山地管道焊接质量控制难点及应对措施

2020-09-10王学军刘铠

电焊机 2020年2期

王学军　刘铠

摘要：由于山地地势陡峭、管道运输困难、施工空间狭窄、大型施工设备无法到达等特点，导致山地管道焊接具有焊接环境恶劣、焊接空间狭小、焊接技术难度大等质量控制难点。通过在中缅、中贵等山区项目采用控制焊接环境湿度、对号入座弯管安装工艺、管道级配、弯管焊接控制工艺、DR检测技术、6G位焊工考试等质量控制措施，有效控制了山区管道焊接质量，为以后的山区管道施工质量控制提供了有效借鉴。同时，提出了加大山区管道全自动焊接设备与工艺的研究，指出了山地管道全自动焊接技术研究方向。

关键词：焊接质量;难点;应对措施;山地管道

中图分类号：TG457.6 文献标志码：B 文章编号：1001-2303（2020）02-0076-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.15

0 前言

隨着我国能源需求的日益增加，石油天然气长输管道建设已经达到12.5万km，西北、东北、西南和东南沿海四大石油天然气进口通道已陆续开通，国内基干管网逐步形成，部分区域性天然气管网正逐步完善，形成了覆盖我国大部分省市的国家管网，为我国经济发展和环境保护发挥了重要作用[1]。

我国是多山国家，根据2017年4月中国第一次全国地理国情普查领导小组公布的我国陆地国土各类地形地貌的面积和空间分布数据，山地面积占国土面积的43.65%，大量管道建设在山区[2]。近年来我国先后建成了中缅油气管道、川气东送管道、忠武管道、中贵联络管道、兰成渝成品油管道、兰成原油管道、西气东输管道、陕京输气管道等一大批山地管道。本文通过分析山区管道建设过程中的焊接质量控制难点并制定应对措施，成功应用于中缅、中贵管道焊接，取得了良好的效果。

1 山地管道特点

长输管道穿越多山地区，由于山地地势陡峭、管道运输困难、施工空间狭窄、大型施工设备无法到达等问题，山地管道施工难度大、工效低、成本高、安全和质量控制难度大。

（1）管道设计选择路线受限，存在管道路线大多处于狭窄的沟谷中、山梁上，穿跨越河流、沟渠和山体，无法避让地震带等困难，变坡点多、弯管多、穿跨越多等复杂段面大量存在。

（2）管道施工存在作业空间受限、环境恶劣，施工设备使用受地形限制，存在无法大规模使用机械化、自动化设备，沟下焊接塌方滑坡多、焊接位置局限、特殊施工方法多、施工技术要求高等因素，施工安全风险大、工效低。

（3）管道生产运行中，山地地形地貌容易因暴雨、地震、大风、岩石风化、地壳蠕动、地下地表水运动等各种外部因素，造成管道所处位置发生运动，使得管道受到外力作用而产生应力和应变，容易形成高后果区和高风险区，给管道安全运行、周边区域群众生命和财产安全以及环境保护带来极大隐患。

（4）山地管道本体质量要求高、辅助工程量大、技术要求高等因素造成建设难度大，投资成本高。

2 山地管道焊接质量控制难点

管道焊接是保证管道正常运行最重要的工序，从近年来国内出现的管道泄露事故统计数据分析，24%是管道焊接质量造成的，给管道运行安全和沿线人民群众的生命财产安全造成了很大危害。因此，分析管道焊接质量控制难点，制定应对措施是确保管道安全运行的重要课题。

（1）焊接环境恶劣。山地管道地处多雨雪地区，环境湿度大，风大、路滑、土质疏松[3]，突发暴雨大风等天气较多，需要大量可靠的防雨防潮措施。据统计，西南、华南等南方山区雨季影响施工的比例达到54%;中缅管道建设期内，全年雨季影响比例为38%;中贵联络线建设期内，雨季影响比例为46%。雨雪天气带来的高湿度环境容易造成焊接材料受潮、焊接熔池气体保护效果减低等问题，出现较多气孔等焊接缺陷。

（2）焊接空间狭小。山区管道焊接大多处于沟下焊，且石方较多，管沟成型困难，局部地方处于陡峭山壁上，需要做临时支撑或者保护措施，焊接空间狭窄。不良的焊接环境对焊接操作人员的技能发挥和心理影响较大，直接影响焊接质量。

（3）焊接技术难度大。山区管道处于倾斜状态时，焊接熔滴、熔池由于受重力影响，使焊缝双侧成形发生巨大变化，极易出现未焊透和坡口单侧未熔合等缺陷。因此，必须调整水平位置焊接的焊枪角度、焊接参数和坡口两侧停留时间，并进行焊工培训和考试。

（4）变壁厚、穿跨越、施工难度高。山区管道地形起伏大，施工中常会遇到纵向、横向和叠加坡度，管道弯头、弯管多，穿跨越多[4]。弯管和穿跨越段管道均为大壁厚，每处弯管和穿跨越均有变壁厚焊接，根部焊接质量控制难，容易出现未焊透、错边等缺陷。

（5）“死口”和“金口”数量多。山区管道由于工效低大多采取小机组多断面作业，每个断面之间的连头都是“死口”。同时高程变化频繁，水试压断面划分多，不试压的“金口”远多于平原。

（6）采用机械化和自动化装备施工困难，施工工效仅为平原地区的1/4。平原地区大规模使用机械化大流水作业、全自动焊接，如陕京输气管道DN1200管道采用16机组全自动焊接流水作业，平均工效可达20道焊口/天;在山区地段使用6机组小流水作业，平均工效仅为2道焊口/天，局部困难段仅能使用2机组作业，平均工效仅为0.6道/天，工效大幅降低。

（7）线路施工过程具有流动性特点。施工过程随着施工地点和施工进度的变化而变化，在山地管道的变化更加明显，每个桩号断面的管道倾斜角度、沟下空间等均会发生较大变化。焊工每天都要适应不同的工作环境，难免影响焊接质量。

3 山地管道焊接质量控制措施

3.1 焊接环境控制

山区施工时会大量出现雨雾天气，环境湿度对焊接质量影响很大，容易造成焊丝焊条受潮或者锈蚀，产生焊缝气孔等缺陷。因此，现场必须设置高标准的焊材库，并配备焊材烘烤设备和环境温湿度监控仪器。当环境湿度大于60%时，当日未使用完的药芯焊丝应从设备上拆除并进行干燥密封保存。一般环境时，应对设备上的焊丝焊条采取防雨防潮措施。

3.2 组对工序控制

山区管道大量使用外对口器，它对组对工序质量影响很大，要求具有坡口间隙调节功能，以保证管道组对后，管口不能有管道轴向、径向移动。严禁点焊固定后通过摆动管道来调节管口间隙。根焊采用均匀对称焊接，保证管口间隙均匀，且根焊大于50%后方可拆除外对口器。同时，确保管道吊装设备和管道支撑保持稳定，直至热焊完成方可移除吊装设备，但必须保证移除过程中焊口受力均匀，并保持管口支撑，避免焊接过程中焊缝承受外部应力。

使用预制和对号入座工艺，要求对管道进行级配，确保管口组对质量是保证根焊质量的关键。采取措施：（1）测量每一根管道管口的周长，每一个焊口两端管口周长差不超过2 mm;（2）严格控制每一个管口的椭圆度偏差在4 mm以内;（3）管口噘嘴最大径向偏差不得大于1 mm。以上指标均大于国家和行业标准，通过严格的选管级配，提高山地管道的组对和根焊质量。

3.3 弯管焊接控制

山地管道施工特点之一是变坡点多，弯管安装数量大且复杂。据统计，大型管道中复杂山地管道热煨弯管数量平均为8～10个/km，在中缅管道改线段弯管达到16个/km。变壁厚焊口是管道建设中特别容易出现焊接质量问题的“三口”之一，通常热煨弯管的壁厚比直管高一个等级，必须采用加工内坡口的方式保证焊口组对的根部对齐质量，山区管道特别要求弯管出厂时对管口进行机械校圆，采用机械加工方式加工内坡口。弯管安装前精确测量管沟，采用对号入座技术和偏心冷弯管连接管线工艺[5]，提前进行弯管与直管预制，减少现场组对焊接工作量。组对弯管时，采取固定弯管滚动装置，防止组对和焊接时出现径向位移。

3.4 焊缝检测控制

山地陡坡段管道焊口返工难度极大，为减少焊口返修和割除，除选用技术精湛的焊工外，焊接完成后应立即检测焊缝，及时处理缺陷，并在24 h后再进行复检。在中缅管道改线工程陡坡段施工中首次采用了DR检测技术对热焊完成后的焊口提前进行检测，现场及时发现根部缺陷并处理，大大提高了施工工效，避免了因根焊不合格割除而产生的“死口”。

3.5 其他控制措施

（1）6G位焊工考试。参加山地管道施工的焊接机组，由于焊接条件较差，大部分是沟下焊，常常在陡坡段施工，焊接位置多为非水平位置，甚至需要进行横焊缝焊接。要求焊工必须进行6G位培训考试，方能参加山地管道焊接。

（2）焊接电缆选型。山区管道焊接受地形限制，发电设备距离焊机会比平原地区远，焊接线缆也较长，现场焊接参数与焊接工艺规程规定焊接参数会有部分差异，制定焊接工艺规程时必须对焊接电缆的长度和型号进行试验比较，提出加长焊接电缆的参数规定。要求焊接线缆应根据长度选择型号，一般线缆长度控制在30 m以内，选择不小于50 mm2规格的线缆，如果线缆长度超过30 m，选择不小于75 mm2的线缆。

（3）穿堂风防止。山区地势复杂，气候变化大，自然形成风向多变，极易形成穿堂风，可采取满焊封堵，加大预制量、合理安排工序、择时段施工的措施来确保焊接质量[6]。

3.6 开展山区全自动焊接研究，推广自动焊应用

为了提高焊接质量，减少人为因素的影响，从“西气东输一线”开始，大型管道建设中均尝试在平原地段应用全自动焊接工艺。随着国产焊接设备、焊接材料及焊接工艺的逐步成熟，全自动焊接应用越来越广泛。在中俄东线天然气管道建设中已经全面推广全自动焊接技术，并采用信息化控制技术实时采集焊接工艺参数进行控制和调节[7]，管道建设工效和质量逐步提高。而在山区地带，受限于特殊作业环境，传统自动焊设备难以进行施工作业，全自动焊接在山区管道施工应用尚为空白[8]，国内西南管道、管道局、四川油建、熊谷焊机等单位为此开展了许多前期研究工作，分别在运布管装备、组对设备、全自动焊接设备、特殊施工工艺等方面取得了一些成果，但在内焊机、内对口器、吊管机和移动电站等施工设备的最大爬坡能力、安全制动、精确定位以及焊接质量控制等方面还需进行大量的研究和试验。

4 应用情况

在中缅油气管道国内段某标段，山区段焊接长度484 km，44 794个焊口，通过采取以上措施，焊接一次合格率为97.97%，已安全运行5年。中贵联络管道工程某标段，山区管道焊接长度215 km，21 432道焊口，焊接一次合格率为97.3%，已安全运行7年。

5 结论

（1）山区管道焊接具有焊接环境恶劣、焊接空间狭小、焊接技术难度大、采用机械化和自动化装备施工困难、具有流动性等质量控制难点。

（2）山区管道采用控制焊接环境湿度、使用预制和对号入座的弯管安装工艺、管道级配、弯管焊接控制工艺等控制措施，可以有效地控制管道焊接质量。

（3）山地陡坡段管道焊口采用DR检测技术对热焊完成后的焊口提前进行检测，现场及时发现根部缺陷并处理，避免产生“死口”，提高了焊接质量。

（4）山区管道焊接必须进行6G位焊工考试，根据焊接距离与工艺结合确定焊接电缆选型，采取防止穿堂风等措施进行控制，有效提高焊接质量。

（5）通过加大山区管道全自动焊接设备与工艺的研究，推广全自动焊接技术的应用，可以有效提高焊接质量。

参考文献：

[1] 王小强，王保群，王博. 我国长输天然气管道现状及发展趋势[J]. 石油规划设计，2018，29（5）：1-6.

[2] 第一次全国地理国情普查公报发布[J]. 城市规划，2017（5）：1.

[3] 岳远明. 长输管道常见焊接缺陷分析及质量控制[J]. 中国化工贸易，2012（4）：79.