由靖西三線談提高長輸管道一次焊接合格率

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司 （四川成都 610041） 宋代詩雨 秦 璇 劉永茜

靖邊至西安天然氣輸氣管道三線系統工程輸氣管道全長約475.8km，設計管徑900mm，輸氣能力90×108m3/a。靖西三線系統工程線路部分一標段于2011年6月10日率先打火開焊，全長99.1 km，主要地形地貌為沙草灘地、淺丘平原和黃土丘陵。由于淺丘平壩地區大部分地段地勢起伏不大，且坡度較緩，而黃土丘陵地區起伏較大，坡度較陡，所以線路工程采用流水化焊接機組和山地機動機組相配合的施工作業方式。

1. 焊接工藝要求

靖西三線主線路管道選用X70鋼級，直徑914mm、壁厚為11.1～19.1mm的3PE防腐鋼管。焊接工藝方法采用SMAW（根焊）+FCAW（熱焊、填充焊、蓋面焊），其中根焊采用焊條手工下向焊，熱焊、填充焊、蓋面焊采用自保護藥芯焊絲半自動下向焊。執行標準采用SY/T4103—2006、Q/SYGJX0110—2007（焊縫外觀檢查及驗收執行GB 50369—2006）。焊接工藝要求如下：接頭及坡口形式為V形對接；坡口角度α=45°～47°；鈍邊p=1.5～1.8mm；間隙b=2.5～4.0mm；錯邊量≤1.7mm；預熱溫度100～200℃；層間溫度50～150℃，無需焊后熱處理；焊縫余高h≤2.0mm，局部不得超過3.0mm；蓋面焊縫寬w保證每側應比坡口表面寬0.5～2.0mm；打磨掉管端螺旋焊縫端部10mm范圍內余高，并平緩過渡；兩管口螺旋焊縫錯開間距≥100mm；坡口兩側每側加熱寬度≥50mm；根焊與熱焊時間間隔≤10min；熱焊、填充焊、蓋面焊的焊絲干伸長度為焊絲直徑的10～15倍。焊接坡口接頭設計如圖1所示，焊道層要求如圖2及表1所示。

圖1 接頭設計

圖2 焊道層

表1 焊接層數

2. 現狀分析

靖邊至西安三線系統工程一標段百口磨合階段共開設5個作業機組。開焊15天后，焊口射線檢測一次合格率偏低，僅為92%，焊口返修共計29處。為此，我們對各類返修缺陷出現的頻次進行分析整理統計，如表2所示。

表2 返修頻次統計

由表2可知，造成一標段百口磨合階段焊口一次焊接檢測合格率低的主要缺陷是返修頻次最高的氣孔，其次是未熔合、夾渣。再結合現場操作實際分析，得出了造成以上四種影響因素的主要原因為現場施工監督檢查工作不到位、施工人員違規操作、現場管理人員未對特殊情況采取相應對策等。

根據分析結果，將焊口一次焊接檢測合格率偏低的原因進行了進一步的要因和非要因分類。

要因方面：第一，焊工在重要施工環節上常常忽視必要施工準備或進行違規操作。第二，技術和施工人員往往依據經驗或標準制定工藝無針對性地進行操作，忽略了具體工程中的焊接工藝評定要求。第三，現場施工管理人員對方法認識不足，質量把關不嚴，缺少對重點環節以及關鍵參數的把控、跟蹤和監督力度。第四，施工現場輔助措施的不完善也是一次焊接合格率偏低的要因之一。在黃土地區工程焊接施工中，需要采取的措施很多，但由于工期緊，任務量大，所以現場沒有嚴格按照施工規范進行實施。

非要因方面：焊工缺少具體工程的技術培訓是一重要原因。雖然現場的焊工每人經現場考試都有上崗證，但是沒有充分考慮焊工考試合格的項目是否與其從事的焊接工作吻合一致。

3. 對策的制定與實施

根據上述分析，針對一次焊接檢測合格率偏低的要因，我們對提高一次焊接合格率進行了可行性論證。在此基礎上制定了靖西三線系統工程一標段百口磨合階段提升管道一次焊接合格率的目標：力爭在目前一次檢測合格率92%的基礎上，提高一次焊接檢測合格率≥95%。

圍繞以上目標，提出了從根本上把控焊接缺陷、嚴格進行施工管理、重視施工現場輔助措施、完善現場機制等幾方面內容以供現場進行實踐，并在施工過程中重點對以下兩個環節進行把控和落實。

（1）重視焊前準備及技術措施 其中對坡口檢查、試件清理、加熱溫度上限等條件和參數再次進行了明確。特別就對口器的撤離條件作出額外要求：在根部焊道承受鋪設應力比正常情況高，且有可能發生裂紋的情況下，需完成下一焊道后撤離內對口器；采用外對口器時，應保證根焊道均勻對稱完成50%以上后撤離，對口支撐和吊具則應在根焊道全部完成后方可撤離。

（2）焊接缺陷的把控 通過對返修焊口的分析，對造成氣孔、未熔合、夾渣及燒穿等缺陷的因素從焊接工藝角度進行了重點把控。有針對性地采取措施，從而避免上述缺陷的產生。

氣孔缺陷：氣孔主要產生在外表面的蓋面層內，從焊接工藝角度分析，蓋面層產生氣孔的主要原因有以下幾個方面：①焊絲傾角不對。焊絲傾角應垂直或前傾，如果后傾角度過大將造成熔池溫度體積增大、熔池溫度升高，吸收氣體量增加，大量的氣體來不及逸出形成氣孔。②蓋面層熔敷金屬厚度過大，造成焊接速度減慢，較大體積的熔池流動速度大于焊接前行速度，藥渣前溢（超過焊絲位置）熔池鐵液與表面熔渣不能通過電弧的吹力而分開，造成氣體不能逸出形成氣孔。③蓋面時焊接參數偏大，尤其是在管口的垂直段和下爬坡段焊接時參數過大容易造成熔池體積增大，鐵液的流動速度加大，藥渣前溢鐵液與藥渣不能有效地分開形成氣孔。

未熔合缺陷：從焊接工藝角度看，未熔合主要在根焊時背部產生的單邊未焊透或接頭不當產生的凹陷處，以及在熱焊和蓋面焊接過程中熔敷金屬與坡口交接處形成。①對口不當造成的錯邊量過大，根焊時兩側鈍邊受熱不均勻造成單邊未焊透。②坡口鈍邊過大，正常的焊接速度和焊接參數不足以熔化鈍邊，形成單邊未焊透。③根焊運條時焊條角度沒有保持左右垂直焊縫中心線，造成電弧作用坡口兩側熱量不均勻形成單邊未焊透。④根焊接頭時，起弧位置過短造成熔化前部焊道的熱量不夠，前部收弧部位沒有熔化形成斷頭缺陷。⑤蓋面時由于前述產生氣孔的原因，鐵液前移阻礙了電弧直接作用前層焊道，造成熔渣不能熔化浮出，形成未熔合等條狀缺陷。

夾渣缺陷：①根焊時焊縫成形凸度過高在熔敷金屬與坡口交界處形成較深的溝槽，熱焊時電弧不能觸及到溝槽而形成夾渣等條狀缺陷。②熱焊前清渣不干凈，熱焊時殘留渣未熔化而形成夾渣等條狀缺陷。③蓋面時由于前述產生氣孔的原因，鐵液前移阻礙了電弧直接作用前層焊道，造成熔渣不能熔化浮出，形成夾渣等條狀缺陷。④蓋面時焊絲擺動不到位，電弧未能熔化焊縫邊緣的溝槽，形成夾渣等條狀缺陷。

燒穿缺陷：燒穿主要是熱焊時操作不當造成的缺陷。①對口間隙偏大，造成根部焊道厚度減薄面積增加，熱焊時散熱條件不好，熱量集中程度高，擊穿根部焊道。②清渣時根部焊道減薄量過大，剩余的焊縫金屬厚度不足以承受熱焊時熔池溫度。③熱焊時焊接參數偏大、焊接速度慢，造成熔池溫度過高擊穿根部焊道。

4. 實施效果

在改進措施實施后，重新對一標段5個作業機組在這段時間內焊接的1103道焊口進行焊接質量統計。焊接合格率統計情況如表3所示。

表3 一次焊接合格率統計

從表3可以看出在相應的對策實施后，一次焊接檢測合格率從實施前92%提升到98.19%，超過項目質量目標一次焊接檢測合格率95% ，保證了項目的質量。

在對本次提高一次焊接合格率的對策措施和實施效果進行經驗分析的基礎上，總結制定了鞏固措施，以便在今后的施工過程中保證焊接質量，盡量避免返修、二次焊接等風險，保證高質量、按時完成工程任務。鞏固措施如下：

（1）加強對施工現場焊接質量管理人員或技術人員的要求 應熟悉下向焊焊接工藝，熟悉焊工操作的基本要領，能夠通過看底片基本了解缺陷的性質、形狀、所在位置和層次，以便準確判斷出缺陷產生的可能原因。

（2）加強工藝紀律的管理 使工藝參數、工藝措施始終如一。工藝參數：如鈍邊參數、對口間隙、錯變量控制、根焊焊接速度、填充及蓋面各層焊接參數，工藝措施：如人員搭配、焊接位置及焊接設備等始終如一，能夠使操作者形成一個非常熟練的操作程序，使出現缺陷的原因簡單化。

5. 結語

通過從“靖西三線工程”焊接施工過程中最開始一次焊接合格率偏低的原因分析入手，針對影響焊接質量的氣孔、未熔合、夾渣及燒穿等因素制定了相應的改進措施并有效實施，顯著地提高了一次焊接合格率。由于文中所提及的技術措施以及注意事項具有一定的共性，所以可以在一定程度上保證焊接質量，提高長輸管道建設的一次焊接合格率。