隋永莉

中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司

國外油氣管道的環(huán)焊縫焊接方法多種多樣。北美、歐洲等地區主要以自動(dòng)熔化極氣保護焊為主、纖維素和低氫焊條電弧焊為輔，中東、中亞等地區和俄羅斯、印度等國家的環(huán)焊縫焊接方法有手工纖維素焊條電弧焊、手工低氫焊條電弧焊、半自動(dòng)自保護藥芯焊絲電弧焊和自動(dòng)熔化極氣保護焊等。我國20世紀70年代及以前采用傳統的低氫型焊條手工上向焊工藝，80年代末推廣使用纖維素型焊條和低氫型焊條手工下向焊工藝，90年代初應用自保護藥芯焊絲半自動(dòng)下向焊工藝，90年代中期開(kāi)始引進(jìn)和研發(fā)管道自動(dòng)焊技術(shù)和設備，至今自動(dòng)焊已成為油氣管道建設的主要焊接方法。

半自動(dòng)焊和手工焊的應用。半自動(dòng)焊和手工焊在印度、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。自保護藥芯焊絲半自動(dòng)焊工藝在北美地區主要用于建筑行業(yè)。

中石油1995年承建的突尼斯天然氣管道工程和1996年建設的庫鄯線(xiàn)輸油管道工程，是我國最早應用自保護藥芯焊絲半自動(dòng)焊工藝的管道工程。由于該焊接方法的環(huán)境適應性好、焊接工藝性?xún)?yōu)良、合格率及施工效率高，1999年以后應用范圍逐漸擴大，并成為管道環(huán)焊縫焊接的主要方法。2013年以后的X80、X70等高鋼級管道建設中，發(fā)現自保護藥芯焊絲半自動(dòng)焊的焊縫金屬存在著(zhù)顯著(zhù)的低溫沖擊韌性離散現象。有研究成果認為，這與焊縫金屬中數量較多、尺寸粗大的M-A組元，以及分布在晶界的鏈狀M-A有關(guān)。而大量M-A組織的出現，一方面與焊材中的高Al含量相關(guān)，另一方面與母材中的淬透性元素，如Nb、Cr、Mo等元素含量相關(guān)。因此，高鋼級管道建設中應謹慎使用自保護藥芯焊絲半自動(dòng)焊。

我國未來(lái)的油氣管道建設，在小口徑、低鋼級管線(xiàn)鋼管現場(chǎng)焊接時(shí)，自保護藥芯焊絲半自動(dòng)焊和低氫焊條手工焊的工藝仍將是可選擇的焊接方法。其他受地形條件和氣候環(huán)境等因素限制、不利于管道自動(dòng)焊施工的地段，也可能選擇使用自保護藥芯焊絲半自動(dòng)焊和低氫焊條手工焊。但在應用自保護藥芯焊絲半自動(dòng)焊工藝時(shí)，需合理限定管線(xiàn)鋼管的冶金成分，并嚴格遵守薄層多道焊的半自動(dòng)焊工藝原則，以確保環(huán)焊接頭的力學(xué)性能滿(mǎn)足工程要求。

自動(dòng)焊的應用。20世紀70、80年代，國外已采用自動(dòng)焊裝備進(jìn)行管道建設，目前應用最廣泛的國外自動(dòng)焊裝備包括美國CRC-evans公司的PFM坡口機、IWM內焊機、P260單焊炬外焊機以及P625雙焊炬外焊機，焊接工藝主要采用內焊機根焊+外焊機填充蓋面，在北美、歐洲、中東、非洲、亞洲以及俄羅斯、澳大利亞等陸地管道中規�；瘧�用。法國Serimax 公司的PFM坡口機、MAXILUC帶銅襯對口器、Saturnax系列的外焊機，焊接工藝主要采用帶銅襯對口器+外焊機根焊+外焊機填充蓋面。

我國全自動(dòng)焊裝備主要有中國石油天然氣管道局工程有限公司的PFM坡口機、IWM內焊機、CPP900 W1單焊炬外焊機和CPP900 W2雙焊炬外焊機、帶銅襯內對口器，以及四川熊谷的系列自動(dòng)焊裝備，其技術(shù)先進(jìn)性與國外基本持平，包括同步漲緊技術(shù)、快速定位技術(shù)、坡口加工技術(shù)、內根焊技術(shù)、對接搭接技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電弧跟蹤技術(shù)等，在無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)方面甚至超過(guò)了國外同類(lèi)產(chǎn)品。國產(chǎn)自動(dòng)焊裝備在國家重點(diǎn)管道建設中的應用效果越來(lái)越顯著(zhù)。隨著(zhù)國家對安全、環(huán)保、高效、高質(zhì)管道建設要求不斷提升，自動(dòng)焊方法將成為管道建設的首選。

無(wú)損檢測方法的應用。常用的無(wú)損檢測方法包括目視、射線(xiàn)、超聲、磁粉、滲透檢測等，每種檢測方法因所依據的物理原理不同而具有特定的適用范圍，僅用一種方法檢測不足以得出確定的結果，也很難或無(wú)法實(shí)現被檢對象的完整評估，往往需要根據不同情況同時(shí)使用兩種或多種無(wú)損檢測方法，才能對結構異常做出可靠判斷。同時(shí)，還應選擇與焊接工藝相適應的無(wú)損檢測方法和檢測工藝進(jìn)行焊接缺欠控制，如氣保護實(shí)心焊絲自動(dòng)焊的主要焊接缺欠是未熔合和氣孔，宜選用全自動(dòng)超聲波（AUT）檢測方法；氣保護藥芯焊絲自動(dòng)焊的主要焊接缺欠是氣孔和夾渣，宜選用射線(xiàn)（RT）檢測方法，或含有超聲波衍射時(shí)差（TOFD）功能的相控陣超聲波（PAUT）檢測方法；焊條手工電弧焊的主要焊接缺欠是夾渣和氣孔，宜選用RT檢測，或含有TOFD功能的PAUT方法。

一些無(wú)損檢測方法的結果記錄情況較差、甚至沒(méi)有（如目視、磁粉和滲透檢測往往沒(méi)有記錄，手動(dòng)超聲波檢測的可重復性和監督性差），因此同一道環(huán)焊縫的多種無(wú)損檢測結果難以實(shí)現綜合分析。當前的油氣管道建設過(guò)程中越來(lái)越多地使用了數字化射線(xiàn)（DR）檢測、數字化超聲波（AUT、PAUT、TOFD）檢測等方法，克服了檢測數量大、不易存儲、數據重現性差、復審難度大、檢測效率低等問(wèn)題，提高缺陷識別能力以及缺陷定量、定位的精度，實(shí)現檢測數據的遠程傳輸和專(zhuān)家診斷，減少缺陷漏判、誤判。

未來(lái)的管道建設還將大力發(fā)展數字化無(wú)損檢測系統，通過(guò)將目視、滲透、磁粉、射線(xiàn)、超聲等檢測結果的數字化采集、數字系統處理、缺陷識別、準確定量等數字化處理手段，實(shí)現對無(wú)損檢測工藝的優(yōu)化和無(wú)損檢測質(zhì)量的保證，提高檢測質(zhì)量和效率，提高管道環(huán)焊縫服役可靠性。

焊接缺陷的驗收。北美、歐洲的陸地和海洋管道采用自動(dòng)焊方法時(shí)，使用與AUT檢測方法相結合的工程臨界評估（ECA）方法，對環(huán)焊縫中的焊接缺陷進(jìn)行評估和驗收。通過(guò)ECA得到的缺陷臨界尺寸與挪威船級社DNV-OS-F101和美國石油學(xué)會(huì )API 1104等標準中可接受缺陷的范圍進(jìn)行比較，ECA的缺陷可接受范圍要大于標準規定，其意義在于使得原本需要返修的焊接接頭不用返修，降低了返修率，節約了成本，提高了施工效率。

我國的海洋管道工程接受ECA方法，但陸地管道工程目前還不接受ECA方法，環(huán)焊縫缺陷的檢測和驗收是按質(zhì)量驗收的方法、執行國家或行業(yè)的無(wú)損檢測標準GB/T 50818或SY/T 4109。這在很大程度上限制了管道自動(dòng)焊效率和質(zhì)量的優(yōu)勢發(fā)揮，同時(shí)對含有非危害性缺欠的環(huán)焊縫進(jìn)行大量返修，實(shí)際上帶來(lái)了更大的不安全風(fēng)險。

基于斷裂力學(xué)的ECA方法，不僅在“合于使用”的前提下保證了焊接接頭的安全性，可極大地提高施工效率，并且在實(shí)際應用中具有較高的經(jīng)濟效益，是一種安全且兼顧經(jīng)濟性的缺陷評估手段。隨著(zhù)油氣管道工程建設技術(shù)的不斷進(jìn)步，ECA方法的應用將會(huì )越來(lái)越廣泛。

管道施工組織方法。為保證管道環(huán)焊縫的焊接效率和質(zhì)量，應將環(huán)焊縫焊接技術(shù)與鋼鐵冶金、鋼管制造、焊材生產(chǎn)、工程設計和施工管理等作為一個(gè)技術(shù)體系進(jìn)行協(xié)調和管理。如鋼板或卷板的冶金成分和在軋制工藝設計時(shí)考慮其焊接性，在降低冷裂紋和熱裂紋敏感性的同時(shí)避免熱影響區軟化和脆化；制管過(guò)程的管端不圓度和制管焊縫錯邊量、管周長(cháng)偏差等滿(mǎn)足焊接組對要求，減小對坡口加工和組對的精度影響；研發(fā)專(zhuān)用的焊接材料，提高焊材的純凈度和工藝穩定性，通過(guò)焊接材料的質(zhì)量一致性來(lái)保證焊接過(guò)程穩定，確保焊接質(zhì)量；設計和勘察過(guò)程中采取降坡、取直的設計思路，滿(mǎn)足自動(dòng)焊施工對地形的要求；合理布置檢測工作站與焊接工作站的距離，保證無(wú)損檢測能夠及時(shí)反饋焊接質(zhì)量信息等。

作者簡(jiǎn)介：隋永莉，1970年生，教授級高工，2008年博士畢業(yè)于天津大學(xué)材料加工工程專(zhuān)業(yè)，中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司首席焊接技術(shù)專(zhuān)家，主要從事油氣管道及儲罐的現場(chǎng)焊接技術(shù)研究。聯(lián)系方式：0316-2076715，cnpcsuiyongli@sina.com。