隋永莉

 

《管道保護》編輯部：2019年1月，我們邀請中國石油天然氣管道科學研究院有限公司企業一級專家、中國石油管道局工程有限公司首席焊接技術專家隋永莉針對管道環焊縫的10個問題與讀者對話（詳見《管道保護》 2019年第1期）。本期我們再次邀請隋永莉專家就西氣東輸管道公司、西部管道公司、西南管道公司、北京天然氣管道公司、中國管道公司、中國特檢院、管道局維搶修分公司等單位提出的管道環焊縫焊接技術的相關問題交流探討，涉及4個方面共25個問題，敬請大家關注，并歡迎參與討論。（郵箱： guandaobaohu@163.com）

 

隋永莉： 非常感謝《管道保護》給我這樣一個機會，與大家共同交流探討管道環焊縫焊接技術的相關問題。各位同行提出的問題涉及專業面廣，有一定深度，我盡可能給出個人見解，但對于非本專業問題的理解難免有不到位、不準確之處，敬請各位同行指正。

1 環焊縫焊接施工問題

（1）現行標準只允許1次返修，現場存在的非受控2次返修有何危害？這類焊口的力學性能能否滿足設計運行工況的要求？

中國石油天然氣管道科學研究院有限公司（以下簡稱管道研究院）承擔的中石油股份公司科研課題《油氣管道環焊縫質量控制關鍵技術研究》（2014B―3314―0501），針對X80鋼管環焊縫進行了4次返修的打磨焊接操作和接頭理化性能檢測的試驗工作。結果表明， 2次、 3次和4次返修焊接后環焊接頭的焊縫金屬和熱影響區強度、韌性、硬度、金相組織等理化性能均滿足相關標準和工程設計要求，且多次返修與一次返修的焊接接頭理化性能差異微小。

一次返修和多次返修帶來的危害不是焊縫金屬或熱影響區的強度、韌性、組織等理化性能的惡化，而是打磨和返修焊過程中的拘束應力易導致焊接冷裂紋，尤其是針對根部焊縫的全打透返修操作，返修位置存在很強的局部拘束應力，當預熱不足、焊材使用錯誤或焊接操作不當時，很容易在返修焊縫或附近的原始焊縫上發生冷裂紋。因此，返修焊接工藝通常強調進行整口預熱且預熱溫度足夠高，使用低氫型焊條（不允許使用纖維素焊條、自保護藥芯焊絲等焊材），選用具有返修資格、操作技能優秀的焊工。

國外油氣管道和壓力容器的相關制造標準，如API 1104《管道及相關設施焊接》、 ASME IX《鍋爐和壓力容器規范：焊接和釬接評定》、 ASME B31.4《液體和礦漿管線輸送系統》、 ASME B31.8《輸氣和配氣管道系統》、 DNV OS F101《海底管線系統規范》、 EN 13445―4《非受火壓力容器制造》、СНИП III―42―80《干線管道 施工規程和工程驗 收》等均沒有對返修次數進行限制性規定，但都規定了返修過程的管控措施，包括焊接工藝規程、焊接人員、缺陷去除、無損檢測方法、焊材類型和過程監督等。國內金屬管道和壓力容器制造標準中，GB 50236―2011《現場設備、工業管道焊接工程施工規范》、 GB 50235―2010《工業金屬管道工程施工規范》、 GB 150―2011《壓力容器》等也沒有返修次數限制性規定； 而GB/T 50369―2014《油氣長輸管道工程施工及驗收規范》規定“焊縫在同一位置的返修不得超過2次，根部只允許返修1次”， JB/T 4709―2000《壓力容器焊接規程》規定“同一部位返修不宜超過2次”；但JB/T 4709―2000升版為NB/T 47015―2011《壓力容器焊接規程》后，刪除了對返修次數的限制，規定“返修焊接應得到業主的書面認可并記錄返修位置”及其他技術要求。

（2）現場施工大量采用火焰切割，部分連頭焊口反復多次切割，再用砂輪打磨后進行焊接。熱切割對焊縫性能影響有多大？

《油氣管道環焊縫質量控制關鍵技術研究》（2014B―3314―0501），針對X80鋼管進行了機加工冷切割和火焰熱切割兩種坡口加工方式對環焊質量影響的對比試驗工作。結果表明，機加工冷切割和火焰熱切割形成的坡口，焊接后的焊縫金屬和熱影響區強度、韌性、硬度、金相組織等理化性能均滿足相關標準和工程設計要求，且兩種坡口加工方式的環焊接頭理化性能差異微小。

火焰切割的實質為預熱—燃燒—吹渣過程，即鐵在純氧中的燃燒過程，而非熔化過程。焊接過程的實質是鋼管和焊接材料的共同熔化—冶金反應—結晶凝固的過程。鋼的燃點為970 ℃、熔點為1 500 ℃，焊接熔池最高溫度1 750 ℃。因此，火焰切割時受熱影響區域的范圍和最高溫度均弱于焊接過程。

國內外油氣管道和壓力容器制造相關標準，都針對可能引起失火或爆炸危險的區域規定使用冷切割方式，以確保作業安全。針對其他工況條件則沒有限制使用火焰切割的規定。

（3）不等壁厚、彎頭等位置出現環焊縫失效的概率較大，主要原因是什么？

不等壁厚（大錯邊量）處的環焊縫失效往往與下述三個原因有關：不等壁厚（大錯邊量）焊口單面焊雙面成型操作困難，如圖 1所示，根焊時難以得到滿意的背面焊縫成型，往往在薄壁側存在未熔合、未焊透和焊趾銳角等開口缺欠；不等壁厚焊口的射線檢測評判困難，如圖 2所示，薄壁側底片的陰影往往掩蓋了根部開口缺欠，造成漏評、誤評等；不等壁厚（大錯邊量）焊口由于幾何形狀突變使得此處存在應力集中，如圖 3所示，如果該焊口再承受較大的外載荷，根部的開口缺欠在很大局部應力作用下容易擴展成為裂紋源，進而引發環焊縫開裂或斷裂。

                

彎頭處的環焊縫失效往往與不等壁厚焊口及彎頭的母管材料有關。有些環焊縫失效發生在厚壁側的彎頭或三通等管件上，其原因通常與管件原材料的焊接性差有關。現行管件標準和設計文件往往將管件鋼和管線鋼的材料型號混用，造成焊接工藝不當或錯誤。高鋼級管線鋼是晶粒細化的低合金高強鋼，交貨狀態 通常是形變熱處理狀態，其含碳量和碳當量低，雜質元素含量很低，冷裂紋和熱裂紋傾向低。管件鋼是傳統的低合金高強鋼，交貨狀態是調質態，其含碳量和碳當量較高，冷裂紋和熱裂紋傾向高于管線鋼。彎頭、三通、匯管等管件鋼應單獨開展焊接工藝評定，并據此制定焊接施工措施。

（4）如何提高三通、彎頭等管件不等壁厚對接焊口的一次合格率？不等壁厚焊口的孔錐型內坡口目前還存在哪些問題？

提高三通、彎頭等管件不等壁厚對接焊口的一次合格率需從兩個方面著手，一方面針對管件類材料制定焊接工藝，另一方面是不等壁厚焊口的根焊質量控制。

三通、彎頭等管件的焊接首先需要使用正確型號（如Q345D、 A516Gr.70、 P460Q等）的材料，而不應與管線鋼型號（如L555M、 X80M等）混淆；其次管件鋼應依據母管原材料的焊接性制定環焊工藝，尤其需注意預熱溫度、焊接材料和焊后熱處理措施的選擇。

不等壁厚（大錯邊量）對接焊口的焊接，應采用內削薄的坡口形式以保證根焊焊縫的成型，提高焊口的一次合格率。目前厚壁側鋼管的削薄方式有兩種，分別如圖 4（a）和圖 4（b）所示。其中，孔錐型內坡口的主要問題有三方面，首先是管件廠和鋼管廠的坡口加工能力尚不能達到普遍滿足要求的程度，尤其是要求孔錐型坡口的圓孔長度達到150 mm時，能夠達到的廠家更少；其次是管道地區等級改變、鋼管切割后現場還不具備坡口加工能力；最后是孔錐型坡口的圓孔與錐孔間的變角度拐點處應圓滑過渡，宜采用2.5°及以上的圓弧刀加工出過渡面，避免出現尖角狀的形狀突變。

2 環焊縫焊接工藝問題

（5）手工焊、半自動焊和自動焊的適用范圍是怎樣的？

手工焊（SMAW）主要用于大口徑、高鋼級管道的返修焊及站場小口徑工藝管道的焊接，主要焊接工藝包括低氫焊條電弧焊、氬電聯焊， X65及以下鋼級管道也可采用纖維素焊條進行根焊。

自保護半自動焊（FCAW―S）可用于X70及以下鋼級管道的焊接，氣保護半自動焊（FCAW―G）可用于X80及以下鋼級管道的焊接。半自動焊工藝可用于低鋼級、小管徑管道的線路焊接及施工作業帶受限、不適合防風棚作業的管道段。

氣保護實心焊絲自動焊（GMAW）是指內焊機和雙焊炬外焊機自動焊工藝，主要用于大口徑、高鋼級管道焊接，多在新疆、甘肅、內蒙、東北等地勢平坦、線路平直地區的管道工程中應用。氣保護藥芯焊絲自動焊（FCAW―G）是指單焊炬外焊機自動焊與手工根焊的組合工藝，多用于陡坡、水網及彎頭、彎管等特殊焊口的焊接。

（6）近幾年管線鋼制造工藝和現場環焊工藝均有較大的變化，焊條和焊絲等焊接材料的焊接性能和強度是否有相應的提升？針對高等級鋼管焊接問題，焊接材料應如何改進？

管線鋼是通過冶金技術和軋制工藝實現晶粒細化，獲得高強度和高韌性的。與管線鋼的快速發展相比，焊接材料的技術進步則相對緩慢和滯后，受焊接冶金機理的局限，焊接接頭只能通過冶金反應和結晶過程得到的平衡態柱狀組織、在高強度和高韌性之間尋求平衡點。管線鋼鋼級越高，同時具有高強度和高韌性的焊接材料可選范圍越窄。為獲得與母材性能相當的焊接接頭，需要進行焊接材料、焊接方法及焊接工藝的優化。

（7）自保護藥芯焊絲半自動焊接工藝在國外油氣長輸管道工程中的應用情況如何？該焊接工藝如何控制焊縫金屬韌性離散問題？

自保護藥芯焊絲半自動焊接工藝在印度、泰國、墨西哥、俄羅斯、阿根廷、沙特阿拉伯、伊朗、伊拉克、蘇丹等國家均有應用，表 1為其中部分管道工程信息。

自保護藥芯半自動焊控制焊縫金屬韌性離散的措 施包括：嚴格控制鋼管中促晶界M-A組元生成的元素含量；優選熔敷金屬強度和韌性良好的焊接材料；薄層多道焊；仰焊位置連弧焊；焊接操作過程中保持弧長穩定等。

（8）半自動焊接時，滅弧焊和連弧焊在焊口的力學性能上有什么區別？

自保護藥芯焊絲半自動焊時，由于滅弧焊時電弧穩定性差，對熔池保護效果不好，使得焊縫金屬中的氮含量增高，將造成焊縫金屬的低溫韌性離散性大。

（9）近年X70和X80鋼級管道建設采用全自動焊，能否克服現有環焊縫失效模式？與國外相比，我國管道自動焊應用規模的差距如何？關鍵原因在哪里？突破方向在哪里？在技術管理和標準應用等方面的建議有哪些？

國內外現有的環焊縫失效事件中尚無全自動焊焊口失效案例。我國在中俄東線天然氣管道工程、中俄原油二線管道工程中，環焊縫自動焊的應用規模和焊接質量不低于國外水平。影響我國自動焊應用規模的主要因素有施工地形復雜、施工成本與定額不匹配和現行無損檢測規定對焊接缺陷驗收存在不合理性。

（10）目前油氣管道焊縫強度匹配現狀如何？焊縫余高補強能否發揮應有的作用？余高補強需注意哪些問題？

依據近四年來中俄東線天然氣管道、閔粵支干線天然氣管道等工程的焊接工藝評定數據，目前環焊接頭實物水平多為等強或高強匹配，其中全自動焊環焊接頭強度約比母材高100 MPa～140 MPa，組合自動焊和焊條電弧焊的環焊接頭強度約比母材高50 MPa～120 MPa。

焊縫余高又稱為補強高，能夠補充焊縫強度。余高補強需注意焊縫成型與母材圓滑過渡，避免焊趾部位的銳角、咬邊等缺欠。

（11）高鋼級管道的直縫管或螺旋管，其焊縫是否也存在低強匹配和焊接熱影響區軟化的問題，制管廠是如何控制的？

直縫埋弧焊鋼管和螺旋縫埋弧焊鋼管在制管焊縫焊接工藝正確的前提下，能夠確保焊接接頭等強或高強匹配。制管焊縫同樣存在焊接熱影響區軟化和脆化問題，目前制管廠采用改變焊接坡口角度以保證其通過焊縫性能試驗。

焊接熱影響區軟化和脆化問題，若從制管焊接工藝和環焊縫焊接工藝方面可采取的控制措施相對較少，且會大幅度增加鋼管制造和施工管理難度，宜從鋼板或板卷的冶金成分優化設計和軋制工藝源頭解決。

（12）為解決環焊接頭低強匹配及焊接熱影響區軟化問題，國外一些公司已對鋼管強度及冶金成分采取限制條件。目前國內有采取這些限制條件的項目嗎？對鋼管的生產成本影響大嗎？

國內中俄東線天然氣管道工程，已采取限制措施，如在訂貨技術規格書中限制鋼管強度和冶金成分，其出發點是改善環焊接頭的強度匹配和理化性能，對于焊接熱影響區軟化和脆化問題考慮較少。

預防焊接熱影響區軟化和脆化問題，目前國內還缺乏相對系統的研究，限制條件對于鋼管生產成本的影響，取決于冶金成分的含量增高或降低、要求的軋 制工藝復雜或簡化，無法一概而論。

3 環焊縫焊接缺陷和無損檢測問題

（13）環焊縫在12點、 6點位置出現嚴重缺陷幾率大的原因是什么？有哪些改進措施？

環焊縫焊接過程中經常遇到幾種工況，使得根焊縫承受了更多的載荷變化，導致在管頂或管底位置易開裂或斷裂。

①溝下焊時，往往只點焊了2個或3個定位焊縫就撤離外對口器，若管道支撐不穩定會使先焊接的管頂或管底的根焊縫開裂；

②根焊中受熱脹冷縮影響，有時對口間隙會收縮得很小甚至為零，無法完成全部根焊縫的焊接。此時焊工會要求稍微抬起或放低管段，以調整出適合的坡口間隙，這種行為會導致已完成的管頂或管底根焊縫開裂或斷裂；

③使用挖機進行管口組對時，若挖機使用年限久遠或質量不過關會發生突然卸壓，如果此時根焊縫還沒有全部焊接完成，就容易在管頂或管底處發生開裂；

④流水焊接作業中，前一道焊口還在根焊或熱焊過程中，后一道焊口已經開始管口組對。隨著管道被大幅度吊起、放下或移位，將在管頂或管底部位產生額外載荷，嚴重時可引起環焊縫開裂；

⑤單側沉管下溝、帶彎頭管段下溝等工況時，環焊縫承受了很大的應力，導致開裂或斷裂。

（14） X65及以下低鋼級管道的失效機理、失效因素有何不同？是否也需要開展大面積排查及開挖驗證呢？

X65及以下低鋼級鋼管的焊接性好于X80、 X70鋼管，焊接冷裂紋敏感性更小，但其在不等壁厚焊口、彎頭和三通等管件焊口處的失效機理相似。管道承受很大外載荷或管道中心線發生較大移位的地區，建議適當開挖驗證。

（15）新的檢測方法如AUT/PAUT，特別對角焊縫的檢測，有哪些新技術新成果應用，相關標準近年來有哪些修訂？

相控陣超聲檢測技術（PAUT）可通過超聲聲場的計算仿真來適應角焊縫檢測，可達到全覆蓋，提高角焊縫無損檢測的可靠性。此類技術針對特殊形狀焊縫，對技術能力要求很高，目前多為一案一議，先計算，再實驗室驗證，再進行角焊縫檢測，暫時不適合規模化工程應用。

（16）北美地區近年研發了從鋼管內部對環焊縫裂紋進行超聲波檢測的方法，其適用范圍、應用情況和效果如何？

據我了解，北美地區從鋼管內部對環焊縫進行超聲波檢測的方法，是借助管道停輸和重新水壓試驗工況，將全自動超聲波檢測儀器放置在管道內，利用管內的水作為動力和耦合介質對環焊縫進行定位和檢測，發現環焊縫的危害性缺欠。

該方法可直接用于原油管道和成品油管道，天然氣管道則需借助水壓試驗進行，檢測結果的可靠性與建設期的全自動超聲（AUT）檢測相當，能夠發現環焊縫內的裂紋、未熔合等危害性缺欠。

（17）手工焊、半自動焊、自動焊等不同焊接工藝與無損檢測方法的匹配性、適用性，哪種焊接工藝可靠性更高？

手工焊、半自動焊和組合自動焊，其主要缺欠類型為夾渣、氣孔等體積型缺欠，適用的無損檢測方法是射線檢測方法。全自動焊、 STT根焊、 RMD根焊等，其主要缺欠類型為未熔合、未焊透等面積型缺欠及氣孔，適用的無損檢測方法是AUT或PAUT等檢測方法。

AUT和PAUT的數字超聲波檢測技術成熟可靠，但對檢測人員、檢測設備和檢測工藝的要求相對更高，尤其是AUT檢測，目前只應用于油氣管道建設行業，從業人員比例相對較小，不像其他無損檢測方法那樣被大多數檢測人員、質量管理人員、焊工所熟知和掌握。因此需要通過工程前的無損檢測工藝評定、設備校核、人員培訓等嚴格的管理流程，以及工程建設過程中嚴格執行檢測紀律，保證檢測的可靠性。

4 在役管道維搶修問題中俄東線自動焊接現場 

（18）目前高鋼級大口徑管道維搶修管件（開孔 三通或修復套筒）的材質等級比較低，針對X80管道在役焊接，是否有強度匹配、焊接性好的新材料替代現用管件材質Q345R?

建議考慮儲罐罐板材料（SPV 490Q、 12MnNiVR、07MnNiVDR、 07MnNiMoDR）作為替代材料，其屈服強度490 MPa，抗拉強度610 MPa，交貨狀態為調質態，且焊接性良好，對預熱溫度要求低，可通過熱處理工藝制造套袖。

作為替代材料，應通過套袖試制、焊接工藝評定等試驗，評估其符合相應標準規定后，方可在工程中使用。

（19）套袖焊接和管道焊接后，為什么選擇24小時、 48小時進行延遲裂紋檢測？

目前使用的套袖材料型號為Q345R，屬于容器用鋼，其含碳量和碳當量高，焊接冷裂紋敏感性強，尤其壁厚大于32 mm時受焊接應力的影響，冷裂紋（延遲裂紋）傾向大，因此需要24小時、 48小時或72小時后進行無損檢測。

（20）在役管道環焊縫的力學性能研究現狀如何？改線段廢棄管道以及維搶修換管換下來管節如何更好地資源利用？

在役管道環焊縫的力學性能研究目前多是伴隨環焊縫失效分析過程進行的，試驗和分析工作不夠系統。改線段廢棄管道以及維搶修換管換下來管節，有必要按管道建設年代、鋼管生產技術體系、環焊縫焊接工藝等進行系統的管體性能和環焊縫性能試驗研究，通過統計分析確認長期運行鋼管時效、環焊接頭強韌性等演變規律，為后續高鋼級管道建設奠定技術基礎。

 

附：其他相關問題的解答

問題1： LPG或LNG管道低溫在役焊接的工藝研究屬于技術空白，也是技術難點，市場需求越來越大，如何看待這個問題？

答： LPG或LNG管道通常是儲罐建設用9%Ni、不銹鋼等低溫材料。維搶修焊接一般不會涉及到這類低溫鋼的焊接。 LPG或LNG外輸管道的出站口運行溫度稍低，但總體與常規的天然氣管道相類似，維搶修焊接所遇到的低溫在役焊接工況不會比黑河、烏魯木齊等地區冬季環境的工況更惡劣，所以我認為相關的焊接技術難點都已經有成熟的工程經驗了。

問題2： Q345R套袖厚度、環焊縫可焊高度與不同管道壁厚和材質的關系？

答：按設計要求和維搶修標準執行，必要時進行有限元模擬計算。

問題3：套筒是否能作為缺陷焊口的永久修復方式？

答：依據現行的維搶修標準， B型套筒是唯一可用于環焊縫永久修復的方法，其次是換管。

問題4：國外B型套筒全自動焊的應用情況如何？相對于手工焊接， B型套筒自動焊需要著重考慮哪些方面？國內B型套筒自動焊已經開始現場應用，對于全面推廣，您有什么建議？

答：是未來的發展方向，但國內外相關標準目前均未將其列入。

問題5：目前環焊縫修復工作量較大，對于環焊縫修復形成體系標準，指導現場應用，您有什么建議。

答：環焊縫修復已有系列標準，包括國際標準、國家標準、行業標準、各運營公司的企業標準、項目管理文件等，各層級都有，但相互之間也有矛盾和不協調之處。

 

作者簡介：隋永莉，女， 1970年生，教授級高級工程師，現為中國石油天然氣管道科學研究院有限公司企業一級專家、中國石油管道局工程有限公司首席焊接技術專家。長期在油氣管道和儲罐焊接領域第一線從事與焊接技術相關的科學研究、工藝優化和技術推廣工作。經歷了我國管道建設大發展時期，是西氣東輸管道工程、西氣東輸二線管道工程、中俄東線天然氣管道工程等現場焊接工藝的主要制定者。承擔并完成國家、中石油集團公司和管道局科研項目40余項，取得的科技成果推動了X65、X70和X80鋼管在我國管道建設中的應用。主持和參與制修訂國家標準6項、行業標準6項、石油企業標準23項。獲授權國家發明專利7項、實用新型專利4項；榮獲省部級科技獎勵12次、局級科技獎勵15次。公開發表論文50余篇。