山地管道焊接質(zhì)量控制難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

王學(xué)軍　劉鎧

摘要：由于山地地勢(shì)陡峭、管道運(yùn)輸困難、施工空間狹窄、大型施工設(shè)備無(wú)法到達(dá)等特點(diǎn)，導(dǎo)致山地管道焊接具有焊接環(huán)境惡劣、焊接空間狹小、焊接技術(shù)難度大等質(zhì)量控制難點(diǎn)。通過(guò)在中緬、中貴等山區(qū)項(xiàng)目采用控制焊接環(huán)境濕度、對(duì)號(hào)入座彎管安裝工藝、管道級(jí)配、彎管焊接控制工藝、DR檢測(cè)技術(shù)、6G位焊工考試等質(zhì)量控制措施，有效控制了山區(qū)管道焊接質(zhì)量，為以后的山區(qū)管道施工質(zhì)量控制提供了有效借鑒。同時(shí)，提出了加大山區(qū)管道全自動(dòng)焊接設(shè)備與工藝的研究，指出了山地管道全自動(dòng)焊接技術(shù)研究方向。

關(guān)鍵詞：焊接質(zhì)量;難點(diǎn);應(yīng)對(duì)措施;山地管道

中圖分類號(hào)：TG457.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1001-2303（2020）02-0076-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.15

0 前言

隨著我國(guó)能源需求的日益增加，石油天然氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)已經(jīng)達(dá)到12.5萬(wàn)km，西北、東北、西南和東南沿海四大石油天然氣進(jìn)口通道已陸續(xù)開(kāi)通，國(guó)內(nèi)基干管網(wǎng)逐步形成，部分區(qū)域性天然氣管網(wǎng)正逐步完善，形成了覆蓋我國(guó)大部分省市的國(guó)家管網(wǎng)，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)發(fā)揮了重要作用[1]。

我國(guó)是多山國(guó)家，根據(jù)2017年4月中國(guó)第一次全國(guó)地理國(guó)情普查領(lǐng)導(dǎo)小組公布的我國(guó)陸地國(guó)土各類地形地貌的面積和空間分布數(shù)據(jù)，山地面積占國(guó)土面積的43.65%，大量管道建設(shè)在山區(qū)[2]。近年來(lái)我國(guó)先后建成了中緬油氣管道、川氣東送管道、忠武管道、中貴聯(lián)絡(luò)管道、蘭成渝成品油管道、蘭成原油管道、西氣東輸管道、陜京輸氣管道等一大批山地管道。本文通過(guò)分析山區(qū)管道建設(shè)過(guò)程中的焊接質(zhì)量控制難點(diǎn)并制定應(yīng)對(duì)措施，成功應(yīng)用于中緬、中貴管道焊接，取得了良好的效果。

1 山地管道特點(diǎn)

長(zhǎng)輸管道穿越多山地區(qū)，由于山地地勢(shì)陡峭、管道運(yùn)輸困難、施工空間狹窄、大型施工設(shè)備無(wú)法到達(dá)等問(wèn)題，山地管道施工難度大、工效低、成本高、安全和質(zhì)量控制難度大。

（1）管道設(shè)計(jì)選擇路線受限，存在管道路線大多處于狹窄的溝谷中、山梁上，穿跨越河流、溝渠和山體，無(wú)法避讓地震帶等困難，變坡點(diǎn)多、彎管多、穿跨越多等復(fù)雜段面大量存在。

（2）管道施工存在作業(yè)空間受限、環(huán)境惡劣，施工設(shè)備使用受地形限制，存在無(wú)法大規(guī)模使用機(jī)械化、自動(dòng)化設(shè)備，溝下焊接塌方滑坡多、焊接位置局限、特殊施工方法多、施工技術(shù)要求高等因素，施工安全風(fēng)險(xiǎn)大、工效低。

（3）管道生產(chǎn)運(yùn)行中，山地地形地貌容易因暴雨、地震、大風(fēng)、巖石風(fēng)化、地殼蠕動(dòng)、地下地表水運(yùn)動(dòng)等各種外部因素，造成管道所處位置發(fā)生運(yùn)動(dòng)，使得管道受到外力作用而產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，容易形成高后果區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，給管道安全運(yùn)行、周邊區(qū)域群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全以及環(huán)境保護(hù)帶來(lái)極大隱患。

（4）山地管道本體質(zhì)量要求高、輔助工程量大、技術(shù)要求高等因素造成建設(shè)難度大，投資成本高。

2 山地管道焊接質(zhì)量控制難點(diǎn)

管道焊接是保證管道正常運(yùn)行最重要的工序，從近年來(lái)國(guó)內(nèi)出現(xiàn)的管道泄露事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，24%是管道焊接質(zhì)量造成的，給管道運(yùn)行安全和沿線人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了很大危害。因此，分析管道焊接質(zhì)量控制難點(diǎn)，制定應(yīng)對(duì)措施是確保管道安全運(yùn)行的重要課題。

（1）焊接環(huán)境惡劣。山地管道地處多雨雪地區(qū)，環(huán)境濕度大，風(fēng)大、路滑、土質(zhì)疏松[3]，突發(fā)暴雨大風(fēng)等天氣較多，需要大量可靠的防雨防潮措施。據(jù)統(tǒng)計(jì)，西南、華南等南方山區(qū)雨季影響施工的比例達(dá)到54%;中緬管道建設(shè)期內(nèi)，全年雨季影響比例為38%;中貴聯(lián)絡(luò)線建設(shè)期內(nèi)，雨季影響比例為46%。雨雪天氣帶來(lái)的高濕度環(huán)境容易造成焊接材料受潮、焊接熔池氣體保護(hù)效果減低等問(wèn)題，出現(xiàn)較多氣孔等焊接缺陷。

（2）焊接空間狹小。山區(qū)管道焊接大多處于溝下焊，且石方較多，管溝成型困難，局部地方處于陡峭山壁上，需要做臨時(shí)支撐或者保護(hù)措施，焊接空間狹窄。不良的焊接環(huán)境對(duì)焊接操作人員的技能發(fā)揮和心理影響較大，直接影響焊接質(zhì)量。

（3）焊接技術(shù)難度大。山區(qū)管道處于傾斜狀態(tài)時(shí)，焊接熔滴、熔池由于受重力影響，使焊縫雙側(cè)成形發(fā)生巨大變化，極易出現(xiàn)未焊透和坡口單側(cè)未熔合等缺陷。因此，必須調(diào)整水平位置焊接的焊槍角度、焊接參數(shù)和坡口兩側(cè)停留時(shí)間，并進(jìn)行焊工培訓(xùn)和考試。

（4）變壁厚、穿跨越、施工難度高。山區(qū)管道地形起伏大，施工中常會(huì)遇到縱向、橫向和疊加坡度，管道彎頭、彎管多，穿跨越多[4]。彎管和穿跨越段管道均為大壁厚，每處彎管和穿跨越均有變壁厚焊接，根部焊接質(zhì)量控制難，容易出現(xiàn)未焊透、錯(cuò)邊等缺陷。

（5）“死口”和“金口”數(shù)量多。山區(qū)管道由于工效低大多采取小機(jī)組多斷面作業(yè)，每個(gè)斷面之間的連頭都是“死口”。同時(shí)高程變化頻繁，水試壓斷面劃分多，不試壓的“金口”遠(yuǎn)多于平原。

（6）采用機(jī)械化和自動(dòng)化裝備施工困難，施工工效僅為平原地區(qū)的1/4。平原地區(qū)大規(guī)模使用機(jī)械化大流水作業(yè)、全自動(dòng)焊接，如陜京輸氣管道DN1200管道采用16機(jī)組全自動(dòng)焊接流水作業(yè)，平均工效可達(dá)20道焊口/天;在山區(qū)地段使用6機(jī)組小流水作業(yè)，平均工效僅為2道焊口/天，局部困難段僅能使用2機(jī)組作業(yè)，平均工效僅為0.6道/天，工效大幅降低。

（7）線路施工過(guò)程具有流動(dòng)性特點(diǎn)。施工過(guò)程隨著施工地點(diǎn)和施工進(jìn)度的變化而變化，在山地管道的變化更加明顯，每個(gè)樁號(hào)斷面的管道傾斜角度、溝下空間等均會(huì)發(fā)生較大變化。焊工每天都要適應(yīng)不同的工作環(huán)境，難免影響焊接質(zhì)量。

3 山地管道焊接質(zhì)量控制措施

3.1 焊接環(huán)境控制

山區(qū)施工時(shí)會(huì)大量出現(xiàn)雨霧天氣，環(huán)境濕度對(duì)焊接質(zhì)量影響很大，容易造成焊絲焊條受潮或者銹蝕，產(chǎn)生焊縫氣孔等缺陷。因此，現(xiàn)場(chǎng)必須設(shè)置高標(biāo)準(zhǔn)的焊材庫(kù)，并配備焊材烘烤設(shè)備和環(huán)境溫濕度監(jiān)控儀器。當(dāng)環(huán)境濕度大于60%時(shí)，當(dāng)日未使用完的藥芯焊絲應(yīng)從設(shè)備上拆除并進(jìn)行干燥密封保存。一般環(huán)境時(shí)，應(yīng)對(duì)設(shè)備上的焊絲焊條采取防雨防潮措施。

3.2 組對(duì)工序控制

山區(qū)管道大量使用外對(duì)口器，它對(duì)組對(duì)工序質(zhì)量影響很大，要求具有坡口間隙調(diào)節(jié)功能，以保證管道組對(duì)后，管口不能有管道軸向、徑向移動(dòng)。嚴(yán)禁點(diǎn)焊固定后通過(guò)擺動(dòng)管道來(lái)調(diào)節(jié)管口間隙。根焊采用均勻?qū)ΨQ焊接，保證管口間隙均勻，且根焊大于50%后方可拆除外對(duì)口器。同時(shí)，確保管道吊裝設(shè)備和管道支撐保持穩(wěn)定，直至熱焊完成方可移除吊裝設(shè)備，但必須保證移除過(guò)程中焊口受力均勻，并保持管口支撐，避免焊接過(guò)程中焊縫承受外部應(yīng)力。

使用預(yù)制和對(duì)號(hào)入座工藝，要求對(duì)管道進(jìn)行級(jí)配，確保管口組對(duì)質(zhì)量是保證根焊質(zhì)量的關(guān)鍵。采取措施：（1）測(cè)量每一根管道管口的周長(zhǎng)，每一個(gè)焊口兩端管口周長(zhǎng)差不超過(guò)2 mm;（2）嚴(yán)格控制每一個(gè)管口的橢圓度偏差在4 mm以內(nèi);（3）管口噘嘴最大徑向偏差不得大于1 mm。以上指標(biāo)均大于國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)嚴(yán)格的選管級(jí)配，提高山地管道的組對(duì)和根焊質(zhì)量。

3.3 彎管焊接控制

山地管道施工特點(diǎn)之一是變坡點(diǎn)多，彎管安裝數(shù)量大且復(fù)雜。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大型管道中復(fù)雜山地管道熱煨彎管數(shù)量平均為8～10個(gè)/km，在中緬管道改線段彎管達(dá)到16個(gè)/km。變壁厚焊口是管道建設(shè)中特別容易出現(xiàn)焊接質(zhì)量問(wèn)題的“三口”之一，通常熱煨彎管的壁厚比直管高一個(gè)等級(jí)，必須采用加工內(nèi)坡口的方式保證焊口組對(duì)的根部對(duì)齊質(zhì)量，山區(qū)管道特別要求彎管出廠時(shí)對(duì)管口進(jìn)行機(jī)械校圓，采用機(jī)械加工方式加工內(nèi)坡口。彎管安裝前精確測(cè)量管溝，采用對(duì)號(hào)入座技術(shù)和偏心冷彎管連接管線工藝[5]，提前進(jìn)行彎管與直管預(yù)制，減少現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)焊接工作量。組對(duì)彎管時(shí)，采取固定彎管滾動(dòng)裝置，防止組對(duì)和焊接時(shí)出現(xiàn)徑向位移。

3.4 焊縫檢測(cè)控制

山地陡坡段管道焊口返工難度極大，為減少焊口返修和割除，除選用技術(shù)精湛的焊工外，焊接完成后應(yīng)立即檢測(cè)焊縫，及時(shí)處理缺陷，并在24 h后再進(jìn)行復(fù)檢。在中緬管道改線工程陡坡段施工中首次采用了DR檢測(cè)技術(shù)對(duì)熱焊完成后的焊口提前進(jìn)行檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)根部缺陷并處理，大大提高了施工工效，避免了因根焊不合格割除而產(chǎn)生的“死口”。

3.5 其他控制措施

（1）6G位焊工考試。參加山地管道施工的焊接機(jī)組，由于焊接條件較差，大部分是溝下焊，常常在陡坡段施工，焊接位置多為非水平位置，甚至需要進(jìn)行橫焊縫焊接。要求焊工必須進(jìn)行6G位培訓(xùn)考試，方能參加山地管道焊接。

（2）焊接電纜選型。山區(qū)管道焊接受地形限制，發(fā)電設(shè)備距離焊機(jī)會(huì)比平原地區(qū)遠(yuǎn)，焊接線纜也較長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)焊接參數(shù)與焊接工藝規(guī)程規(guī)定焊接參數(shù)會(huì)有部分差異，制定焊接工藝規(guī)程時(shí)必須對(duì)焊接電纜的長(zhǎng)度和型號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)比較，提出加長(zhǎng)焊接電纜的參數(shù)規(guī)定。要求焊接線纜應(yīng)根據(jù)長(zhǎng)度選擇型號(hào)，一般線纜長(zhǎng)度控制在30 m以內(nèi)，選擇不小于50 mm2規(guī)格的線纜，如果線纜長(zhǎng)度超過(guò)30 m，選擇不小于75 mm2的線纜。

（3）穿堂風(fēng)防止。山區(qū)地勢(shì)復(fù)雜，氣候變化大，自然形成風(fēng)向多變，極易形成穿堂風(fēng)，可采取滿焊封堵，加大預(yù)制量、合理安排工序、擇時(shí)段施工的措施來(lái)確保焊接質(zhì)量[6]。

3.6 開(kāi)展山區(qū)全自動(dòng)焊接研究，推廣自動(dòng)焊應(yīng)用

為了提高焊接質(zhì)量，減少人為因素的影響，從“西氣東輸一線”開(kāi)始，大型管道建設(shè)中均嘗試在平原地段應(yīng)用全自動(dòng)焊接工藝。隨著國(guó)產(chǎn)焊接設(shè)備、焊接材料及焊接工藝的逐步成熟，全自動(dòng)焊接應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在中俄東線天然氣管道建設(shè)中已經(jīng)全面推廣全自動(dòng)焊接技術(shù)，并采用信息化控制技術(shù)實(shí)時(shí)采集焊接工藝參數(shù)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)[7]，管道建設(shè)工效和質(zhì)量逐步提高。而在山區(qū)地帶，受限于特殊作業(yè)環(huán)境，傳統(tǒng)自動(dòng)焊設(shè)備難以進(jìn)行施工作業(yè)，全自動(dòng)焊接在山區(qū)管道施工應(yīng)用尚為空白[8]，國(guó)內(nèi)西南管道、管道局、四川油建、熊谷焊機(jī)等單位為此開(kāi)展了許多前期研究工作，分別在運(yùn)布管裝備、組對(duì)設(shè)備、全自動(dòng)焊接設(shè)備、特殊施工工藝等方面取得了一些成果，但在內(nèi)焊機(jī)、內(nèi)對(duì)口器、吊管機(jī)和移動(dòng)電站等施工設(shè)備的最大爬坡能力、安全制動(dòng)、精確定位以及焊接質(zhì)量控制等方面還需進(jìn)行大量的研究和試驗(yàn)。

4 應(yīng)用情況

在中緬油氣管道國(guó)內(nèi)段某標(biāo)段，山區(qū)段焊接長(zhǎng)度484 km，44 794個(gè)焊口，通過(guò)采取以上措施，焊接一次合格率為97.97%，已安全運(yùn)行5年。中貴聯(lián)絡(luò)管道工程某標(biāo)段，山區(qū)管道焊接長(zhǎng)度215 km，21 432道焊口，焊接一次合格率為97.3%，已安全運(yùn)行7年。

5 結(jié)論

（1）山區(qū)管道焊接具有焊接環(huán)境惡劣、焊接空間狹小、焊接技術(shù)難度大、采用機(jī)械化和自動(dòng)化裝備施工困難、具有流動(dòng)性等質(zhì)量控制難點(diǎn)。

（2）山區(qū)管道采用控制焊接環(huán)境濕度、使用預(yù)制和對(duì)號(hào)入座的彎管安裝工藝、管道級(jí)配、彎管焊接控制工藝等控制措施，可以有效地控制管道焊接質(zhì)量。

（3）山地陡坡段管道焊口采用DR檢測(cè)技術(shù)對(duì)熱焊完成后的焊口提前進(jìn)行檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)根部缺陷并處理，避免產(chǎn)生“死口”，提高了焊接質(zhì)量。

（4）山區(qū)管道焊接必須進(jìn)行6G位焊工考試，根據(jù)焊接距離與工藝結(jié)合確定焊接電纜選型，采取防止穿堂風(fēng)等措施進(jìn)行控制，有效提高焊接質(zhì)量。

（5）通過(guò)加大山區(qū)管道全自動(dòng)焊接設(shè)備與工藝的研究，推廣全自動(dòng)焊接技術(shù)的應(yīng)用，可以有效提高焊接質(zhì)量。

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