载荷（如强力组对、地质沉降和土壤滑移等侧向应力）时，其所承受的轴向应力大大增加，在应力集中作用的影响下易在焊缝根部或近缝区发生开裂。因此，对环焊缝的焊接工艺设计、管口组对质量应给予更多的关注。

2 管道环焊缝焊接施工建议

2.1 连头和返修的根焊宜采用上向焊

上向焊和下向焊是根据焊接时的焊接方向来区分的。由于焊接熔池为液态，具有向下流动的重力属性，为了能够托住熔池一般都采用上向焊，上向焊也被称为传统焊。下向焊时需要采用专用的焊接材料，如纤维素型焊条、专用低氢型焊条等，下向焊具有熔池粘度大、可快速凝固的特性，焊接速度快。近年来，随着管道建设的快速发展，下向焊方法被越来越多的焊工所掌握，尤其是纤维素型焊条下向焊、自保护药芯焊丝半自动下向焊等，传统的上向焊方法反倒逐渐减少。

目前管道建设使用的一些焊接材料（如纤维素焊条），既可进行下向焊也可进行上向焊。纤维素焊条下向根焊时的对口间隙为2.0 mm左右，焊接速度快，焊层厚度约2.0 mm，该方法大多用于顺序组对焊口的根部焊接。纤维素焊条上向根焊可适应的对口间隙为3.5 mm左右，焊接速度较慢，焊层厚度约3.0 mm，该方法多用于管道连头、返修和管口组对质量不能保证焊口的根部焊接。

采用小直径焊条上向焊进行连头和返修根焊的方法，首先可更好地适应由于现场切割、管口椭圆度、温差变化和外对口器组对等因素造成的组对坡口尺寸误差，焊工容易通过变化运条方式、降低焊接速度等手段保证根焊质量；其次，可将根焊道最后的封口留在有利于焊接操作的位置，避免最后一段闭合缝焊接时因管内外剧烈的空气对流而产生焊接缺陷；最后，可保证根焊层的厚度，避免拆除外对口器时因拘束应力过大而引发焊接裂纹。

现场施工过程中，当实际的连头或返修管口的组对坡口尺寸精度良好时，技艺高超的焊工会采用下向焊的方法完成根部焊接（与顺序组对焊口的焊接工艺相同），以快速完成管道闭合，此时若经后续监督环节验证焊缝质量合格，则不会对管道的本质安全造成重大影响。但也存在这样的情况，即同一焊口中坡口尺寸良好的位置（如立焊）采用了下向焊方法根焊，而其他坡口尺寸较差的位置（如平焊或仰焊）又采用上向焊方法根焊，此时会因焊接方向和焊接顺序的变化而导致焊缝金属产生过大的残余应力和焊接变形，具有一定的质量与安全风险。

2.2 返修焊的填充、盖面不应采用自保护药芯焊丝

自保护药芯焊丝半自动焊的焊接速度快，合格率高，是我国管道建设中普遍使用的焊接方法。但返修焊口由于拘束应力大、焊接长度短、焊接位置多不利于操作等原因，成为整个管道的最薄弱环节，若采用自保护药芯焊丝进行填充、盖面，存在着环焊缝韧性难以保证的不利影响，且这种焊缝金属性能的变差只能通过破坏性试验才能检验到，不能通过后续的无损检测环节发现。其带来的管道运行安全隐患为，焊缝金属中的焊接缺欠有可能由于韧性差而在外力的作用下发展为裂纹源。

自保护药芯焊丝的返修焊缝韧性难以保证，首先是由于道间温度的影响，返修焊缝长度较短，焊接过程中常超过80～120℃的最佳道间温度，使得焊缝金属韧性的稳定性变差。其次是由于焊接操作稳定性的影响，返修焊接大多在仰焊位置，操作难度大，有的焊工需要采用小电流、灭弧法才能形成满意的外观成形，但这却造成了电弧稳定性差、焊缝金属中氮含量高导致焊缝金属韧性下降。最后是由于焊缝接头的影响，自保护药芯焊丝半自动焊工艺固有的缺点是焊缝金属韧性离散，一般的分析认为与母材冶金成分、药粉灌装均匀性、焊接稳定性等条件相关，返修焊缝段接头层叠，韧性更差。

因此，对于X65及更高强度级别的管道，推荐采用扩散氢含量低、焊缝金属性能稳定的低氢型焊条上向焊或低氢型焊条下向焊的方法进行焊接。由于低氢型焊条下向焊的焊接工艺性能差，对焊工的技能水平要求也高，所以返修焊接大多采用低氢型焊条上向焊的方法。

2.3 高寒地区现场焊接

高寒地区管道建设过程中，当环境温度低至钢管或环焊缝的韧脆转变温度以下时，将发生脆性破坏的危险，应在设计、钢管采购及焊接工艺评定等环节就对可能遇到的最低施工环境温度给予充分的考虑。

吊管机、推土机、挖掘机、对口器、坡口机、焊接工程车、焊接电源等机具和设备，在-20℃以下的环境下将会出现发动机启动困难或不能启动，传动、液压和电器系统不能正常工作等问题，应提前做好防护措施。如油管、气管、液压管要适合低温环境；采用燃油加热器或电加热器对设备的发动机、燃油箱、燃油管路、液压油箱及管路进行启动前的预热；进入冬季前更换低温用润滑油、液压油、柴油和冷却液；对口器在空压机出口处加装空气干燥器或酒精罐，防止供气回路结冰，影响使用等。

焊接作业应在防风棚或保温棚内进行，环境温度低于-20℃时宜采用小流水作业的施工方式，有利于保证层间温度，同时可避免未完成焊口在低温环境下长时间放置，并可在施工现场采用埋弧焊或气保护自动焊进行 “二接一”、 “三接一”的预制。焊口预热、道间温度保持应采用中频感应加热装置。

寒冷环境中，焊工受劳动防护品保暖性和轻便性，及人体耐受能力的影响，会使焊接过程更易出现误操作。因此，应加强HSE管理，做好人员取暖、保暖工作。