編者按： 近年來(lái)，高鋼級鋼管環(huán)焊縫質(zhì)量問(wèn)題頗受各方面關(guān)注。為了使大家全面了解環(huán)焊縫焊接技術(shù)和無(wú)損檢測技術(shù)的發(fā)展應用情況、存在問(wèn)題和不足，前不久，我們邀請中石油集團公司高級技術(shù)專(zhuān)家、管道局首席焊接技術(shù)專(zhuān)家、管道科學(xué)研究院副總工程師兼管道焊接技術(shù)研究所所長(cháng)、教授級高級工程師隋永莉在“管道保護交流群”（微信）進(jìn)行了互動(dòng)交流。隋永莉女士以豐富的理論和實(shí)踐經(jīng)驗，認真解答了大家提出的有關(guān)環(huán)焊縫的30多個(gè)問(wèn)題。她的意見(jiàn)和建議，對于提高管道從業(yè)者的專(zhuān)業(yè)素養和操作技能都非常有幫助。為此，《管道保護》編輯部特意挑選出10個(gè)有代表性的問(wèn)題在本期發(fā)表，以饗讀者。

問(wèn)： 國外管道工程發(fā)生過(guò)環(huán)焊縫失效事故嗎？導致環(huán)焊縫失效的原因是什么？國內管道工程環(huán)焊縫失效事故的特點(diǎn)有哪些？

答： 根據資料調研和技術(shù)交流了解到，自2009年起，北美地區相繼出現比較集中的環(huán)焊縫失效事件，涵蓋的管道包括X52、 X70和X80鋼管等，失效事故有些發(fā)生在水壓試驗階段，有些發(fā)生在運行階段。經(jīng)大量研究和試驗分析，認為環(huán)焊縫失效的主要原因是環(huán)焊接頭的低強匹配、焊接熱影響區軟化和管道承受的外載荷。

國內管道工程建設期水壓試驗時(shí)發(fā)生的環(huán)焊縫失效事故，發(fā)生在連頭口、金口、變壁厚焊口、返修焊口上的比例很高（有些焊口同時(shí)包含這四種情況）。與焊接缺陷、強力組對有很高的相關(guān)性。運行期發(fā)生的焊口失效，多與管道承受的外部載荷相關(guān)，如管溝形狀不匹配、人類(lèi)施工活動(dòng)或自然現象導致的土壤移動(dòng)。尤其是當環(huán)焊接頭實(shí)際上低強匹配時(shí)，管道首先在強度薄弱的焊縫或熱影響區發(fā)生起裂。

問(wèn)： 環(huán)焊接頭不是等強或高強匹配的嗎？如何解決高強鋼環(huán)焊縫低匹配和熱影響區軟化問(wèn)題？

答： 國內外管道工程的試驗分析已經(jīng)證實(shí)了存在 環(huán)焊接頭低匹配和熱影響區軟化現象。這與現代管線(xiàn)鋼管制造技術(shù)和標準相關(guān)�，F行的管線(xiàn)鋼標準中鋼管屈服強度、抗拉強度的允許范圍較寬，且只要求橫向強度，不要求縱向強度。當鋼管強度為標準范圍的上限時(shí)，環(huán)焊接頭就成為實(shí)際上的低強匹配。另外，當代的管線(xiàn)鋼是TMCP鋼，依靠晶粒細化提升其強度和韌性，是非穩態(tài)顯微組織。在焊接熱過(guò)程作用下，細化的晶粒長(cháng)大，向穩態(tài)組織轉變，失去部分強度和韌性，造成焊接熱影響區軟化和脆化。焊接熱輸入量越大，軟化區、脆化區的寬度越大，對焊接接頭整體性能的影響就越大，如手工焊、半自動(dòng)焊等方法。

為解決環(huán)焊接頭低強匹配的問(wèn)題，國外一些石油公司對鋼管強度提出限制條件，如一些管理要求較為嚴格的公司規定抗拉強度的上限值不應超過(guò)最小規定值100 MPa或120 MPa，其他大多數石油公司規定的抗拉強度上限值不應超過(guò)最小規定值140 MPa。為解決熱影響區軟化的問(wèn)題，加拿大等石油公司采用Yurioka的CEN碳當量計算公式，考慮碳與冶金元素之間相互作用影響及冷裂紋敏感性，并規定了一個(gè)較小范圍的鋼管冶金成分，以保持同一管道工程項目中鋼管冶金成分的一致性。

問(wèn)： 從國內高鋼級管道服役期環(huán)焊縫失效事故來(lái)看，焊趾位置應力集中和焊縫金屬韌性?xún)�備是比較突出的問(wèn)題。應如何避免焊趾位置的應力集中，如何優(yōu)化焊接工藝以保證焊縫韌性？

答： 在變壁厚接頭中，當焊縫內表面成型不圓滑時(shí)，焊趾位置的應力集中確實(shí)比較嚴重，這是我們目前逐漸認識到的問(wèn)題，應在后續管道建設中通過(guò)安全的坡口設計或合理的焊接施工順序來(lái)解決。比如坡口設計方面，可以采用特殊的焊接坡口來(lái)實(shí)現變壁厚鋼管的等壁厚或等內徑對接焊。而合理的焊接施工順序，可以采用預制鋼管短接的方法，并在鋼管內部對焊趾位置增加補焊焊縫，保證焊縫內表面成型圓滑，再在工藝管道或線(xiàn)路管道上進(jìn)行鋼管短接與直管的等壁厚對接焊。同時(shí)，射線(xiàn)檢測可以采用兩次拍片法，第一次按厚壁側鋼管的壁厚設置曝光參數，第二次按薄壁側鋼管的壁厚設置曝光參數。

關(guān)于焊縫金屬韌性?xún)�備，前期應用比較廣泛的自保護半自動(dòng)焊工藝，其焊縫金屬的動(dòng)態(tài)韌性（夏比沖擊韌性）顯示較為離散，但其靜態(tài)韌性值（CTOD）并不差。在北美地區，一些老舊管道（包括一些現代管道的手工、半自動(dòng)焊）甚至不要求沖擊韌性，當采用自動(dòng)焊時(shí)才要求焊縫金屬的靜態(tài)韌性值（CTOD），此時(shí)的無(wú)損檢測是按照美國石油協(xié)會(huì )API 1104附錄A來(lái)驗收的。我認為，在高鋼級管道中推廣使用自動(dòng)焊方法是提高焊縫性能的有效手段，而在一些不適用自動(dòng)焊的地方可以采用氣保護藥芯焊絲半自動(dòng)焊、金屬粉芯焊絲半自動(dòng)焊或低氫焊條手工焊等方法，但這可能需要犧牲一些焊接合格率。

問(wèn)： X80鋼管道在山地段的焊接施工，除半自動(dòng)焊工藝外，是否還有更可靠的焊接工藝值得探討和推薦？

答： 目前，半自動(dòng)焊工藝通常是指自保護藥芯焊絲半自動(dòng)焊，除此以外還有氣保護藥芯焊絲半自動(dòng)焊、金屬粉芯焊絲半自動(dòng)焊、 STT或RMD半自動(dòng)焊等，各有優(yōu)缺點(diǎn)。 STT或RMD半自動(dòng)焊更適合于根焊的焊接，填充蓋面焊由于熱輸入量太小，效率很低。氣保護藥芯焊絲半自動(dòng)焊適合于填充蓋面焊，不能用于根焊。需要帶氬氣和二氧化碳的混合氣作為保護氣體，對焊接環(huán)境的風(fēng)速要求高，對焊工操作水平、過(guò)程管理的要求一般。金屬粉芯焊絲半自動(dòng)焊適合于填充蓋面焊，需要帶氬氣和二氧化碳的混合氣作為保護氣體，對焊接環(huán)境的風(fēng)速要求高，對焊工操作水平要求極高，但對過(guò)程管理的要求不高。自保護藥芯焊絲半自動(dòng)焊適合于填充蓋面焊，不需要保護氣體，對焊接環(huán)境要求不高，對焊工操作水平要求很高，對過(guò)程管理的要求很高。

問(wèn)： 采用銅襯墊內對口器進(jìn)行外根焊自動(dòng)焊技術(shù)，對X80鋼管焊接是否存在影響？國外是如何運作的？

答： 銅襯墊的外自動(dòng)焊是法國Serimax公司的專(zhuān)利技術(shù)，在海洋管道及北美和歐洲的陸地管道中都有應用。相關(guān)焊接工程師對于這種技術(shù)的評價(jià)正反面意見(jiàn)差不多對半。喜歡的人認為設備便宜、地形適應性 好，對于小口徑、短距離管道建設很經(jīng)濟。不喜歡的人認為這種技術(shù)對現場(chǎng)管口組對、焊接過(guò)程的管理要求很高，如果做不好會(huì )帶來(lái)銅裂紋問(wèn)題，而且，關(guān)于滲銅層導致的電化學(xué)腐蝕影響尚缺少足夠的研究。法國和中國（2002年以前）是明確禁止在陸地管道中使用銅襯墊自動(dòng)焊的國家。近年來(lái)，比較多的海洋管道建設在用自動(dòng)超聲波檢測（AUT）方法代替了內曝光的射線(xiàn)檢測（RT）方法后，也開(kāi)始逐漸轉向使用內焊機自動(dòng)焊方法。所以，銅襯墊內對口器是否可以使用，關(guān)鍵在于能否做好對焊接施工的過(guò)程管控，能否保證滿(mǎn)足組對間隙、錯邊量的要求。

問(wèn)： X80鋼管道等高強鋼焊接時(shí)，如何控制返修口和連頭口質(zhì)量？

答： 高強鋼返修焊接時(shí)，首先應按照返修焊接工藝規程進(jìn)行，應由具備資質(zhì)的焊工完成，返修全過(guò)程應有旁站監督、過(guò)程受控。其次，需要注意檢查、確認焊接缺陷完全去除，預熱溫度和預熱位置正確，返修長(cháng)度不能過(guò)短或過(guò)長(cháng)，焊接材料不能使用酸性焊條或自保護藥芯焊絲，焊接方向和焊接電流正確。最后，返修完成的焊縫一般需要采用原無(wú)損檢測工藝確認。返修焊接通常會(huì )由于很高的局部拘束效應而帶來(lái)冷裂紋的風(fēng)險，同時(shí)返修焊縫金屬的力學(xué)性能可能低于原焊縫，這使得返修焊縫的使用性能低于原焊縫，尤其是在采用自動(dòng)焊時(shí)。

連頭焊接時(shí)，連頭地點(diǎn)或連頭位置的選擇非常重要，應放在平直段、等壁厚焊口，注意兩側未回填管道長(cháng)度是否足夠。管工的工作對最終的連頭質(zhì)量至關(guān)重要，應保證連頭焊口的組對質(zhì)量。連頭焊接應按照連頭工藝規程進(jìn)行，根焊一般采用上向焊，并且最好在環(huán)境溫度下降前完成根焊縫的焊接。應由具備資質(zhì)的焊工完成，連頭全過(guò)程應有旁站監督、過(guò)程受控。連頭焊接時(shí)，環(huán)焊縫承受了很大的拘束作用，冷裂紋風(fēng)險高于正常的線(xiàn)路焊口。

問(wèn)： 某在建的X80鋼管道，引入第四方對第三方RT或AUT等再次進(jìn)行RT檢測，這種做法是否合理？建設期和服役期管道的環(huán)焊縫無(wú)損檢測方法都有哪些？

答： 這個(gè)問(wèn)題是目前管道焊接施工中最具爭議性的，可能每個(gè)管道建設者都有自己的理解和觀(guān)點(diǎn)。所以，如果知道這些規定或指標的來(lái)源，可能會(huì )有助于理解和判斷其合理性。 API 1104正文中無(wú)損檢測對焊接缺陷的驗收屬于質(zhì)量驗收，是基于中等及以上技能水平的焊工所達程度而制定的，是工程經(jīng)驗。API 1104 附錄A對于焊接缺陷的驗收屬于工程臨界評估（ECA）驗收，是基于“合于使用”原則和斷裂力學(xué)、焊接結構、應力等因素。

目前國內管道工程判斷環(huán)焊縫是否合格，是依據能否通過(guò)無(wú)損檢測來(lái)驗收。引入第四方對第三方RT或AUT等再進(jìn)行RT復驗的方法，更多地屬于管理層面的做法。北美和俄羅斯管道建設中的做法與我們目前有所不同，其無(wú)損檢測承包商是施工承包商的一部分，或由施工承包商聘用。業(yè)主聘請的監理公司（管理者）有自己的無(wú)損檢測人員或無(wú)損檢測公司，對施工承包商的檢測結果進(jìn)行100%復評，或按一定比例進(jìn)行復拍，保證無(wú)損檢測的準確性，這也是管理層面的做法。

北美地區的建設期管道，自動(dòng)焊采用AUT檢測方法，按API 1104附錄A來(lái)驗收，即基于“合于使用”原則的工程臨界評估（ECA）方法。手工焊和半自動(dòng)焊采用RT檢測方法，按API 1104正文部分來(lái)驗收，即基于工程經(jīng)驗的質(zhì)量驗收。服役期管道，一般采用內檢測技術(shù)對金屬缺失進(jìn)行評價(jià)。北美地區近年來(lái)研發(fā)了一種管內超聲波檢測方法，從鋼管內部對環(huán)焊縫裂紋進(jìn)行排查。據介紹，其基本工作流程是管道停輸并注滿(mǎn)水；采用普通的自動(dòng)焊超聲波檢測設備在管內爬行，在環(huán)焊縫位置旋轉掃查；用計算機讀取、評判環(huán)焊縫質(zhì)量，發(fā)現裂紋。

問(wèn)： GB/T 34275―2017標準規定管道環(huán)焊縫的沖擊韌性是60J/80J 。北美管道也是這么高嗎？ AP 1104新版做出了修訂嗎？

答： 在油氣管道工程中，對同一條管道不同部位焊縫的夏比沖擊韌性要求也是不一樣的。比如，埋 弧焊鋼管的制管焊縫、環(huán)焊縫、熱煨彎管和三通等管件的管體焊縫，沖擊韌性值的要求都是不同的。中國第一條X70鋼管道，環(huán)焊縫夏比沖擊韌性是按管體韌性的40%來(lái)制定的，取值為56J/76J。這個(gè)40%比例也是爭論的結果（如按80%、 60%、 50%等），原因只是因為這個(gè)指標可能比較容易做得到。到X80鋼管道時(shí)，環(huán)焊縫的韌性指標不能定得更高了，就沿用X70鋼管道指標并進(jìn)行了圓整，取值為60J/80J。北美、歐洲、中東、中亞等油氣管道對環(huán)焊縫的要求以30J/40J為主，有些工程會(huì )更低一些。俄羅斯油氣管道工程的要求則更高一些。

另外，夏比沖擊韌性試驗與其他拉伸、硬度、彎曲、靜態(tài)斷裂韌性等力學(xué)性能試驗不同，沖擊功沒(méi)有物理含義。如果使用沖擊功進(jìn)行失效評估，需要將其轉化為斷裂韌性值，但這些轉化公式本身也有爭議，很多是通過(guò)某一階段鋼材、焊縫等相關(guān)數據回歸得到的。

問(wèn)： 高鋼級管道環(huán)焊縫產(chǎn)生裂紋的原因是什么？如何避免裂紋產(chǎn)生？

答： 目前發(fā)現的環(huán)焊縫裂紋中，冷裂紋比例相對多一些，我認為這些冷裂紋并不是延遲到了運行期才產(chǎn)生的，而是施工期就已經(jīng)發(fā)生，但被漏檢。環(huán)焊縫焊接過(guò)程中，有些焊接作業(yè)機組用微微吊起或放下鋼管的方式來(lái)調整對口間隙；撤離對口器過(guò)早；溝下焊時(shí)使用鉤機進(jìn)行管口組對，在根焊時(shí)鉤機突然失壓；個(gè)別的大口徑、厚壁管道焊接未使用對口器，局部位置的鋼管支撐懸空、不穩等。這些都會(huì )導致未焊滿(mǎn)的焊縫承受過(guò)大的載荷，引發(fā)焊接裂紋。目前發(fā)現的焊接裂紋大多與上述施工行為有關(guān)，是施工管理中應嚴格管控的環(huán)節。已經(jīng)焊滿(mǎn)的環(huán)焊縫，在下溝環(huán)節由于起吊高度過(guò)高、管溝過(guò)深、吊機位置排布不合適或數量不夠，單側沉管下溝、帶彎頭下溝等情況下，會(huì )承受很大的彎曲、扭轉力，導致環(huán)焊縫開(kāi)裂。所以下溝環(huán)節需要嚴格管控。

問(wèn)： 高強度鋼焊接工藝評定環(huán)境與現場(chǎng)施焊環(huán)境的差異性有哪些？

答： 目前對于低溫環(huán)境下的焊接施工（如東北、新疆、內蒙），是在模擬的低溫環(huán)境下進(jìn)行的。其他高溫、潮濕、大風(fēng)等環(huán)境條件，較少在焊接工藝評定時(shí)進(jìn)行模擬，包括整管焊接時(shí)的散熱條件不同、現場(chǎng)使用的對口器條件差異，目前都沒(méi)有在評定時(shí)進(jìn)行過(guò)模擬。近兩年來(lái)，在焊接工藝評定過(guò)程中開(kāi)始針對不同鋼管、制管廠(chǎng)的高鋼級鋼管（冶金成分、軋制工藝不同）進(jìn)行環(huán)焊縫焊接工藝驗證。

簡(jiǎn)介：隋永莉，女， 1970年生，中石油集團公司高級技術(shù)專(zhuān)家，管道局首席焊接技術(shù)專(zhuān)家，管道科學(xué)研究院副總工程師兼管道焊接技術(shù)研究所所長(cháng)，教授級高級工程師。 1992年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）焊接工藝與設備專(zhuān)業(yè)，1999年畢業(yè)于清華大學(xué)材料加工工程專(zhuān)業(yè)， 2008年畢業(yè)于天津大學(xué)材料加工工程專(zhuān)業(yè)。一直工作在油氣管道和儲罐焊接領(lǐng)域第一線(xiàn)，從事與焊接技術(shù)相關(guān)的科學(xué)研究、工藝優(yōu)化、技術(shù)推廣和焊工培訓等工作。有幸經(jīng)歷了我國管道建設的大發(fā)展時(shí)期，是西氣東輸管道工程、西氣東輸二線(xiàn)管道工程、中俄東線(xiàn)天然氣管道工程等現場(chǎng)焊接工藝的主要制定者。承擔并完成國家863項目，國家科技支撐項目，中石油集團公司重大專(zhuān)項及管道局博士后工作站課題等30余項，取得的科技成果推動(dòng)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5項，行業(yè)標準5項，石油企業(yè)標準7項。獲國家發(fā)明專(zhuān)利1項，實(shí)用新型專(zhuān)利2項，省部級科技獎勵8次，局級科技獎勵6次。發(fā)表論文40余篇。