地震斷裂帶穿越用X80 HD2抗大變形鋼管對接環(huán)焊縫焊接工藝質(zhì)量分析及控制

吳強，夏翾

1.中國石油遼河油田分公司建設工程公司（遼寧盤錦124000）2.遼寧鶴城建設集團有限責任公司（遼寧盤錦124000）

地震斷裂帶穿越用X80 HD2抗大變形鋼管對接環(huán)焊縫焊接工藝質(zhì)量分析及控制

吳強1，夏翾2

1.中國石油遼河油田分公司建設工程公司（遼寧盤錦124000）2.遼寧鶴城建設集團有限責任公司（遼寧盤錦124000）

介紹了西氣東輸三線西段工程X80 HD2抗大變形鋼管力學性能、焊接接頭技術要求、主要焊接方法及焊接熱影響區(qū)存在的軟化問題。針對X80 HD2抗大變形鋼管焊接難點，通過對焊條電弧焊、半自動焊和自動焊，以及上述焊接方法的組合焊接方法、質(zhì)量特性進行分析，同時結合西氣東輸三線工程實際，優(yōu)化選擇焊接工藝，確定補強覆蓋焊接法為X80 HD2抗大變形鋼管對接環(huán)焊縫焊接工藝。在焊接質(zhì)量管理方面，通過焊工資格的審定、上崗資格的認定、上崗資格證管理，開展“雙證”管理；在焊接過程質(zhì)量管理方面，通過對焊接工藝補強覆蓋、流水作業(yè)模式等影響焊接質(zhì)量的各個關鍵環(huán)節(jié)實施有效控制，并針對補強覆蓋存在的問題分析原因、制定措施，使焊接質(zhì)量達到了預期效果。

X80 HD2抗大變形鋼管；補強覆蓋；焊接工藝；質(zhì)量控制

The mechanical property of the X80 HD2 ant-deformation steel for the west segment of the third west-east natural gas transmission pipeline,the technical requirements for welded joints,the main welding methods and the softening of welding heat affected zone are introduced.According to the difficulties in the welding of X80 HD2 heavy deformation steel,the electrode welding,the semi-automatic welding,the automatic welding,their combination welding methods and the quality characteristics of the welding methods are analyzed,the welding technology is selected for the X80 HD2 ant-deformation steel,and strengthening and covering welding method is determined as the welding technology of X80 HD2 ant-deformation steel.The management of welding quality is strengthened by the qualification of welders,the identification of post qualification and the management of post qualification;the quality management of welding process is strengthened by the strengthening and covering of welding process and the application of flowshop mode.The problems existing in the reinforcement cover are analyzed and the measures are worked out to ensure the welding quality to achieve the desired effect.

X80 HD2 ant-deformation steel；reinforcement coverage；welding technology；quality control

西氣東輸三線天然氣管道工程西段是我國實施能源戰(zhàn)略的重點項目之一，是我國能源進口的西北通道之一，起于新疆霍爾果斯，止于寧夏中衛(wèi)，途經(jīng)新疆、甘肅、寧夏3個省、自治區(qū)，線路長2 459 km，設計輸量300×108m3/年，管徑1 219 mm，設計壓力12 MPa。

第五標段共穿越地震斷裂帶10次，這些區(qū)域，管道需要能夠承受土壤移動引起的變形應力，管道穿越斷裂帶根據(jù)應變設計處理設防結果，主要采取優(yōu)化管道與斷層交角、基于應變設計的X80 HD2抗大變形鋼管等措施。規(guī)范對X80 HD2抗大變形鋼管對接環(huán)焊縫焊接接頭力學性能要求較高，焊接工藝也與普通X80管線鋼有較大差別。試驗表明：X80大變形鋼管經(jīng)不同焊接材料、組合的焊接工藝焊完后，HAZ(焊接熱影響區(qū))存在一定軟化現(xiàn)象[1]。這對焊接方法的選擇、焊接材料及及焊接工藝質(zhì)量控制提出了更高的要求。

1 X80 HD2抗大變形鋼管母材性能和焊接接頭要求

所謂大應變鋼管是通過特殊的生產(chǎn)工藝流程，使鋼管材料的組織由軟硬雙相或多相細晶組織組成，以軟相組織為基體、硬相組織相對均勻地彌散分布于軟相組織中，這樣鋼管受力時，軟相組織率先屈服變形，這種變形是沿鋼管截面相對均勻的變形。表1為X80 HD2抗大變形鋼管技術要求。

X80 HD2抗大變形鋼管環(huán)焊縫接頭的力學性能，主要依據(jù)Q/SY GJX 137.1—2012《油氣管道焊接技術規(guī)范第1部分：線路焊接》。要求如下：環(huán)焊縫橫向拉伸時，接頭整體抗拉強度應大于或等于管子名義抗拉強度，且斷裂位置不應在焊縫或近縫區(qū)；熱影響區(qū)造成的硬度降低應不大于母材硬度的10%。否則應采取補強覆蓋的方法進行焊接。X80 HD2抗大變形鋼管規(guī)格分別為Φ1 219mm×22mm和Φ 1 219 mm×26.4 mm。

表1 X80 HD2抗大變形鋼管技術要求

2 焊接方法質(zhì)量分析及選擇

依據(jù)標準Q/SY GJX 0211—2012《西氣東輸三線管道工程基于應變設計的X80鋼管焊接技術規(guī)范》要求，西氣東輸三線管道工程X80 HD2抗大變形鋼管的焊接方法包括焊條電弧焊、半自動焊和自動焊，以及上述焊接方法的組合焊接方法。

2.1 焊接方法質(zhì)量分析

1）采用半自動焊接組合焊接法。焊接X80大變形鋼管，會出現(xiàn)焊接熱影響區(qū)軟化導致接頭強度降低的問題，見表2。

表2 焊縫補強前后拉伸試驗結果對比

2）采用手工電弧焊接法。焊接接頭力學性能符合標準要求，但焊接操作較難，焊接質(zhì)量主要取決于焊工操作技能水平，質(zhì)量較難控制，效率非常低、抗風能力差，施工成本高。

3）采用半自動組合補強覆蓋焊接法。焊接質(zhì)量較高（表2為焊縫補強前后拉伸試驗結果對比[1]，補強覆蓋后，拉伸試件斷裂位置為母材，表明焊縫性能優(yōu)于母材，焊接材料為HOBART FABShield X80），焊縫每層焊接效率快，操作易掌握，但補強焊縫增加金屬熔敷量，使整個焊口焊接效率下降，焊工需要培訓。

4）采用自動焊。需重新進行工藝試驗，焊接設備成本高，施工地形需要平坦地段，地勢起伏較多地段不適用。

通過對上述焊接方法的工藝、質(zhì)量、效率、經(jīng)濟性、人員及設備進行綜合優(yōu)選分析，確定補強覆蓋焊接法是X80 HD2抗大變形鋼管最佳焊接工藝。

2.2 補強覆蓋焊接法的定義

補強覆蓋焊接法的定義：由于焊接熱影響區(qū)軟化而導致接頭強度降低時，采用增加蓋面焊縫寬度和余高來實現(xiàn)焊接接頭的整體強度高于母材的焊縫成型方法，如圖1所示[2]。補強覆蓋法通過增加蓋面焊縫寬度和余高的方法，改善焊接接頭力學性能，增加接頭強度。通過補強覆蓋焊接法實現(xiàn)了焊接接頭高強度匹配[2]。當管線發(fā)生應變時，保證不斷裂在焊縫上，使之符合設計要求。

2.3 補強覆蓋焊接法根焊、填充及補強覆蓋焊縫焊接工藝方法的選擇

補強覆蓋焊接法焊縫由根焊層、填充層、補強覆蓋層3部分組成，分別采用RMD和FCAW焊接技術。

圖1 補強覆蓋焊接法示意圖

1）根焊采用RMD焊接技術。RMD即熔敷金屬焊接技術，是一種單面焊雙面成型根焊方法[3]。RMD焊接中，通過對短路過渡各階段電流值及電壓值等動態(tài)控制，輸氣系統(tǒng)對焊接熔池進行氣體保護，有效保障焊接質(zhì)量。具有焊接效率快、焊接質(zhì)量高、焊縫成型好、設備操作簡單優(yōu)點。

2）填充及補強覆蓋選擇FCAW焊接技術。FCAW指藥芯焊絲電弧焊[4]，焊接過程中通過焊絲芯部藥粉中造渣劑、造氣劑在電弧高溫作用下產(chǎn)生的氣、渣對熔滴和熔池進行保護。工藝特點：抗風能力強、焊接效率快、焊接質(zhì)量較高。

3）根焊層采用RMD，填充層及補強覆蓋層選擇FCAW焊接方法。采用此焊接法，可使焊接斷裂帶用X80 HD2抗大變形鋼管與焊接一般線路普通X80管線鋼所使用焊接材料、焊接設備相同。一個焊接機組，既可焊接X80 HD2抗大變形鋼管又可焊接普通X80管線鋼，使設備人員配置質(zhì)量、效益達到最佳化。

4）RMD(根焊層)+FCAW（填充層+補強覆蓋層）。兩種不同的焊接技術充分融合，通過流水施工模式及資源配置的優(yōu)化，使兩者組合，達到提高質(zhì)量、提高效率的目的。

3 焊接材料選擇及質(zhì)量控制

焊接材料選擇主要考慮焊接質(zhì)量和熔敷效率。根焊材料選擇金屬粉芯焊絲，粉芯材料為鈦粉和合金元素，具有熔敷效率和增加合金元素過渡作用。自保護藥芯焊絲，藥粉具有造氣、造渣、脫氧和合金過渡作用，是目前保護效果最好的焊接材料。

依據(jù)規(guī)范要求：對涉及結構安全、功能的有關產(chǎn)品應按專業(yè)工程質(zhì)量驗收規(guī)范的規(guī)定進行復驗[5]。焊接材料進場后，首先應核對質(zhì)量證明文件、焊條外觀進行檢查。合格后，依據(jù)上述規(guī)范要求按批次送有檢驗資質(zhì)的單位進行復檢。主要檢驗材料的力學性能和化學成分，焊接材料力學性能成檢驗結果見表3，焊接材料化學成分檢驗結果見表4。

4 焊工資格質(zhì)量管理措施

在焊工資格質(zhì)量管理方面，通過焊工資格的審定，上崗資格的認定，上崗資格證書管理辦法，開展“雙證”管理，即焊工應同時具備《特種設備作業(yè)人員證》和《上崗資格證》。

4.1 焊工資格的審定

依據(jù)規(guī)范要求：從事承壓類設備的受壓元件焊縫焊接工作的焊工，應持有《特種設備作業(yè)人員證》[4]。焊工考核組應對擬參加工程焊接作業(yè)的焊工應具備的相應資格進行審核和確認，重點查看焊工是否獲得工程線路鋼管相對應焊接工藝資格。

4.2 上崗資格的認定

表3 焊接材料力學性能

表4 焊接材料化學成分（質(zhì)量百分數(shù)）/%

焊工考核組使用批準的焊接工藝規(guī)程，對擬參加工程焊接作業(yè)，且通過資格審定的焊工進行上崗資格考試。上崗資格分為主線路根焊、主線路熱焊和填充焊、主線路蓋面焊、連頭焊及返修焊5種，焊工應根據(jù)其將從事的焊接作業(yè)，進行相應資格項目的焊接考試，并取得相應的上崗資格。

每名焊工應獨立、連續(xù)完成包括平焊、立焊和仰焊3個典型位置的扇形管段的焊接。返修焊應在合格焊口上3點～6點位置除去330 mm長全部焊縫，修出坡口和間隙，由焊工獨立完成焊接。上崗資格考試用鋼管應與工程用鋼管材質(zhì)和規(guī)格相同。所有考試焊口均應進行無損檢測，并應符合檢測相應級別要求。焊工上崗考試焊口不應打磨，外觀檢查不合格焊口，相應的操作人員不合格。

4.3 上崗資格證書管理

上崗資格認定機構應通過上崗資格認定的焊工頒發(fā)上崗資格證書。上崗資格證書應包括以下內(nèi)容：姓名、性別、單位、證書編號、身份證號及本人照片；工程名稱、考試合格項目、執(zhí)行標準；上崗認定機構蓋章和主考人簽字。取得上崗資格證的焊工，若中斷同類焊接方法的焊接工作超過6個月，應重新進行上崗資格認定

5 焊接過程關鍵環(huán)節(jié)質(zhì)量控制措施

5.1 各工序質(zhì)量控制要點

1）坡口加工。坡口加工的尺寸嚴格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程要求的坡口尺寸；經(jīng)常性的檢查坡口加工尺寸，校驗坡口加工設備的精度；坡口夾角位置應細致測量，防止作業(yè)中焊槍送不到位現(xiàn)象；管端坡口加工后，如有內(nèi)卷邊應用銼刀或電動砂輪機清除整平。

2）管口組對。為避免焊接產(chǎn)生根部未融合、未焊透及氣孔缺陷，組對前應嚴格檢查坡口鈍邊尺寸、錯變量、間隙、管內(nèi)外表面及坡口兩側清理情況，使之符合規(guī)程要求。組對應采用吊管機進行，嚴禁使用吊車及其他設備。兩相鄰制管焊縫在對口處應相互錯開，距離不小于100 mm；管端兩側各150 mm范圍內(nèi)的內(nèi)、外制管焊縫應按規(guī)范要求進行修磨，修磨后的余高為0～0.5 mm，且不得傷及母材。

3）預熱、層間溫度。預熱溫度為100～200℃，加熱寬度宜為坡口兩側各50 mm；層間溫度為60～150℃。采用火焰加熱、電加熱或感應加熱。測溫應在距管口25 mm處圓周上均勻測量。

4）保護氣體。使用前，應檢查氣體純度及配比，如質(zhì)量有問題，不應使用。二氧化碳氣體純度不應低于99.5%，使用前應預熱干燥，當瓶內(nèi)氣體壓力低于0.98 MPa時，應停止使用；氬氣純度不應低于99.5%。保護氣體成分比例嚴格按照焊接工藝規(guī)程執(zhí)行。

5）焊接環(huán)境。當施焊環(huán)境條件不符合規(guī)范要求時，應采取增加防風棚、石棉被保溫、焊后緩冷等防護措施，否則嚴禁施焊；組對完畢焊接作業(yè)前，在鋼管兩側采用防風帽封堵防止管內(nèi)空氣流速過快影響根焊質(zhì)量。

6）焊接設備。焊接設備啟動前，應檢查設備、指示儀表、開關位置、電源極性及保護氣體等是否符合要求。焊接地線應靠近焊接區(qū)并與被焊管牢固接觸，不應產(chǎn)生電弧灼傷母材。

7）對口器撤離。為使管子對接處錯邊量減少，應優(yōu)先使用內(nèi)對口器。完成根焊后移去內(nèi)對口器可防止由于強力造成焊接處開裂，因此，應在根焊完成后拆卸和移動對口器。移動對口器時管子應保持平衡[6]。

8）根焊、填充焊。保護氣體流量應在規(guī)定范圍內(nèi)，防止流量過低或過高；夾角位置焊絲要擺到位，防止形成未熔合缺陷。為保證焊縫余高符合要求，填充焊道應填充至距離管外表面1～2 mm處。焊接時，發(fā)現(xiàn)偏吹、黏條、表面氣孔或其他不正?，F(xiàn)象時，應立即停止焊接，修磨后繼續(xù)焊接；相鄰焊道的起弧或收弧處應相互錯開30 mm以上，焊接前每一個引弧點和接頭應修磨，修磨接頭后繼續(xù)焊接。

9）補強覆蓋面焊縫焊接。蓋面焊縫時，應先對焊縫兩側的焊趾進行補強覆蓋焊接，焊接過程中可微擺，以達到整體焊縫的寬度要求。然后再進行焊縫中心的多道焊，以達到整體焊縫的余高要求。余高超高時應打磨至要求的范圍內(nèi)，打磨余高應與母材圓滑過渡，且不得傷及母材。焊接完成后，焊縫表面應清除焊縫表面熔渣、飛濺和其他污物。

10）補強覆蓋面焊縫表面處理。補強覆蓋面焊縫相鄰焊道間的溝槽底部應滿足補強覆蓋焊接法對余高的要求，焊道間的溝槽深度（焊道與相鄰溝槽的高度差）不應超過1.0 mm，焊縫表面魚鱗紋的余高和深度也應符合上述要求。

11）焊接檢驗批的驗收。按檢驗程序、檢驗批劃分及時組織檢驗批驗收。主控項目焊接材料、無損檢測，按10%比例抽查，焊縫及熱影響區(qū)表面、一般項目抽查10點（處）[7]。

5.2 流水模式質(zhì)量控制要點

X80 HD2抗大變形鋼管技術作業(yè)，采用分層焊接流水模式，如圖2所示。以焊口所在層為單元，將施工設備分別布置在相應焊口層位置，形成階梯層施工。設備、人員配置等組合對施工質(zhì)量影響很大，需要重點控制。

1）流水作業(yè)時焊接設備多，人員多，應按流水層次配備足夠加熱設備、溫度檢測設備、焊接檢測工具，做好焊接過程各項檢查及記錄，這是保證每層焊接質(zhì)量的關鍵。

圖2 分層焊接流水模式

2）冬季施工采用流水作業(yè)時，組對及根焊采用中頻加熱；熱焊、填充及蓋面焊前采用電加熱焊接。為防止焊縫散熱快，在完成一道焊層后，應使用保溫被對焊口進行包裹。

3）為保證焊接流水作業(yè)的完整性和連貫性，當日的焊口不能全部完成，但應完成50%鋼管壁厚且不少于3層焊道。未完成的焊口采取干燥、防水、隔熱的材料覆蓋，次日焊接前預熱至焊接工藝規(guī)程要求的最低溫度后進行連續(xù)焊接。

6 補強覆蓋焊縫存在問題及解決措施

6.1 補強覆蓋焊縫沿整個圓周焊縫寬窄不一、寬度不符合規(guī)范要求

原因分析：焊工習慣以坡口邊緣為基準，確定焊縫壓邊寬度，通常焊縫壓邊寬度0.5～2 mm，較好掌握，但補強覆蓋焊縫寬度較大，焊趾邊緣距坡口邊緣較遠，焊工在焊接過程中，很難把握準確距離。

解決措施：沿管口周向等分10點，按規(guī)范要求預確定焊趾距坡口邊緣的距離，沿整個圓周標記焊趾邊緣基準線。

6.2 補強覆蓋焊縫余高不符合規(guī)范要求

原因分析：補強覆蓋焊縫采用多道焊接，焊縫相鄰焊道間容易形成的溝槽，使溝槽底部余高不能滿足要求；藥芯焊絲電弧焊下向焊焊層較薄，或填充焊、蓋面層厚度不夠。

解決措施：當相鄰焊道間的溝槽底部不滿足余高的要求，應根據(jù)焊縫實際情況，對相鄰焊道間形成的溝槽進行補焊1道或3道，圖3中焊縫5為補焊1道后的焊縫余高。在焊接規(guī)范允許范圍內(nèi)，適當增加填充焊層和蓋面焊層厚度。

7 質(zhì)量管理措施

1）建立焊接質(zhì)量管理體系，明確各部門、人員職責；建立焊接材料、焊接工藝、焊接檢驗各工序管理制度。

圖3 補強覆蓋焊縫補焊后的焊縫余高

2）施工現(xiàn)場質(zhì)量管理應滿足的條件：有相應的技術標準、健全的質(zhì)量管理體系和綜合施工質(zhì)量水平評定考核制度[5]。

3）嚴格執(zhí)行施工技術規(guī)范及焊接工藝規(guī)程要求。按照《質(zhì)量檢驗計劃要求》對焊接工序全過程監(jiān)督檢查，做好質(zhì)量檢查和記錄。

4）加強“上崗證”管理及焊接質(zhì)量跟蹤指導。落實焊接人員持證上崗要求，每日對焊工持證上崗情況進行檢查；配備焊接技能專家對焊工作業(yè)質(zhì)量進行跟蹤，針對現(xiàn)場問題進行培訓指導。

5）按照設計、技術標準要求，對焊接材料、設備、保護氣體等進行檢驗和試驗，確保施工質(zhì)量。

6）認真做好現(xiàn)場焊接計量、標準化工作，保證計量工具、設備等均在檢驗有效期內(nèi)使用。

7）根據(jù)工程現(xiàn)場焊接質(zhì)量狀況，開展內(nèi)部焊接質(zhì)量體系審核，以保證質(zhì)量體系有效運行。

8 結束語

在西氣東輸三線西段第五標段地震斷裂帶穿越工程中，經(jīng)過優(yōu)化選擇焊接工藝，采用RMD（根焊層）+FCAW(填充層+補強覆蓋層)焊接方法；通過對焊接材料、焊工資格及焊接關鍵環(huán)節(jié)進行質(zhì)量控制等措施，施工單位總計焊接Φ1 219 mm×22 mm和Φ1 219 mm×26.4 mm管線4.04 km。焊接一次合格率達到98.5%,日焊接焊口13～15口，確保了工程優(yōu)質(zhì)、高效按期完工。

[1]靳海城,王俊紅,郭靜薇,等.基于應變設計的X80鋼管環(huán)焊縫技術研究[J].焊接,2012(4)：57-60.

[2]中國石油天然氣股份有限公司管道建設項目經(jīng)理部.油氣管道焊接技術規(guī)范第1部分：線路焊接：Q/SY GJX 137.1—2012[S].北京：石油工業(yè)出版社,2012.

[3]吳迪,衣紅兵,王永剛,等.RMD根焊技術在X80管道鋼焊接中的應用[J].石油工程建設,2008,34(4)：53-54,80.

[4]國家質(zhì)檢總局特種設備安全監(jiān)察局,全國鋁爐壓力容器標準化技術委員會,中國特種設備檢測研究院,等.特種設備安全技術規(guī)范特種設備焊接操作人員考核細則：TSG Z 6002—2010[S].北京：新華出版社,2010.

[5]石油工程建設專業(yè)標準化委員會.石油天然氣建設工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范通則：SY 4200—2007[S].北京：石油工業(yè)出版社,2008.

[6]中國石油天然氣管道局.油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范：GB 50369—2006[S].北京：中國計劃出版社,2006.

[7]石油工程建設專業(yè)標準化委員會.石油天然氣建設工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范輸油輸氣管道線路工程：SY 4208—2008[S].北京：石油工業(yè)出版社,2008.

賈強

2017-01-09

吳強（1969-），男，工程師，主要從事企業(yè)質(zhì)量體系運行及油田地面工程現(xiàn)場質(zhì)量管理工作。