油氣管道工程建設環焊縫質量提升措施與方法

李伍林，何金寶，孫智新

1.廊坊中油朗威工程項目管理有限公司，河北廊坊065000

2.國家管網集團北方管道有限責任公司錦州輸油氣分公司，遼寧錦州121000

過去十年，中石油建成了長度超過3×104km的管道，中俄管道、中緬管道、中亞管道以及互聯互通等多個重點油氣工程建設構筑了“東北、西北、西南、海上”四大油氣戰略通道，形成了“西氣東輸、西油東送、北油南運、海氣登陸”的油氣管網格局，有力推動了國家油氣管網業務的穩健發展[1]。同時國家《中長期油氣管網規劃》 提出：“到2020 年，全國油氣管網規模達到16.9×104km，到2025 年，達到24×104km”。未來一段時期，中國管網建設需求依舊強勁，特別是天然氣管道里程年均復合增長率將達到9.8%，成品油管道復合增長率將達到6.7%，大口徑、高鋼級、高壓力油氣管道干線建設任務依然繁重。但隨著國內外建設環境的變化，工程項目管理和工程建設質量存在的突出問題也進一步凸顯，天然氣管道運行期間發生質量事故易造成較大的社會負面影響，環焊縫質量問題已引起各方高度關注，因此破除質量提升瓶頸，進一步強化焊接施工質量管理，建設“精品工程、優質工程、百年工程”，是實現油氣管網“本質安全、卓越運營”的重要保障。

1 環焊縫失效統計及原因分析

1.1 環焊縫失效統計

對2003—2018 年間國內油氣長輸管道共發生的23 起環焊縫失效事件的不完全統計分析表明，環焊縫失效事件均發生在采用半自動焊接、手工電弧焊接的環焊縫接頭，起裂均為根焊位置。按照不同鋼級失效分類，其中X80 鋼級失效占比30.4%、X70 鋼級失效占比26.1%、X65 鋼級及以下占比43.5%；按照失效焊口類型分類，其中一般線路焊口占比50%、連頭焊口占比45.8%、返修焊口占比47.8%；按照失效原因分類，其中沖擊韌性不合格占比54.2%、根焊部位超差缺陷占比62.5%、不等壁厚組對缺陷占比54.2%，強力組對缺陷占比54.2%、外部載荷缺陷占比37.5%。圖1 為某長輸管道環焊縫失效現場照片。

圖1 某長輸管道環焊縫失效現場

美國管道和危險材料安全管理局（PHMSA）2010 年第78 號公告文件指出，2008—2009 年，美國發生4 起管道施工試壓和運行過程中的環焊縫失效，焊口失效的原因與變壁厚、錯邊、焊接工藝執行不當、外部載荷等因素有關[2]。

1.2 環焊縫失效原因分析

通過對國內外環焊縫失效案例進行統計及失效原因的初步分析，發現引發環焊縫失效的主要原因有三個方面：第一，焊接接頭沖擊韌性不達標，主要是環焊縫焊接過程中焊工未嚴格按照焊接工藝進行操作等所致；第二，環焊縫焊接缺陷，尤其是根部缺陷，通常為開裂焊口的起裂位置；第三，在役管道因承受外部土體移動而產生附加軸向應力，施工過程中強力組對、錯邊/不等壁厚焊接引起的應力集中等[3]。

為深入剖析環焊縫失效的根源，采用魚骨圖分析法，圍繞焊接工藝規程的制定及執行、環焊縫失效管控等方面的問題，從“人、機、料、法、環”的角度逐一進行原因分析。

（1） 焊接工藝規程的制定及執行方面的問題分析。結合環焊縫失效調查報告及油氣管道近一年來檢查發現的焊接問題，對焊接工藝規程制定及執行方面存在的問題進行總結、歸納如下：第一，焊工能力不足，責任心不強，監理工程師業務水平不高；第二，焊接設備的維護保養不到位，焊接機組人員缺乏自動焊設備維護相關經驗；第三，長期庫存材料未明確檢驗鑒定要求；第四，焊接工藝規程制定過程無第三方監督；第五，焊接工藝執行的監管力度不夠；第六，焊接工藝規程制定單位對施工現場環境、操作復雜情況考慮不足，焊接工藝對現場的適應性有待提高等。焊接工藝規程制定及執行問題的原因分析魚刺圖見圖2。

圖2 焊接工藝規程制定及執行問題的原因分析魚刺圖

（2） 環焊縫失效管控原因分析。在工程建設過程中，承包商、監理單位和建設單位作為質量責任主體和管理單位，其質量管理體系有效運行、人員能力和水平等方面對工程質量有著重要影響。環焊縫失效管控原因分析魚刺圖見圖3。

圖3 環焊縫失效管控原因分析魚刺圖

2 國內外焊接對標及改進建議

2.1 國內外焊接對標

為學習借鑒國外管道建設的先進技術和管理經驗，與ISO 國際標準化組織標準，ASME、API 等國際行業協會標準，加拿大、澳大利亞、俄羅斯等國家標準，以及俄羅斯天然氣公司企業標準關鍵技術指標等進行對標工作，并重點研究了俄氣公司西伯利亞力量管道建設標準，旨在通過找差距、補短板、上水平，研究提升管道建設焊接質量管理水平的方法和措施。

2.2 焊接對標內容

焊接對標主要是以國內標準、原中油管道CDP、中俄天然氣東線規范文件等與國外主要標準、企業規范等進行對標，對標內容主要為焊接工藝評定類、焊接材料類、施工過程質量管控類標準。對標內容及名稱見表1。

表1 對標內容及名稱

2.3 對標結論

通過對焊接方法、母材、焊材、試件類型、壁厚、預熱、焊后熱處理、焊接位置、坡口形式等焊接工藝評定基本要素，對拉伸、彎曲、沖擊、刻槽錘斷、宏觀金相、硬度、抗腐蝕試驗等工藝評定具體試驗項目、方法及驗收指標，以及對管材、焊接材料和焊接設備的規定，對預熱和層間溫度、焊縫層數和道數、施工初期的磨合、自動超聲波檢測結果的反饋時間等焊接施工管控方面進行對標，得出以下結論：

（1） 對適用于長輸管道主線路的焊接工藝評定標準，即中油管道CDP- G- OGP- OP- 081.01- 2016-1，在滿足GB/T 31032（GB/T 31032 采標API 1104） 的基礎上，對相關因素和試驗做了更為嚴格的規定。

（2） 試驗項目除拉伸、刻槽錘斷、彎曲外，還規定了低溫沖擊、宏觀金相和硬度試驗。拉伸、刻槽錘斷、彎曲試驗的驗收指標基本一致。

（3） 焊材對標結果表明，目前國內焊材標準基本采用國外標準，要求一致。

（4） 對俄羅斯博烏管道、西伯利亞力量管道、中俄東線北段管道，在施工過程焊接質量管控方面進行比對，存在以下差異：第一，關于預熱和層間溫度，博烏管道要求采用感應加熱的方式進行預熱和層間加熱；中俄東線規定采用電感應加熱或電加熱方式。第二，施工單位磨合期以時間計不少于一個月，所有焊縫均應當進行100%射線檢測和100%超聲波檢測；中俄東線執行的是百口磨合，檢測為雙百檢測。第三，對于西伯利亞力量管道，為了改進焊接接頭性能，降低殘余應力水平，規定了焊后熱處理的工藝。對于中俄東線管道，依據相關科研成果，規定了連頭焊口組對時兩側未回填管段的長度，以降低組對應力。

2.4 改進建議

根據對標結論，結合國內油氣管道建設現狀，建議從以下方面做出改進：其一，不等壁厚焊接中將倒角式內坡口改進為孔錐形內坡口，以有效降低環焊縫處的應力集中；其二，焊材檢驗在滿足各自標準要求的前提下，借鑒西伯利亞力量管道關于焊材檢驗的技術要求，以進一步完善工程驗收標準；其三，優化焊接工藝評定過程管理及審核發布程序，以提升焊接工藝評定的適用性。

3 環焊縫質量提升措施與方法

3.1 推廣應用自動焊技術

國外管道自動焊技術與設備已相當成熟。如美國的夏延管道（CHEYENNE PLAINS）、洛基快線（ROCKIES EXPRESS），均采用自動焊，焊接設備為CRC。歐洲的南氣走廊項目（SOUTHERN GAS CORRIDOR） 也以自動焊為主，焊接設備有CRC和SERIMAX。俄羅斯在建的西伯利亞力量管道，根據施工條件、地形條件情況，自動焊應用比例約占75%，手工電弧焊的應用比例約占25%。而我國管道自動焊技術的應用始于西氣東輸管道工程，目前自動焊焊接管道里程約5 000 km，應用比例不足5%[4]。經歷中靖、陜四、中俄原油二線等工程的技術改進和經驗積累，自動焊技術在中俄東線北段工程中得到全面推廣。

相比傳統管道手工焊和半自動焊，管道自動焊技術在焊接接頭強度、韌性等指標方面綜合性能優良，同時可顯著提高焊接效率，降低勞動強度，最大程度減少人為因素給焊縫質量帶來的不可控風險，提高管道建設和運行的安全性和可靠性，有效保障環焊縫的焊接質量和焊接過程的穩定性，成為國內外焊接技術的發展趨勢。

3.2 著力提升焊縫接頭性能

環焊縫失效典型案例分析表明：連頭焊口、返焊修口和不等壁厚焊縫為環焊縫失效高發位置，這些部位普遍存在焊接接頭應力集中、焊縫韌性值低的問題，在外加載荷的作用下，誘發環焊縫失效。針對上述問題，建議從四個方面進行改進提升。

（1） 優化變壁厚焊口內坡口形式。變壁厚焊口內對齊焊接可以有效降低不等壁厚焊縫應力集中和現場施工的困難，提升現場焊接質量，應盡量采用工廠預制的方法對熱煨彎頭等管端壁厚進行處理，實現現場等壁厚焊接。

（2） 嚴格限定鋼管強度波動范圍。高鋼級管道焊接接頭低強匹配降低了焊縫抗斷裂能力。中俄東線工程通過減小母材強度波動范圍（屈服強度波動范圍由150 MPa 降低至135 MPa，抗拉強度波動范圍由200 MPa 降低至155 MPa），保證了管材與焊材的強度匹配，提升了焊接接頭質量，應進一步研究縮小鋼管屈服強度波動范圍的技術經濟可行性。

（3） 提高高鋼級管道焊接接頭抗斷裂能力。通過焊接材料性能、鋼管實物強度的匹配，結合焊接熱影響區的試驗，全面分析強度匹配和熱影響區軟化對焊接接頭應變能力的影響，規定鋼管化學成分、強度以及不同焊接條件下熱影響區所允許的軟化限值，結合焊接工藝的優化，使環焊縫具有一定的應變能力，為管道安全運營提供保障。

（4） 降低管道連頭焊接殘余應力。長輸管道連頭、死口等焊后殘余應力大，導致腐蝕抗力和疲勞強度等力學性能差，成為管道薄弱環節。對管道連頭焊接殘余應力的產生與分布進行模擬仿真，通過焊接過程控制（如焊后熱處理） 及超聲噴丸改善焊接接頭及附近區域殘余應力場，形成連頭焊接殘余應力控制技術，降低管道連頭焊接殘余應力。

3.3 優化焊接工藝管理過程

焊材選用與檢驗、焊接工藝制定與執行、焊接工藝適用性是影響焊縫質量的重要因素。焊接材料作為焊接接頭的重要組成部分，應完善選用和檢驗程序，推動焊材質量提升；優化焊接工藝制定和執行過程管控，完善焊接工藝審核評價體系，提升焊接工藝適用性。

（1） 完善焊接材料技術條件。基于國內外通用標準，如ASME（AWS） 美國標準、GB 中國標準、CDP 焊接材料標準和材質單，進一步明確油氣管道焊接材料選用原則及檢驗規范，加強焊材質量管理，確保焊材質量受控。

（2） 細化焊接工藝評定。焊接工藝制定過程中，根據設計文件、鋼管數據單規定和實物水平，應對開工前已采購的所有鋼管按化學成分、制管工藝因素等分類，并對每類鋼管進行焊接工藝評定，以提升焊接工藝與鋼管的匹配性。以中俄東線使用的部分鋼管為例，當前按鋼管規格分類確定焊接工藝，按化學成分（如C 含量區間） 和冷裂敏感系數值（Pcm） 細化焊接工藝要求后，可制定更有針對性的焊接工藝，降低C 含量和Pcm的變化對焊縫質量造成的影響。

（3） 加強焊接工藝規程制定的管理。將現場環境條件作為焊接工藝評定的重要因素，細化溝下焊作業標準，保證焊接工藝規程與現場施工條件的一致性。建設單位委托第三方專業機構對焊接工藝評定過程進行監督。形成編制單位和監督單位確認的焊接工藝規程，用于百口磨合。在施工機組完成一定比例的百口磨合焊口后，編制單位要結合現場實際應用情況進一步完善、修訂焊接工藝評定，而后由建設單位組織專家審查并正式審批發布焊接工藝規程，用于現場施工。

（4） 加強焊接工藝規程執行管理。完善百口磨合期后的焊接接頭抽檢要求，根據割口試驗和施工單位的工藝執行情況，形成焊接工藝再評價報告，指導施工過程中焊接工藝的優化。發現焊材與焊接工藝不一致或焊材未復檢，發現私割私改、私自返修、違反焊接工藝規程，發現焊接層數、道次與焊接工藝不符時，應嚴肅處理并對此類焊口進行割口。施工單位對關鍵焊口（返修口、連頭口、金口、溝下焊口等） 的焊接過程檢查進行升級管理，施工項目部質量及技術管理人員加強現場監督管理，強化對焊接工藝規程執行的監督管理。

3.4 加強焊工全過程管理

施工單位應優化焊工用工機制，規范并加強焊工管理，培育業務素質過硬、責任心強的焊工隊伍[5-6]。加強對焊工培訓過程的管理，明確焊工培訓內容和形式、培訓效果評估、培訓結果應用，明確人員的培訓模式、培訓流程、培訓頻次和培訓考核的管理要求。加強金口和特殊口焊工培訓和考核，推行“金口焊工”機制，確保特殊口施焊焊工質量。著力提升焊工的誠信意識、依法合規意識，鼓勵工匠精神，形成作風優良、技術精良的施工隊伍。

針對工程特點，在現場環境或模擬現場環境條件下進行焊工考試，提高焊工對現場環境的適應性等。借鑒西伯利亞力量管道的相關規定，在上崗考試中增加強制性的機械性能試驗。對通過考試的焊工（焊接操作工），因工作中斷需重新上崗考試的期限由6 個月調整為3 個月。

3.5 嚴格焊機和焊材管理

從認證管理、統一采購、準入管理、檢定復驗、貯存管理、智能管理六個方面開展焊接設備和焊材的管理提升。

第一，借鑒俄氣做法，建設單位組織對符合通用標準和專用規范的焊機、焊材進行認證，形成認證許可清單，有效避免工藝評定單位選定焊機和焊材時的主觀傾向性，入圍認證清單的焊材、焊機廠家具備投標資格。第二，焊接所用焊材統一由建設單位組織采購，焊材的選用應符合焊接工藝規程要求。第三，加強焊機、焊材準入管理，核查焊機和焊材的數量、品種、包裝的完好性，質量證書和操作說明書、技術指導性文件應齊全，對焊機、焊材與焊接工藝規程的適應性進行核查。第四，做好對焊機的定期檢定管理，保證所用焊機均在有效檢定期內；完善對焊材見證取樣送檢的管理程序和要求，同一批焊材若1 年內未使用完，則要求重新進行復檢。第五，加強焊材貯存管理，外觀質量合格、質量證明文件齊全方可入庫；不同種類的焊材應根據生產廠家的不同分開保存；包裝密封性受到破壞的焊材應重新檢驗，并優先使用，應分期分批存放，按“先入先出”的原則使用。第六，利用二維碼、RFID（射頻識別技術） 等實現對焊機、焊材的信息化管理，加強現場管理力度，保證現場使用的焊材和焊機均已報驗。

4 結束語

環焊縫質量隱患給管道運行安全帶來了巨大隱患，本文從環焊縫質量產生的原因進行了分析，對標了國內外主要焊接標準在技術與管理方面的差異，借鑒先進和有效做法，從人員、材料、設備、技術等方面提出了油氣管道環焊縫質量提升的措施和方法。文中提出的部分關于技術方面的研究仍需進一步開展，待形成成果后進行推廣，將極大提升環焊縫的焊接質量。