油氣管道環焊縫焊接施工應關注的問題及建議*

隋永莉， 曹曉軍， 胡小坡

（1.油氣管道輸送安全國家工程實驗室，河北 廊坊065000；2.中國石油天然氣管道科學研究院，河北 廊坊065000；3.中國石油天然氣管道局安全環保部，河北 廊坊065000；4.中國石油天然氣管道建設項目經理部工程管理處，北京100084）

0 前 言

近年來，管道建設用鋼管的強度等級、管徑、壁厚和輸送壓力不斷升級，這對管道現場焊接施工技術提出了新的挑戰，也使得高鋼級管道環焊縫的質量與安全問題突顯，成為制約管道發展的瓶頸。

長輸管道現場焊接施工的特點主要表現為焊接場所始終處于動態條件下，焊接施工的自然環境和人文環境復雜多變，焊接過程中管段固定條件不穩定，焊接操作包括了 “平、立、橫、仰”全位置，焊接工藝方法種類多樣等。這些都是影響環焊縫焊接質量與安全的主要因素。此外，不同焊接作業機組間管道閉合的連頭焊接、不合格焊縫金屬的返修焊接、高寒地區的冬季焊接、地質條件本身存在的沉降和滑移等特殊地區的管道焊接，也是油氣管道環焊縫焊接施工應關注的問題。

1 管道環焊縫焊接施工應關注的問題

1.1 連頭焊接

根據 《石油工程建設基本術語》的規定，連頭焊口是指用一段鋼管將兩個相鄰固定管道連接在一起的焊接接頭，俗稱死口（tie-in，即為受拘束的、不能自由活動的）。連頭焊口中有一種不能參與管道試壓的特殊焊口，稱為金口（golden joint），大多處于新老管線連接處，或先管道試壓、清洗再安裝的管道連接、儀表等位置。

但在實際管道建設過程中，“連頭”還有著更為廣泛的意義。作業機組通常將所進行的后期管道閉合連接的焊接作業統稱為 “連頭”作業，涉及到的焊口既有線路焊口 （焊口一側為自由端），也有真正意義的連頭焊口 （焊口兩側均為固定端），此時所采用的焊接工藝應該是有所不同的，分別為線路焊接工藝規程和連頭焊接工藝規程。

本研究所討論的連頭為受拘束的、不能自由活動的焊口的焊接。連頭焊口由于在坡口尺寸精度、組對管段軸線角度、焊接過程中溫差變化、位置空間不利于操作等技術方面受到限制，在保證焊接質量上有難度，常常存在著安全隱患。近年來我國的管道建設投產過程中發生的生產安全事故很大一部分是與連頭焊口的焊接質量問題相關的。因此，應從技術角度和管理層面對此投入更多的關注。

1.2 返修焊接

在業界焊縫返修與修補往往是人們爭論的話題，包括技術上的、管理上的以及所帶來的質量與安全風險的差異。筆者認為，返修是指對通過目視檢查、無損檢測等方法發現的焊縫缺陷 （如未熔合、氣孔、夾渣等），在受控的狀態下由返修焊工采取打磨和焊接來完善焊縫質量的手段。修補是指對焊接過程中發現的表面缺陷 （如根部燒穿及未焊透、表面氣孔和夾渣、咬邊、余高不足等），由焊工自行通過打磨和焊接以保證焊接質量的手段。

從對焊接質量影響的角度考慮，返修與修補的不同之處主要在于所承受的拘束應力的不同。返修多為多層焊接，需對多層、甚至是全壁厚焊縫金屬進行打磨、焊接，才能完全清除缺陷，修補多為表面打磨或單層焊接，如根焊、表面焊或填充焊的某一層。另外，返修焊口的兩側多為長管道固定端，修補焊縫的一側多為一根鋼管自由端。因此，返修焊接過程中受到的拘束應力遠高于修補焊縫。

焊口承受的應力和返修焊工的操作水平對返修焊接質量具有很大的影響。為避免焊接接頭產生裂紋缺陷，返修焊接應在受控狀態下，由具有返修資格的焊工按照返修焊接工藝規程進行焊接，并嚴格執行規定的最小修磨長度、預熱方法、預熱溫度和無損檢測方法等。

1.3 高寒地區的冬季現場焊接

NB/T 47015—2011規定初始的焊件溫度不應低于-20℃，當焊件溫度為-20～0℃時，應在始焊處100 mm范圍內預熱到15℃以上。俄羅斯干線管道建設標準СНИП III-42-80規定環境溫度不低于-50℃時允許進行焊接作業，環境溫度不低于-40℃時允許進行管道吊裝等機械作業。而API 1104，SY/T 4103，SY/T 4125和GB 50369等油氣管道建設標準規定焊接環境溫度不應低于焊接工藝規程的規定溫度。

從國內外管道工程的施工經驗可以看出，在施工人員能夠耐受的低溫環境條件下可以進行焊接施工。如前蘇聯的烏連戈依—中央輸氣管道系統經過永凍土區的施工，美國阿拉斯加管道工程經過北極圈內的永凍土區施工，加拿大阿爾伯塔省北部地區北極圈內等，焊接施工的最低環境溫度達到了-46℃。我國建設的俄羅斯遠東—太平洋管道工程、哈薩克斯坦肯基亞克鹽下油田管道工程、西部原油成品油管道工程、西氣東輸二線西段管道工程及漠大線管道工程等，焊接施工的最低環境溫度達到了-28℃。

環境溫度較低時，高強度管線鋼環焊縫焊接存在的主要問題包括：①焊縫冷卻速度加快，出現淬硬組織，冷裂紋敏感性相應增加；②低溫環境下預熱效果變差，保持焊縫道間溫度困難，增加焊縫一次結晶的區域偏析，在較大的拉應力場作用下焊縫中心易發生結晶裂紋；③嚴寒、冰雪天氣使施工機具、焊接設備的可靠性降低；④焊工對寒冷的耐受力直接影響焊接質量。

1.4 沉降和滑移等地質條件下環焊縫承載狀態

相同輸送壓力條件下，隨著管道鋼管強度等級的提高、直徑的增大、壁厚的減薄，鋼管的徑厚比增大，管道穩定性降低，管道環焊縫受外部載荷的影響而發生破壞的概率增大。

在只承受內壓的情況下，環焊縫水壓試驗時所承受的軸向應力最大，約為環向應力的1/2，而在管道正常運行過程中所承受的軸向應力則約為環向應力的1/3，這也就意味著經過水壓試驗的環焊縫完全有能力承受管道運行過程中的內壓。

當環焊縫承受了內壓以外的其他外部載荷（如強力組對、地質沉降和土壤滑移等側向應力）時，其所承受的軸向應力大大增加，在應力集中作用的影響下易在焊縫根部或近縫區發生開裂。因此，對環焊縫的焊接工藝設計、管口組對質量應給予更多的關注。

2 管道環焊縫焊接施工建議

2.1 連頭和返修的根焊宜采用上向焊

上向焊和下向焊是根據焊接時的焊接方向來區分的。由于焊接熔池為液態，具有向下流動的重力屬性，為了能夠托住熔池一般都采用上向焊，上向焊也被稱為傳統焊。下向焊時需要采用專用的焊接材料，如纖維素型焊條、專用低氫型焊條等，下向焊具有熔池粘度大、可快速凝固的特性，焊接速度快。近年來，隨著管道建設的快速發展，下向焊方法被越來越多的焊工所掌握，尤其是纖維素型焊條下向焊、自保護藥芯焊絲半自動下向焊等，傳統的上向焊方法反倒逐漸減少。

目前管道建設使用的一些焊接材料 （如纖維素焊條），既可進行下向焊也可進行上向焊。纖維素焊條下向根焊時的對口間隙為2.0 mm左右，焊接速度快，焊層厚度約2.0 mm，該方法大多用于順序組對焊口的根部焊接。纖維素焊條上向根焊可適應的對口間隙為3.5 mm左右，焊接速度較慢，焊層厚度約3.0 mm，該方法多用于管道連頭、返修和管口組對質量不能保證焊口的根部焊接。

采用小直徑焊條上向焊進行連頭和返修根焊的方法，首先可更好地適應由于現場切割、管口橢圓度、溫差變化和外對口器組對等因素造成的組對坡口尺寸誤差，焊工容易通過變化運條方式、降低焊接速度等手段保證根焊質量；其次，可將根焊道最后的封口留在有利于焊接操作的位置，避免最后一段閉合縫焊接時因管內外劇烈的空氣對流而產生焊接缺陷；最后，可保證根焊層的厚度，避免拆除外對口器時因拘束應力過大而引發焊接裂紋。

現場施工過程中，當實際的連頭或返修管口的組對坡口尺寸精度良好時，技藝高超的焊工會采用下向焊的方法完成根部焊接 （與順序組對焊口的焊接工藝相同），以快速完成管道閉合，此時若經后續監督環節驗證焊縫質量合格，則不會對管道的本質安全造成重大影響。但也存在這樣的情況，即同一焊口中坡口尺寸良好的位置 （如立焊）采用了下向焊方法根焊，而其他坡口尺寸較差的位置（如平焊或仰焊）又采用上向焊方法根焊，此時會因焊接方向和焊接順序的變化而導致焊縫金屬產生過大的殘余應力和焊接變形，具有一定的質量與安全風險。

2.2 返修焊的填充、蓋面不應采用自保護藥芯焊絲

自保護藥芯焊絲半自動焊的焊接速度快，合格率高，是我國管道建設中普遍使用的焊接方法。但返修焊口由于拘束應力大、焊接長度短、焊接位置多不利于操作等原因，成為整個管道的最薄弱環節，若采用自保護藥芯焊絲進行填充、蓋面，存在著環焊縫韌性難以保證的不利影響，且這種焊縫金屬性能的變差只能通過破壞性試驗才能檢驗到，不能通過后續的無損檢測環節發現。其帶來的管道運行安全隱患為，焊縫金屬中的焊接缺欠有可能由于韌性差而在外力的作用下發展為裂紋源。

自保護藥芯焊絲的返修焊縫韌性難以保證，首先是由于道間溫度的影響，返修焊縫長度較短，焊接過程中常超過80～120℃的最佳道間溫度，使得焊縫金屬韌性的穩定性變差。其次是由于焊接操作穩定性的影響，返修焊接大多在仰焊位置，操作難度大，有的焊工需要采用小電流、滅弧法才能形成滿意的外觀成形，但這卻造成了電弧穩定性差、焊縫金屬中氮含量高導致焊縫金屬韌性下降。最后是由于焊縫接頭的影響，自保護藥芯焊絲半自動焊工藝固有的缺點是焊縫金屬韌性離散，一般的分析認為與母材冶金成分、藥粉灌裝均勻性、焊接穩定性等條件相關，返修焊縫段接頭層疊，韌性更差。

因此，對于X65及更高強度級別的管道，推薦采用擴散氫含量低、焊縫金屬性能穩定的低氫型焊條上向焊或低氫型焊條下向焊的方法進行焊接。由于低氫型焊條下向焊的焊接工藝性能差，對焊工的技能水平要求也高，所以返修焊接大多采用低氫型焊條上向焊的方法。

2.3 高寒地區現場焊接

高寒地區管道建設過程中，當環境溫度低至鋼管或環焊縫的韌脆轉變溫度以下時，將發生脆性破壞的危險，應在設計、鋼管采購及焊接工藝評定等環節就對可能遇到的最低施工環境溫度給予充分的考慮。

吊管機、推土機、挖掘機、對口器、坡口機、焊接工程車、焊接電源等機具和設備，在-20℃以下的環境下將會出現發動機啟動困難或不能啟動，傳動、液壓和電器系統不能正常工作等問題，應提前做好防護措施。如油管、氣管、液壓管要適合低溫環境；采用燃油加熱器或電加熱器對設備的發動機、燃油箱、燃油管路、液壓油箱及管路進行啟動前的預熱；進入冬季前更換低溫用潤滑油、液壓油、柴油和冷卻液；對口器在空壓機出口處加裝空氣干燥器或酒精罐，防止供氣回路結冰，影響使用等。

焊接作業應在防風棚或保溫棚內進行，環境溫度低于-20℃時宜采用小流水作業的施工方式，有利于保證層間溫度，同時可避免未完成焊口在低溫環境下長時間放置，并可在施工現場采用埋弧焊或氣保護自動焊進行 “二接一”、 “三接一”的預制。焊口預熱、道間溫度保持應采用中頻感應加熱裝置。

寒冷環境中，焊工受勞動防護品保暖性和輕便性，及人體耐受能力的影響，會使焊接過程更易出現誤操作。因此，應加強HSE管理，做好人員取暖、保暖工作。

2.4 沉降和滑移等地質條件下環焊縫焊接

當管道處于有可能發生地質沉降、土壤滑移等特殊地段時，環焊縫的焊接宜采用高強匹配的焊接工藝，保證焊接接頭的整體強度高于管體。當鋼管具有焊接熱影響區軟化傾向時，還可采用增加環焊縫蓋面寬度的方法進行焊接熱影響區的補強。

應避免在這類地段內，尤其是沉降、滑移的邊緣地帶進行管道連頭，盡量采用順序組對的施工方式，降低環焊縫組對、焊接過程中的施工應力。

采用溝下焊接時，可適當增加管溝寬度，確保環焊縫焊接后的殘余應力較小。

2.5 其他

參考歐美或俄羅斯管道建設經驗，在監理部門和（或）承包商項目部設立焊接總監，負責焊接施工關鍵環節的技術把關，如為某段管道選擇適宜的焊接工藝、焊接施工過程中主要問題的分析與整改、關鍵點多次返修的認可及簽署等。

將質量檢查的重點放到施工過程中，確保焊接過程規范、有序，現場施工資料可追溯性強。總結、歸納出管道建設過程中的技術關鍵點，并加以有效控制，如使用母材、焊材、焊接工藝執行的正確性，是否存在強力組對、連頭和返修全過程受控等。

3 結 論

針對油氣管道現場焊接施工中應關注的問題，給出了以下焊接施工建議，希望以此提高油氣管道環焊縫的安全性和可靠性。

（1）連頭和返修焊口的根焊采用上向焊方法，可保證大部分焊工能夠在現場條件下完成高質量的焊接。應避免采用上向和下向混合操作的方法進行根焊焊接。

（2）返修焊口的填充、蓋面焊接采用低氫焊條上向或下向焊的方法，可保證焊縫金屬性能，不應采用自保護藥芯焊絲。

（3）應從設計、鋼管、環焊縫的角度對管道建設中可能遇到的最低施工環境溫度給予充分考慮。冬季焊接施工前應提前做好設備和人員的防護工作，采用小流水作業、中頻感應加熱等焊接施工方法有利于保證焊縫性能。

（4）承受側向應力的環焊縫應采用高強匹配的焊接工藝，焊接施工中宜注意采取能夠降低焊接殘余應力的措施。

[1]NB/T 47015—2011，壓力容器焊接規程[S].

[2]Q/SY 4103—2006，鋼質管道焊接及驗收[S].

[3]SY/T 4125—2013，鋼質管道焊接規程[S].

[4]СНИП III-42-80， Магистральныетрубопроводы.Правилапроизводства и приемкиработ[S].

[5]API 1104，Welding of Pipelines and Related Facilities[S].

[6]GB 50369—2006，油氣長輸管道工程施工及驗收規范[S].

[7]隋永莉，于永超，王建國.長輸管道連頭施工技術研究[J].石油天然氣學報，2011，33（09）：304-306.

[8]隋永莉，薛振奎.西氣東輸二線管道工程的焊接技術特點[J].電焊機，2009，39（05）：18-21.

[9]曾惠林，隋永莉.西氣東輸二線干線管道冬季焊接技術研究[J].壓力容器，2009，26（06）：46-49.

[10]隋永莉，王福柱.長輸管道建設中焊接設備的應用現狀與發展趨勢[J].電焊機，2006，36（12）：1-3.