油氣管道工程建設(shè)環(huán)焊縫質(zhì)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(wǎng)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(lián)互通等多個重點油氣工程建設(shè)構(gòu)筑了“東北、西北、西南、海上”四大油氣戰(zhàn)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(wǎng)格局，有力推動了國家油氣管網(wǎng)業(yè)務的穩(wěn)健發(fā)展[1]。同時國家《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》 提出：“到2020 年，全國油氣管網(wǎng)規(guī)模達到16.9×104km，到2025 年，達到24×104km”。未來一段時期，中國管網(wǎng)建設(shè)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(shè)任務依然繁重。但隨著國內(nèi)外建設(shè)環(huán)境的變化，工程項目管理和工程建設(shè)質(zhì)量存在的突出問題也進一步凸顯，天然氣管道運行期間發(fā)生質(zhì)量事故易造成較大的社會負面影響，環(huán)焊縫質(zhì)量問題已引起各方高度關(guān)注，因此破除質(zhì)量提升瓶頸，進一步強化焊接施工質(zhì)量管理，建設(shè)“精品工程、優(yōu)質(zhì)工程、百年工程”，是實現(xiàn)油氣管網(wǎng)“本質(zhì)安全、卓越運營”的重要保障。

1 環(huán)焊縫失效統(tǒng)計及原因分析

1.1 環(huán)焊縫失效統(tǒng)計

對2003—2018 年間國內(nèi)油氣長輸管道共發(fā)生的23 起環(huán)焊縫失效事件的不完全統(tǒng)計分析表明，環(huán)焊縫失效事件均發(fā)生在采用半自動焊接、手工電弧焊接的環(huán)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(huán)焊縫失效現(xiàn)場照片。

圖1 某長輸管道環(huán)焊縫失效現(xiàn)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(fā)生4 起管道施工試壓和運行過程中的環(huán)焊縫失效，焊口失效的原因與變壁厚、錯邊、焊接工藝執(zhí)行不當、外部載荷等因素有關(guān)[2]。

1.2 環(huán)焊縫失效原因分析

通過對國內(nèi)外環(huán)焊縫失效案例進行統(tǒng)計及失效原因的初步分析，發(fā)現(xiàn)引發(fā)環(huán)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(huán)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(huán)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(chǎn)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(huán)焊縫失效的根源，采用魚骨圖分析法，圍繞焊接工藝規(guī)程的制定及執(zhí)行、環(huán)焊縫失效管控等方面的問題，從“人、機、料、法、環(huán)”的角度逐一進行原因分析。

（1） 焊接工藝規(guī)程的制定及執(zhí)行方面的問題分析。結(jié)合環(huán)焊縫失效調(diào)查報告及油氣管道近一年來檢查發(fā)現(xiàn)的焊接問題，對焊接工藝規(guī)程制定及執(zhí)行方面存在的問題進行總結(jié)、歸納如下：第一，焊工能力不足，責任心不強，監(jiān)理工程師業(yè)務水平不高；第二，焊接設(shè)備的維護保養(yǎng)不到位，焊接機組人員缺乏自動焊設(shè)備維護相關(guān)經(jīng)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(guī)程制定過程無第三方監(jiān)督；第五，焊接工藝執(zhí)行的監(jiān)管力度不夠；第六，焊接工藝規(guī)程制定單位對施工現(xiàn)場環(huán)境、操作復雜情況考慮不足，焊接工藝對現(xiàn)場的適應性有待提高等。焊接工藝規(guī)程制定及執(zhí)行問題的原因分析魚刺圖見圖2。

圖2 焊接工藝規(guī)程制定及執(zhí)行問題的原因分析魚刺圖

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

圖3 環(huán)焊縫失效管控原因分析魚刺圖

2 國內(nèi)外焊接對標及改進建議

2.1 國內(nèi)外焊接對標

為學習借鑒國外管道建設(shè)的先進技術(shù)和管理經(jīng)驗，與ISO 國際標準化組織標準，ASME、API 等國際行業(yè)協(xié)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(yè)標準關(guān)鍵技術(shù)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(shè)標準，旨在通過找差距、補短板、上水平，研究提升管道建設(shè)焊接質(zhì)量管理水平的方法和措施。

2.2 焊接對標內(nèi)容

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

表1 對標內(nèi)容及名稱

2.3 對標結(jié)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(shè)備的規(guī)定，對預熱和層間溫度、焊縫層數(shù)和道數(shù)、施工初期的磨合、自動超聲波檢測結(jié)果的反饋時間等焊接施工管控方面進行對標，得出以下結(jié)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(chǔ)上，對相關(guān)因素和試驗做了更為嚴格的規(guī)定。

（2） 試驗項目除拉伸、刻槽錘斷、彎曲外，還規(guī)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(jié)果表明，目前國內(nèi)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(zhì)量管控方面進行比對，存在以下差異：第一，關(guān)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(guī)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(zhí)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(guī)定了焊后熱處理的工藝。對于中俄東線管道，依據(jù)相關(guān)科研成果，規(guī)定了連頭焊口組對時兩側(cè)未回填管段的長度，以降低組對應力。

2.4 改進建議

根據(jù)對標結(jié)論，結(jié)合國內(nèi)油氣管道建設(shè)現(xiàn)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(nèi)坡口改進為孔錐形內(nèi)坡口，以有效降低環(huán)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(guān)于焊材檢驗的技術(shù)要求，以進一步完善工程驗收標準；其三，優(yōu)化焊接工藝評定過程管理及審核發(fā)布程序，以提升焊接工藝評定的適用性。

3 環(huán)焊縫質(zhì)量提升措施與方法

3.1 推廣應用自動焊技術(shù)

國外管道自動焊技術(shù)與設(shè)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(shè)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(shè)備有CRC和SERIMAX。俄羅斯在建的西伯利亞力量管道，根據(jù)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(shù)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(jīng)歷中靖、陜四、中俄原油二線等工程的技術(shù)改進和經(jīng)驗積累，自動焊技術(shù)在中俄東線北段工程中得到全面推廣。

相比傳統(tǒng)管道手工焊和半自動焊，管道自動焊技術(shù)在焊接接頭強度、韌性等指標方面綜合性能優(yōu)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(zhì)量帶來的不可控風險，提高管道建設(shè)和運行的安全性和可靠性，有效保障環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量和焊接過程的穩(wěn)定性，成為國內(nèi)外焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢。

3.2 著力提升焊縫接頭性能

環(huán)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(huán)焊縫失效高發(fā)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(fā)環(huán)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(yōu)化變壁厚焊口內(nèi)坡口形式。變壁厚焊口內(nèi)對齊焊接可以有效降低不等壁厚焊縫應力集中和現(xiàn)場施工的困難，提升現(xiàn)場焊接質(zhì)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(xiàn)現(xiàn)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(zhì)量，應進一步研究縮小鋼管屈服強度波動范圍的技術(shù)經(jīng)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(jié)合焊接熱影響區(qū)的試驗，全面分析強度匹配和熱影響區(qū)軟化對焊接接頭應變能力的影響，規(guī)定鋼管化學成分、強度以及不同焊接條件下熱影響區(qū)所允許的軟化限值，結(jié)合焊接工藝的優(yōu)化，使環(huán)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(huán)節(jié)。對管道連頭焊接殘余應力的產(chǎn)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(qū)域殘余應力場，形成連頭焊接殘余應力控制技術(shù)，降低管道連頭焊接殘余應力。

3.3 優(yōu)化焊接工藝管理過程

焊材選用與檢驗、焊接工藝制定與執(zhí)行、焊接工藝適用性是影響焊縫質(zhì)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(zhì)量提升；優(yōu)化焊接工藝制定和執(zhí)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(shù)條件?；趪鴥?nèi)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(zhì)單，進一步明確油氣管道焊接材料選用原則及檢驗規(guī)范，加強焊材質(zhì)量管理，確保焊材質(zhì)量受控。

（2） 細化焊接工藝評定。焊接工藝制定過程中，根據(jù)設(shè)計文件、鋼管數(shù)據(jù)單規(guī)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(guī)格分類確定焊接工藝，按化學成分（如C 含量區(qū)間） 和冷裂敏感系數(shù)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(zhì)量造成的影響。

（3） 加強焊接工藝規(guī)程制定的管理。將現(xiàn)場環(huán)境條件作為焊接工藝評定的重要因素，細化溝下焊作業(yè)標準，保證焊接工藝規(guī)程與現(xiàn)場施工條件的一致性。建設(shè)單位委托第三方專業(yè)機構(gòu)對焊接工藝評定過程進行監(jiān)督。形成編制單位和監(jiān)督單位確認的焊接工藝規(guī)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(jié)合現(xiàn)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(shè)單位組織專家審查并正式審批發(fā)布焊接工藝規(guī)程，用于現(xiàn)場施工。

（4） 加強焊接工藝規(guī)程執(zhí)行管理。完善百口磨合期后的焊接接頭抽檢要求，根據(jù)割口試驗和施工單位的工藝執(zhí)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(yōu)化。發(fā)現(xiàn)焊材與焊接工藝不一致或焊材未復檢，發(fā)現(xiàn)私割私改、私自返修、違反焊接工藝規(guī)程，發(fā)現(xiàn)焊接層數(shù)、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(guān)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(zhì)量及技術(shù)管理人員加強現(xiàn)場監(jiān)督管理，強化對焊接工藝規(guī)程執(zhí)行的監(jiān)督管理。

3.4 加強焊工全過程管理

施工單位應優(yōu)化焊工用工機制，規(guī)范并加強焊工管理，培育業(yè)務素質(zhì)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(nèi)容和形式、培訓效果評估、培訓結(jié)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(zhì)量。著力提升焊工的誠信意識、依法合規(guī)意識，鼓勵工匠精神，形成作風優(yōu)良、技術(shù)精良的施工隊伍。

針對工程特點，在現(xiàn)場環(huán)境或模擬現(xiàn)場環(huán)境條件下進行焊工考試，提高焊工對現(xiàn)場環(huán)境的適應性等。借鑒西伯利亞力量管道的相關(guān)規(guī)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(diào)整為3 個月。

3.5 嚴格焊機和焊材管理

從認證管理、統(tǒng)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(shè)備和焊材的管理提升。

第一，借鑒俄氣做法，建設(shè)單位組織對符合通用標準和專用規(guī)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(tǒng)一由建設(shè)單位組織采購，焊材的選用應符合焊接工藝規(guī)程要求。第三，加強焊機、焊材準入管理，核查焊機和焊材的數(shù)量、品種、包裝的完好性，質(zhì)量證書和操作說明書、技術(shù)指導性文件應齊全，對焊機、焊材與焊接工藝規(guī)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(nèi)；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(nèi)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(zhì)量合格、質(zhì)量證明文件齊全方可入庫；不同種類的焊材應根據(jù)生產(chǎn)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(yōu)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(shù)） 等實現(xiàn)對焊機、焊材的信息化管理，加強現(xiàn)場管理力度，保證現(xiàn)場使用的焊材和焊機均已報驗。

4 結(jié)束語

環(huán)焊縫質(zhì)量隱患給管道運行安全帶來了巨大隱患，本文從環(huán)焊縫質(zhì)量產(chǎn)生的原因進行了分析，對標了國內(nèi)外主要焊接標準在技術(shù)與管理方面的差異，借鑒先進和有效做法，從人員、材料、設(shè)備、技術(shù)等方面提出了油氣管道環(huán)焊縫質(zhì)量提升的措施和方法。文中提出的部分關(guān)于技術(shù)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(huán)焊縫的焊接質(zhì)量。