高壓管道焊接質量的控制措施

董方勇

（中國海洋石油工程質量監(jiān)督渤海中心站，天津300450）

惠州煉化二期工程400萬t/a渣油加氫裝置屬甲類生產裝置，是煉化板塊高壓管道最為密集的部分，主要危險介質為甲類可燃氣體和甲B類可燃液體。工程結構布置緊湊，施工場地狹窄，管線縱橫交錯；管材規(guī)格多，牌號多，管壁厚，高壓管道總長度約8 500 m，管道最小外徑為26.7 mm，最大外徑為610 mm，管材牌號主要包括ASTM B423 NO8825、ASTM A312 TP347、ASTM A335 P11、ASTM A106 Gr.B和ASTM A106 Gr.B ANTI-H2S等，試驗壓力最低19.5 MPa，最高46.8 MPa。

本研究結合渣油加氫裝置高壓管道焊接現(xiàn)場經(jīng)驗和各階段安裝焊接過程中容易出現(xiàn)的質量問題，對采取方法的有效性進行深入研究和分析，認為要提高高壓管道的焊接質量，必須做好5個方面的控制工作，分別是焊接工藝的正確選擇、焊工的分級管理、焊接材料的科學控制、焊接過程的控制及自動化技術的應用。

1 焊接工藝的選擇

準確適用的焊接工藝是確保高壓管道焊接質量的前提條件，工程前期技術準備階段，需根據(jù)設計特點和技術要求，對工程項目中高壓管道類型進行一次綜合評估，確定需要進行焊接工藝評定的類型，編制焊接工藝文件。

1.1 焊接工藝特點分析

該工程高壓管道的特點是管線中有大量需要焊前預熱和焊后熱處理的碳鋼、抗氫鋼、鉻鉬鋼和不銹鋼，管材壁厚較大，試驗壓力高，且設計空間布置緊湊，施工場地狹窄，管線縱橫交錯，無損檢測要求高。因此，管道安裝焊接難度很大，對焊工的技術操作水平要求很高，很容易產生焊接缺陷，出現(xiàn)質量問題。

管道焊接大致分兩種，預制焊接和現(xiàn)場焊接。預制焊接是提高管道焊接質量最有效的措施之一，關鍵在于該方式能有效降低管道焊接難度，從而大大提高焊接質量。

本裝置預制焊接部分主要采用4種工藝：

（1） 公稱直徑DN≤50 mm， 采用GTAW （鎢極惰性氣體保護焊）;

（2） 50 mm＜DN≤500 mm， 方法一為 GTAW打底，SMAW（手工電弧焊）填充和蓋面；方法二為GMAW（熔化極氣體保護焊）打底，F(xiàn)CAW（藥芯焊絲電弧焊）填充和蓋面；

（3）DN＞500 mm，采用SMAW，但焊縫背面需清根處理；

（4） DN≥300 mm， 厚度T≥20 mm， 具備使用自動焊的管道焊接采用GTAW打底、填充和蓋面。

現(xiàn)場安裝焊接主要采用兩種工藝：

（1） DN≤50 mm，采用 GTAW;

（2） DN＞50 mm， 采用 GTAW 打底， SMAW填充和蓋面。

1.2 焊接工藝評定

焊接工藝評定所用試件的制備，焊前預熱，焊接過程中的電流、電壓及焊接速度的選擇，焊后熱處理等過程應盡可能地模擬現(xiàn)場安裝焊接的條件進行，以保證評定合格的工藝參數(shù)能最大程度地與現(xiàn)場施焊條件相符，避免評定合格后的焊接工藝在現(xiàn)場焊接時適用范圍小，甚至根本不能適用。

焊接實驗室的焊接條件一般比現(xiàn)場安裝焊接的環(huán)境和預制的焊接環(huán)境優(yōu)越得多，且工藝評定往往只注重成功率，而對焊接效率沒有要求，在評定焊接過程中焊工往往把焊接電流、電壓控制的較小，而焊接速度不變，會造成評定合格的焊接工藝最大熱輸入線能量Q非常低，現(xiàn)場焊接很容易超出最大線能量，從而造成焊接質量無法保證。

1.2.1 焊接方案選擇

如1.1所述，該工程根據(jù)管徑的大小預制焊接口設定了3種焊接方案，現(xiàn)場焊接口設定了2種焊接方案。對焊接質量的影響具體分析如下：

（1）DN≤50 mm的高壓管道采用GTAW 焊接，原因是GTAW焊接方法具有加熱集中、焊件變形小、電弧穩(wěn)定性好等優(yōu)點，較之其他焊接方法能最大程度確保小直徑管焊接的質量；

（2）50 mm＜DN≤500 mm的高壓管道壁厚較大時，方法一（GTAW+SMAW）和方法二（GMAW+FCAW）兩種方案的任一選擇既可確保焊縫質量也可確保焊接效率，而全GTAW焊接方案，質量肯定要稍優(yōu)于組合焊接方案，但焊接效率太低；

（3）DN＞500 mm的高壓管道焊接只有在管道預制時才能采用全SMAW的焊接方案，主要原因是SMAW焊接方法無法確保單面焊雙面成形焊縫的質量，需要進行焊縫背面清根處理，現(xiàn)場安裝焊接的管道，其內部無法進行背面清根處理，從而會造成焊縫質量不合格。

1.2.2 焊接材料的選擇

焊接材料必須具有質量合格證明書，其熔敷金屬化學成分、力學性能應符合NB/47018—2011《承壓設備用焊接材料訂貨技術要求》的規(guī)定和設計文件要求。不同的管道材質牌號需選用不同牌號和規(guī)格的焊材，才能最大程度地保證焊接質量，本工程高壓管線焊接材料選用信息見表1。

1.2.3 坡口形式的選擇

管道焊接坡口的形式復雜多樣，根據(jù)管道壁厚可以分為I形坡口、V形坡口、U形坡口及雙V形組合坡口等多種形式。GB 50236—2011《現(xiàn)場設備、工業(yè)管道焊接工程施工規(guī)范》附錄C.0.1規(guī)定，管道的坡口接頭形式就達14種之多，因此選擇正確的坡口形式和坡口尺寸也是焊接工藝中的一項重要因素，影響著焊縫焊接質量的高低。坡口形式不同，坡口尺寸不同，則選用的焊接工藝參數(shù)應進行相應調整，以本裝置最大厚度為45.24 mm的高壓管道為例，坡口形式選擇見表2。

表1 焊接材料選用表

表2 管道坡口形式選用表

2 焊工的分級管理

焊縫質量能否通過無損檢測，能否避免氣孔、夾雜、未熔合、咬邊、裂紋等質量缺陷，很大程度上取決于焊工技術水平的高低。筆者拋開焊工“無證”上崗和資質證書“超項”和“超期”等問題不做討論，以焊工的職業(yè)態(tài)度、工作業(yè)績、技術能力及年齡這四要素作為評判標準對焊工進行Ⅲ級分級管理，每一個月作為一個考核周期，優(yōu)勝劣汰，評定級別高者每月予以相應績效獎勵。通過嚴格考核選拔出高水平焊工人才，焊接工程師根據(jù)現(xiàn)場焊接難度，針對性地委派任務，取得了非常理想的焊接質量效果。

3 焊接材料的科學控制

焊接材料的牌號及規(guī)格類型在焊接工藝部分已經(jīng)一一確定，但焊接過程中對焊材進行科學有效的控制管理也非常必要，若管理不善往往會發(fā)生焊材生銹、烘干不達標、用錯焊材、回收不及時以及浪費嚴重等問題。

（1）人員管理。焊材烘干管理員必須具備初中以上文化水平，并由焊接工程師進行專門的培訓，考試合格后方能上崗工作。禁止焊工和其他工種人員臨時代理焊材烘干管理員一職。

（2）分級庫存。整個工程項目設立一個焊材一級庫和多個焊材二級庫，存放標準均要符合JB/T 3223—1996《焊接材料質量管理規(guī)程》要求，認真做好兩級庫存焊材入庫/出庫記錄臺賬。

（3）重視焊材的烘干工作。焊材烘干技術要求文件要張貼在烘干房內，以便烘干員參考執(zhí)行，嚴格按技術參數(shù)進行烘干和保溫。

（4）重視發(fā)放和回收工作。按照“先進先出”的原則發(fā)放焊材，憑單領料，及時記錄，回收閉合，未回收者暫停領料資格。

（5）加強自查工作。每月由焊接工程師組織一次焊材管理的自我檢查工作，就上述（1）～（4）條的內容進行監(jiān)督檢查，重點查庫存量、查庫房和烘干條件、查入庫/出庫記錄、查發(fā)放和回收記錄，確保焊材的使用均在科學的管理范圍內。

4 焊接過程的控制

焊接過程質量控制主要分為3個關鍵點，分別是焊前檢查、焊接期間的控制及焊接完成后的檢查。

4.1 焊前檢查

焊接之前的檢查項包括焊接工藝卡是否有效和適用、焊工資格是否相符、焊材牌號和干燥度是否滿足、焊接設備是否完整合格、坡口組對尺寸是否正確以及是否采取了有效的環(huán)保措施。

4.1.1 程序文件

指導現(xiàn)場焊接施工的焊接工藝規(guī)程必須是有效執(zhí)行版，施工過程中曾出現(xiàn)不同班組所用焊接工藝規(guī)程版本不同的問題，造成現(xiàn)場焊工焊接時參數(shù)超標，焊接質量無法保證。

“海綿城市”運用于城市道路建設是可行的、經(jīng)濟的，可以為實現(xiàn)城鎮(zhèn)化和環(huán)境資源協(xié)調發(fā)展提供有力保證。建設具有自然積存、滲透、凈化功能的海綿城市是社會生態(tài)文明建設的重要組成部分，也是我國城市建設的發(fā)展方向。

解決方法：加強文件管理，新版文件發(fā)表后必須加蓋紅色印章，同時舊版文件必須及時作廢，并建立文件發(fā)放臺賬，班組長專人負責，憑回收的舊版文件領取新版文件，從而在根本上解決錯用程序文件導致的質量問題重復發(fā)生。

4.1.2 焊工資格

焊工資格的檢查主要包括證書是否在有效期，資格項目是否滿足所焊管道直徑和壁厚要求。控制管理的重點在于項目必須有一位非常專業(yè)的焊接工程師，焊接工程師對焊工管理負主要責任，工作前應將具備高壓管道焊接資格的焊工形成文件清單，供班組使用，并對班組長進行專門的技術交底，從而有效避免焊工資格超項質量問題的發(fā)生。同時，針對高壓管道焊接難度大的特點，專門在正式焊接前對清單內的焊工進行兩天模擬焊接練習。

4.2 焊接過程的控制

4.2.1 溫度控制

預熱溫度、層間溫度的監(jiān)測控制一定要處在工藝文件要求的范圍內，本裝置15CrMo鋼的預熱溫度應≥180℃，層間溫度不宜＞300℃，碳鋼管道層間溫度不宜＞250℃，鎳基管道和不銹鋼管道不需要預熱，但層間溫度必須嚴格控制在150℃以內。

直徑較小的管道焊前預熱采用碘鎢燈加熱的方式進行預熱升溫即可滿足要求，直徑較大的管道必須采用電加熱的方式進行預熱。溫度控制常見問題在于層間溫度的控制，進行下一層焊縫焊接時，焊前必須進行一次3點溫度測量，確認符合工藝要求后再開始焊接。

需要焊后熱處理的鉻鉬鋼、合金鋼管材焊縫，焊接完成后需立即進行30 min焊后熱處理，熱處理溫度控制在300～350℃，空冷。

4.2.2 線能量控制

焊接電流、電壓和焊接速度的設定一定要控制在工藝文件允許的范圍內，嚴禁焊接熱輸入超出允許的最大線能量值。

線能量的控制，由焊工焊前根據(jù)工藝文件設定好焊機的焊接參數(shù)，并安排專人在焊接過程中觀察電壓值和電流值是否在工藝文件要求范圍內，同時計算出焊接速度值，均符合焊接工藝文件要求方合格。

DN=500 mm的管道，第一道焊口焊縫厚度達到6 mm時，增加了一次根部RT檢測，結果顯示焊縫背面有焊渣，經(jīng)調查研究，原因是焊接電流、電壓選擇過大而速度過低造成線能量最大化，造成背面出現(xiàn)焊渣，后經(jīng)參數(shù)調整，問題得以良好解決。

4.2.3 背面氣體保護

4.2.4 層間接頭

多層焊縫應加強層間質量檢查，上層檢查合格后方可焊接下一層，直至蓋面焊接完成。且多層焊接的層間接頭不應集中，需逐個錯開，接頭集中既不美觀，還容易造成應力集中和接頭處的缺陷累積，如弧坑、裂紋等缺陷。因此，為避免質量問題的出現(xiàn)，要求層間接頭錯開至少100 mm。

4.3 焊后檢查

焊接結束后的檢查包括外觀檢查、無損檢測和熱處理后檢驗。外觀檢查又包括焊工的自檢、互檢和QC質檢員專檢。無損檢測方式包括MT（磁粉檢測）、 PT（滲透檢測）、 RT（射線檢測）、UT（超聲波檢測）。

（1）外觀檢測。外觀檢測中的自檢工作，焊工需在蓋面完成后立即進行。

（2）無損檢測。需焊后熱處理的焊縫無損檢測必須在完成焊接熱處理之后進行。由于本研究的管道壁厚較大，為確保焊縫質量的一次合格率，減少返修工作難度，特增加一次根部打底焊縫RT檢測，要求檢測厚度為6 mm。

（3）熱處理后檢驗。熱處理后的焊口應進行100%RT檢測，其中鉻鉬鋼材質還應增加10%UT抽檢和100%MT（PT）檢測，確認無裂紋等缺陷為合格。并且熱處理后需先對熱處理自動記錄曲線進行檢查審核，確認符合要求后方能進行硬度抽檢。

5 自動化技術的應用

本研究采用的自動焊焊接技術為全GTAW焊接方法，即打底、填充、蓋面均采用GTAW焊接方法，適用范圍為直徑≥300 mm、厚度≥20 mm的高壓管道，且主要應用在車間預制焊口上。

5.1 全GTAW自動焊優(yōu)點

（1）焊縫成形美觀、光滑，焊縫結晶組織均勻，熱影響區(qū)小，焊接質量高。

（2）焊接速度快，無損檢測合格率高，自動焊焊縫質量一次合格率達到了100%。

（3）有效降低勞動強度，同時減少人為因素（焊工技術和體能）對焊縫質量的影響，大大降低了缺陷產生的幾率。

5.2 全GTAW自動焊缺點

（1）自動焊機安裝對環(huán)境條件、焊縫周圍空間及直管段要求較高（徑向空間最小380 mm，軸向空間240 mm），管道壁厚變化頻繁，彎頭、彎管較多時不宜使用自動焊。

（2） 不宜用于小管徑（DN＜300 mm）、 小壁厚（T＜20 mm）的管道，因為焊機安裝時間、焊接時間和拆卸時間較長，自動焊接效率無法體現(xiàn)。

（3）現(xiàn)場施工條件較差，自動焊機運輸、安裝及拆卸困難，現(xiàn)場焊接適用性低，大多只能用于預制口焊接。

6 結束語

在石化工程建設中，高壓管道被認為是裝置的大動脈，關系著整個裝置的壽命周期，而焊接又是貫穿于高壓管道施工過程的一項極為重要的工作。無論是在技術管理還是施工成本管理方面，如何在采用先進技術工藝的同時，又確保焊接質量，減少返修，降低勞動強度，從而提高企業(yè)核心技術競爭力，是從事工程建設的焊接工程管理人員必須加以考慮的一項重要工作。

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