高压管道焊接质量的控制措施

董方勇

（中国海洋石油工程质量监督渤海中心站，天津300450）

惠州炼化二期工程400万t/a渣油加氢装置属甲类生产装置，是炼化板块高压管道最为密集的部分，主要危险介质为甲类可燃气体和甲B类可燃液体。工程结构布置紧凑，施工场地狭窄，管线纵横交错；管材规格多，牌号多，管壁厚，高压管道总长度约8 500 m，管道最小外径为26.7 mm，最大外径为610 mm，管材牌号主要包括ASTM B423 NO8825、ASTM A312 TP347、ASTM A335 P11、ASTM A106 Gr.B和ASTM A106 Gr.B ANTI-H2S等，试验压力最低19.5 MPa，最高46.8 MPa。

本研究结合渣油加氢装置高压管道焊接现场经验和各阶段安装焊接过程中容易出现的质量问题，对采取方法的有效性进行深入研究和分析，认为要提高高压管道的焊接质量，必须做好5个方面的控制工作，分别是焊接工艺的正确选择、焊工的分级管理、焊接材料的科学控制、焊接过程的控制及自动化技术的应用。

1 焊接工艺的选择

准确适用的焊接工艺是确保高压管道焊接质量的前提条件，工程前期技术准备阶段，需根据设计特点和技术要求，对工程项目中高压管道类型进行一次综合评估，确定需要进行焊接工艺评定的类型，编制焊接工艺文件。

1.1 焊接工艺特点分析

该工程高压管道的特点是管线中有大量需要焊前预热和焊后热处理的碳钢、抗氢钢、铬钼钢和不锈钢，管材壁厚较大，试验压力高，且设计空间布置紧凑，施工场地狭窄，管线纵横交错，无损检测要求高。因此，管道安装焊接难度很大，对焊工的技术操作水平要求很高，很容易产生焊接缺陷，出现质量问题。

管道焊接大致分两种，预制焊接和现场焊接。预制焊接是提高管道焊接质量最有效的措施之一，关键在于该方式能有效降低管道焊接难度，从而大大提高焊接质量。

本装置预制焊接部分主要采用4种工艺：

（1） 公称直径DN≤50 mm， 采用GTAW （钨极惰性气体保护焊）;

（2） 50 mm＜DN≤500 mm， 方法一为 GTAW打底，SMAW（手工电弧焊）填充和盖面；方法二为GMAW（熔化极气体保护焊）打底，FCAW（药芯焊丝电弧焊）填充和盖面；

（3）DN＞500 mm，采用SMAW，但焊缝背面需清根处理；

（4） DN≥300 mm， 厚度T≥20 mm， 具备使用自动焊的管道焊接采用GTAW打底、填充和盖面。

现场安装焊接主要采用两种工艺：

（1） DN≤50 mm，采用 GTAW;

（2） DN＞50 mm， 采用 GTAW 打底， SMAW填充和盖面。

1.2 焊接工艺评定

焊接工艺评定所用试件的制备，焊前预热，焊接过程中的电流、电压及焊接速度的选择，焊后热处理等过程应尽可能地模拟现场安装焊接的条件进行，以保证评定合格的工艺参数能最大程度地与现场施焊条件相符，避免评定合格后的焊接工艺在现场焊接时适用范围小，甚至根本不能适用。

焊接实验室的焊接条件一般比现场安装焊接的环境和预制的焊接环境优越得多，且工艺评定往往只注重成功率，而对焊接效率没有要求，在评定焊接过程中焊工往往把焊接电流、电压控制的较小，而焊接速度不变，会造成评定合格的焊接工艺最大热输入线能量Q非常低，现场焊接很容易超出最大线能量，从而造成焊接质量无法保证。

1.2.1 焊接方案选择

如1.1所述，该工程根据管径的大小预制焊接口设定了3种焊接方案，现场焊接口设定了2种焊接方案。对焊接质量的影响具体分析如下：

（1）DN≤50 mm的高压管道采用GTAW 焊接，原因是GTAW焊接方法具有加热集中、焊件变形小、电弧稳定性好等优点，较之其他焊接方法能最大程度确保小直径管焊接的质量；

（2）50 mm＜DN≤500 mm的高压管道壁厚较大时，方法一（GTAW+SMAW）和方法二（GMAW+FCAW）两种方案的任一选择既可确保焊缝质量也可确保焊接效率，而全GTAW焊接方案，质量肯定要稍优于组合焊接方案，但焊接效率太低；

（3）DN＞500 mm的高压管道焊接只有在管道预制时才能采用全SMAW的焊接方案，主要原因是SMAW焊接方法无法确保单面焊双面成形焊缝的质量，需要进行焊缝背面清根处理，现场安装焊接的管道，其内部无法进行背面清根处理，从而会造成焊缝质量不合格。

1.2.2 焊接材料的选择

焊接材料必须具有质量合格证明书，其熔敷金属化学成分、力学性能应符合NB/47018—2011《承压设备用焊接材料订货技术要求》的规定和设计文件要求。不同的管道材质牌号需选用不同牌号和规格的焊材，才能最大程度地保证焊接质量，本工程高压管线焊接材料选用信息见表1。

1.2.3 坡口形式的选择

管道焊接坡口的形式复杂多样，根据管道壁厚可以分为I形坡口、V形坡口、U形坡口及双V形组合坡口等多种形式。GB 50236—2011《现场设备、工业管道焊接工程施工规范》附录C.0.1规定，管道的坡口接头形式就达14种之多，因此选择正确的坡口形式和坡口尺寸也是焊接工艺中的一项重要因素，影响着焊缝焊接质量的高低。坡口形式不同，坡口尺寸不同，则选用的焊接工艺参数应进行相应调整，以本装置最大厚度为45.24 mm的高压管道为例，坡口形式选择见表2。

表1 焊接材料选用表

表2 管道坡口形式选用表

2 焊工的分级管理

焊缝质量能否通过无损检测，能否避免气孔、夹杂、未熔合、咬边、裂纹等质量缺陷，很大程度上取决于焊工技术水平的高低。笔者抛开焊工“无证”上岗和资质证书“超项”和“超期”等问题不做讨论，以焊工的职业态度、工作业绩、技术能力及年龄这四要素作为评判标准对焊工进行Ⅲ级分级管理，每一个月作为一个考核周期，优胜劣汰，评定级别高者每月予以相应绩效奖励。通过严格考核选拔出高水平焊工人才，焊接工程师根据现场焊接难度，针对性地委派任务，取得了非常理想的焊接质量效果。

3 焊接材料的科学控制

焊接材料的牌号及规格类型在焊接工艺部分已经一一确定，但焊接过程中对焊材进行科学有效的控制管理也非常必要，若管理不善往往会发生焊材生锈、烘干不达标、用错焊材、回收不及时以及浪费严重等问题。

（1）人员管理。焊材烘干管理员必须具备初中以上文化水平，并由焊接工程师进行专门的培训，考试合格后方能上岗工作。禁止焊工和其他工种人员临时代理焊材烘干管理员一职。

（2）分级库存。整个工程项目设立一个焊材一级库和多个焊材二级库，存放标准均要符合JB/T 3223—1996《焊接材料质量管理规程》要求，认真做好两级库存焊材入库/出库记录台账。

（3）重视焊材的烘干工作。焊材烘干技术要求文件要张贴在烘干房内，以便烘干员参考执行，严格按技术参数进行烘干和保温。

（4）重视发放和回收工作。按照“先进先出”的原则发放焊材，凭单领料，及时记录，回收闭合，未回收者暂停领料资格。

（5）加强自查工作。每月由焊接工程师组织一次焊材管理的自我检查工作，就上述（1）～（4）条的内容进行监督检查，重点查库存量、查库房和烘干条件、查入库/出库记录、查发放和回收记录，确保焊材的使用均在科学的管理范围内。

4 焊接过程的控制

焊接过程质量控制主要分为3个关键点，分别是焊前检查、焊接期间的控制及焊接完成后的检查。

4.1 焊前检查

焊接之前的检查项包括焊接工艺卡是否有效和适用、焊工资格是否相符、焊材牌号和干燥度是否满足、焊接设备是否完整合格、坡口组对尺寸是否正确以及是否采取了有效的环保措施。

4.1.1 程序文件

指导现场焊接施工的焊接工艺规程必须是有效执行版，施工过程中曾出现不同班组所用焊接工艺规程版本不同的问题，造成现场焊工焊接时参数超标，焊接质量无法保证。

“海绵城市”运用于城市道路建设是可行的、经济的，可以为实现城镇化和环境资源协调发展提供有力保证。建设具有自然积存、渗透、净化功能的海绵城市是社会生态文明建设的重要组成部分，也是我国城市建设的发展方向。

解决方法：加强文件管理，新版文件发表后必须加盖红色印章，同时旧版文件必须及时作废，并建立文件发放台账，班组长专人负责，凭回收的旧版文件领取新版文件，从而在根本上解决错用程序文件导致的质量问题重复发生。

4.1.2 焊工资格

焊工资格的检查主要包括证书是否在有效期，资格项目是否满足所焊管道直径和壁厚要求。控制管理的重点在于项目必须有一位非常专业的焊接工程师，焊接工程师对焊工管理负主要责任，工作前应将具备高压管道焊接资格的焊工形成文件清单，供班组使用，并对班组长进行专门的技术交底，从而有效避免焊工资格超项质量问题的发生。同时，针对高压管道焊接难度大的特点，专门在正式焊接前对清单内的焊工进行两天模拟焊接练习。

4.2 焊接过程的控制

4.2.1 温度控制

预热温度、层间温度的监测控制一定要处在工艺文件要求的范围内，本装置15CrMo钢的预热温度应≥180℃，层间温度不宜＞300℃，碳钢管道层间温度不宜＞250℃，镍基管道和不锈钢管道不需要预热，但层间温度必须严格控制在150℃以内。

直径较小的管道焊前预热采用碘钨灯加热的方式进行预热升温即可满足要求，直径较大的管道必须采用电加热的方式进行预热。温度控制常见问题在于层间温度的控制，进行下一层焊缝焊接时，焊前必须进行一次3点温度测量，确认符合工艺要求后再开始焊接。

需要焊后热处理的铬钼钢、合金钢管材焊缝，焊接完成后需立即进行30 min焊后热处理，热处理温度控制在300～350℃，空冷。

4.2.2 线能量控制

焊接电流、电压和焊接速度的设定一定要控制在工艺文件允许的范围内，严禁焊接热输入超出允许的最大线能量值。

线能量的控制，由焊工焊前根据工艺文件设定好焊机的焊接参数，并安排专人在焊接过程中观察电压值和电流值是否在工艺文件要求范围内，同时计算出焊接速度值，均符合焊接工艺文件要求方合格。

DN=500 mm的管道，第一道焊口焊缝厚度达到6 mm时，增加了一次根部RT检测，结果显示焊缝背面有焊渣，经调查研究，原因是焊接电流、电压选择过大而速度过低造成线能量最大化，造成背面出现焊渣，后经参数调整，问题得以良好解决。

4.2.3 背面气体保护

4.2.4 层间接头

多层焊缝应加强层间质量检查，上层检查合格后方可焊接下一层，直至盖面焊接完成。且多层焊接的层间接头不应集中，需逐个错开，接头集中既不美观，还容易造成应力集中和接头处的缺陷累积，如弧坑、裂纹等缺陷。因此，为避免质量问题的出现，要求层间接头错开至少100 mm。

4.3 焊后检查

焊接结束后的检查包括外观检查、无损检测和热处理后检验。外观检查又包括焊工的自检、互检和QC质检员专检。无损检测方式包括MT（磁粉检测）、 PT（渗透检测）、 RT（射线检测）、UT（超声波检测）。

（1）外观检测。外观检测中的自检工作，焊工需在盖面完成后立即进行。

（2）无损检测。需焊后热处理的焊缝无损检测必须在完成焊接热处理之后进行。由于本研究的管道壁厚较大，为确保焊缝质量的一次合格率，减少返修工作难度，特增加一次根部打底焊缝RT检测，要求检测厚度为6 mm。

（3）热处理后检验。热处理后的焊口应进行100%RT检测，其中铬钼钢材质还应增加10%UT抽检和100%MT（PT）检测，确认无裂纹等缺陷为合格。并且热处理后需先对热处理自动记录曲线进行检查审核，确认符合要求后方能进行硬度抽检。

5 自动化技术的应用

本研究采用的自动焊焊接技术为全GTAW焊接方法，即打底、填充、盖面均采用GTAW焊接方法，适用范围为直径≥300 mm、厚度≥20 mm的高压管道，且主要应用在车间预制焊口上。

5.1 全GTAW自动焊优点

（1）焊缝成形美观、光滑，焊缝结晶组织均匀，热影响区小，焊接质量高。

（2）焊接速度快，无损检测合格率高，自动焊焊缝质量一次合格率达到了100%。

（3）有效降低劳动强度，同时减少人为因素（焊工技术和体能）对焊缝质量的影响，大大降低了缺陷产生的几率。

5.2 全GTAW自动焊缺点

（1）自动焊机安装对环境条件、焊缝周围空间及直管段要求较高（径向空间最小380 mm，轴向空间240 mm），管道壁厚变化频繁，弯头、弯管较多时不宜使用自动焊。

（2） 不宜用于小管径（DN＜300 mm）、 小壁厚（T＜20 mm）的管道，因为焊机安装时间、焊接时间和拆卸时间较长，自动焊接效率无法体现。

（3）现场施工条件较差，自动焊机运输、安装及拆卸困难，现场焊接适用性低，大多只能用于预制口焊接。

6 结束语

在石化工程建设中，高压管道被认为是装置的大动脉，关系着整个装置的寿命周期，而焊接又是贯穿于高压管道施工过程的一项极为重要的工作。无论是在技术管理还是施工成本管理方面，如何在采用先进技术工艺的同时，又确保焊接质量，减少返修，降低劳动强度，从而提高企业核心技术竞争力，是从事工程建设的焊接工程管理人员必须加以考虑的一项重要工作。

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