董方勇

（中國海洋石油工程質(zhì)量監(jiān)督渤海中心站，天津300450）

惠州煉化二期工程400萬t/a渣油加氫裝置屬甲類生產(chǎn)裝置，是煉化板塊高壓管道最為密集的部分，主要危險(xiǎn)介質(zhì)為甲類可燃?xì)怏w和甲B類可燃液體。工程結(jié)構(gòu)布置緊湊，施工場地狹窄，管線縱橫交錯(cuò)；管材規(guī)格多，牌號(hào)多，管壁厚，高壓管道總長度約8 500 m，管道最小外徑為26.7 mm，最大外徑為610 mm，管材牌號(hào)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，試驗(yàn)壓力最低19.5 MPa，最高46.8 MPa。

本研究結(jié)合渣油加氫裝置高壓管道焊接現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)和各階段安裝焊接過程中容易出現(xiàn)的質(zhì)量問題，對(duì)采取方法的有效性進(jìn)行深入研究和分析，認(rèn)為要提高高壓管道的焊接質(zhì)量，必須做好5個(gè)方面的控制工作，分別是焊接工藝的正確選擇、焊工的分級(jí)管理、焊接材料的科學(xué)控制、焊接過程的控制及自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用。

1 焊接工藝的選擇

準(zhǔn)確適用的焊接工藝是確保高壓管道焊接質(zhì)量的前提條件，工程前期技術(shù)準(zhǔn)備階段，需根據(jù)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和技術(shù)要求，對(duì)工程項(xiàng)目中高壓管道類型進(jìn)行一次綜合評(píng)估，確定需要進(jìn)行焊接工藝評(píng)定的類型，編制焊接工藝文件。

1.1 焊接工藝特點(diǎn)分析

該工程高壓管道的特點(diǎn)是管線中有大量需要焊前預(yù)熱和焊后熱處理的碳鋼、抗氫鋼、鉻鉬鋼和不銹鋼，管材壁厚較大，試驗(yàn)壓力高，且設(shè)計(jì)空間布置緊湊，施工場地狹窄，管線縱橫交錯(cuò)，無損檢測要求高。因此，管道安裝焊接難度很大，對(duì)焊工的技術(shù)操作水平要求很高，很容易產(chǎn)生焊接缺陷，出現(xiàn)質(zhì)量問題。

管道焊接大致分兩種，預(yù)制焊接和現(xiàn)場焊接。預(yù)制焊接是提高管道焊接質(zhì)量最有效的措施之一，關(guān)鍵在于該方式能有效降低管道焊接難度，從而大大提高焊接質(zhì)量。

本裝置預(yù)制焊接部分主要采用4種工藝：

（1） 公稱直徑DN≤50 mm， 采用GTAW （鎢極惰性氣體保護(hù)焊）;

（2） 50 mm＜DN≤500 mm， 方法一為 GTAW打底，SMAW（手工電弧焊）填充和蓋面；方法二為GMAW（熔化極氣體保護(hù)焊）打底，F(xiàn)CAW（藥芯焊絲電弧焊）填充和蓋面；

（3）DN＞500 mm，采用SMAW，但焊縫背面需清根處理；

（4） DN≥300 mm， 厚度T≥20 mm， 具備使用自動(dòng)焊的管道焊接采用GTAW打底、填充和蓋面。

現(xiàn)場安裝焊接主要采用兩種工藝：

（1） DN≤50 mm，采用 GTAW;

（2） DN＞50 mm， 采用 GTAW 打底， SMAW填充和蓋面。

1.2 焊接工藝評(píng)定

焊接工藝評(píng)定所用試件的制備，焊前預(yù)熱，焊接過程中的電流、電壓及焊接速度的選擇，焊后熱處理等過程應(yīng)盡可能地模擬現(xiàn)場安裝焊接的條件進(jìn)行，以保證評(píng)定合格的工藝參數(shù)能最大程度地與現(xiàn)場施焊條件相符，避免評(píng)定合格后的焊接工藝在現(xiàn)場焊接時(shí)適用范圍小，甚至根本不能適用。

焊接實(shí)驗(yàn)室的焊接條件一般比現(xiàn)場安裝焊接的環(huán)境和預(yù)制的焊接環(huán)境優(yōu)越得多，且工藝評(píng)定往往只注重成功率，而對(duì)焊接效率沒有要求，在評(píng)定焊接過程中焊工往往把焊接電流、電壓控制的較小，而焊接速度不變，會(huì)造成評(píng)定合格的焊接工藝最大熱輸入線能量Q非常低，現(xiàn)場焊接很容易超出最大線能量，從而造成焊接質(zhì)量無法保證。

1.2.1 焊接方案選擇

如1.1所述，該工程根據(jù)管徑的大小預(yù)制焊接口設(shè)定了3種焊接方案，現(xiàn)場焊接口設(shè)定了2種焊接方案。對(duì)焊接質(zhì)量的影響具體分析如下：

（1）DN≤50 mm的高壓管道采用GTAW 焊接，原因是GTAW焊接方法具有加熱集中、焊件變形小、電弧穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，較之其他焊接方法能最大程度確保小直徑管焊接的質(zhì)量；

（2）50 mm＜DN≤500 mm的高壓管道壁厚較大時(shí)，方法一（GTAW+SMAW）和方法二（GMAW+FCAW）兩種方案的任一選擇既可確保焊縫質(zhì)量也可確保焊接效率，而全GTAW焊接方案，質(zhì)量肯定要稍優(yōu)于組合焊接方案，但焊接效率太低；

（3）DN＞500 mm的高壓管道焊接只有在管道預(yù)制時(shí)才能采用全SMAW的焊接方案，主要原因是SMAW焊接方法無法確保單面焊雙面成形焊縫的質(zhì)量，需要進(jìn)行焊縫背面清根處理，現(xiàn)場安裝焊接的管道，其內(nèi)部無法進(jìn)行背面清根處理，從而會(huì)造成焊縫質(zhì)量不合格。

1.2.2 焊接材料的選擇

焊接材料必須具有質(zhì)量合格證明書，其熔敷金屬化學(xué)成分、力學(xué)性能應(yīng)符合NB/47018—2011《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)要求》的規(guī)定和設(shè)計(jì)文件要求。不同的管道材質(zhì)牌號(hào)需選用不同牌號(hào)和規(guī)格的焊材，才能最大程度地保證焊接質(zhì)量，本工程高壓管線焊接材料選用信息見表1。

1.2.3 坡口形式的選擇

管道焊接坡口的形式復(fù)雜多樣，根據(jù)管道壁厚可以分為I形坡口、V形坡口、U形坡口及雙V形組合坡口等多種形式。GB 50236—2011《現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工規(guī)范》附錄C.0.1規(guī)定，管道的坡口接頭形式就達(dá)14種之多，因此選擇正確的坡口形式和坡口尺寸也是焊接工藝中的一項(xiàng)重要因素，影響著焊縫焊接質(zhì)量的高低。坡口形式不同，坡口尺寸不同，則選用的焊接工藝參數(shù)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以本裝置最大厚度為45.24 mm的高壓管道為例，坡口形式選擇見表2。

表1 焊接材料選用表

表2 管道坡口形式選用表

2 焊工的分級(jí)管理

焊縫質(zhì)量能否通過無損檢測，能否避免氣孔、夾雜、未熔合、咬邊、裂紋等質(zhì)量缺陷，很大程度上取決于焊工技術(shù)水平的高低。筆者拋開焊工“無證”上崗和資質(zhì)證書“超項(xiàng)”和“超期”等問題不做討論，以焊工的職業(yè)態(tài)度、工作業(yè)績、技術(shù)能力及年齡這四要素作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊工進(jìn)行Ⅲ級(jí)分級(jí)管理，每一個(gè)月作為一個(gè)考核周期，優(yōu)勝劣汰，評(píng)定級(jí)別高者每月予以相應(yīng)績效獎(jiǎng)勵(lì)。通過嚴(yán)格考核選拔出高水平焊工人才，焊接工程師根據(jù)現(xiàn)場焊接難度，針對(duì)性地委派任務(wù)，取得了非常理想的焊接質(zhì)量效果。

3 焊接材料的科學(xué)控制

焊接材料的牌號(hào)及規(guī)格類型在焊接工藝部分已經(jīng)一一確定，但焊接過程中對(duì)焊材進(jìn)行科學(xué)有效的控制管理也非常必要，若管理不善往往會(huì)發(fā)生焊材生銹、烘干不達(dá)標(biāo)、用錯(cuò)焊材、回收不及時(shí)以及浪費(fèi)嚴(yán)重等問題。

（1）人員管理。焊材烘干管理員必須具備初中以上文化水平，并由焊接工程師進(jìn)行專門的培訓(xùn)，考試合格后方能上崗工作。禁止焊工和其他工種人員臨時(shí)代理焊材烘干管理員一職。

（2）分級(jí)庫存。整個(gè)工程項(xiàng)目設(shè)立一個(gè)焊材一級(jí)庫和多個(gè)焊材二級(jí)庫，存放標(biāo)準(zhǔn)均要符合JB/T 3223—1996《焊接材料質(zhì)量管理規(guī)程》要求，認(rèn)真做好兩級(jí)庫存焊材入庫/出庫記錄臺(tái)賬。

（3）重視焊材的烘干工作。焊材烘干技術(shù)要求文件要張貼在烘干房內(nèi)，以便烘干員參考執(zhí)行，嚴(yán)格按技術(shù)參數(shù)進(jìn)行烘干和保溫。

（4）重視發(fā)放和回收工作。按照“先進(jìn)先出”的原則發(fā)放焊材，憑單領(lǐng)料，及時(shí)記錄，回收閉合，未回收者暫停領(lǐng)料資格。

（5）加強(qiáng)自查工作。每月由焊接工程師組織一次焊材管理的自我檢查工作，就上述（1）～（4）條的內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)督檢查，重點(diǎn)查庫存量、查庫房和烘干條件、查入庫/出庫記錄、查發(fā)放和回收記錄，確保焊材的使用均在科學(xué)的管理范圍內(nèi)。

4 焊接過程的控制

焊接過程質(zhì)量控制主要分為3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，分別是焊前檢查、焊接期間的控制及焊接完成后的檢查。

4.1 焊前檢查

焊接之前的檢查項(xiàng)包括焊接工藝卡是否有效和適用、焊工資格是否相符、焊材牌號(hào)和干燥度是否滿足、焊接設(shè)備是否完整合格、坡口組對(duì)尺寸是否正確以及是否采取了有效的環(huán)保措施。

4.1.1 程序文件

指導(dǎo)現(xiàn)場焊接施工的焊接工藝規(guī)程必須是有效執(zhí)行版，施工過程中曾出現(xiàn)不同班組所用焊接工藝規(guī)程版本不同的問題，造成現(xiàn)場焊工焊接時(shí)參數(shù)超標(biāo)，焊接質(zhì)量無法保證。

“海綿城市”運(yùn)用于城市道路建設(shè)是可行的、經(jīng)濟(jì)的，可以為實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)化和環(huán)境資源協(xié)調(diào)發(fā)展提供有力保證。建設(shè)具有自然積存、滲透、凈化功能的海綿城市是社會(huì)生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分，也是我國城市建設(shè)的發(fā)展方向。

解決方法：加強(qiáng)文件管理，新版文件發(fā)表后必須加蓋紅色印章，同時(shí)舊版文件必須及時(shí)作廢，并建立文件發(fā)放臺(tái)賬，班組長專人負(fù)責(zé)，憑回收的舊版文件領(lǐng)取新版文件，從而在根本上解決錯(cuò)用程序文件導(dǎo)致的質(zhì)量問題重復(fù)發(fā)生。

4.1.2 焊工資格

焊工資格的檢查主要包括證書是否在有效期，資格項(xiàng)目是否滿足所焊管道直徑和壁厚要求?？刂乒芾淼闹攸c(diǎn)在于項(xiàng)目必須有一位非常專業(yè)的焊接工程師，焊接工程師對(duì)焊工管理負(fù)主要責(zé)任，工作前應(yīng)將具備高壓管道焊接資格的焊工形成文件清單，供班組使用，并對(duì)班組長進(jìn)行專門的技術(shù)交底，從而有效避免焊工資格超項(xiàng)質(zhì)量問題的發(fā)生。同時(shí)，針對(duì)高壓管道焊接難度大的特點(diǎn)，專門在正式焊接前對(duì)清單內(nèi)的焊工進(jìn)行兩天模擬焊接練習(xí)。

4.2 焊接過程的控制

4.2.1 溫度控制

預(yù)熱溫度、層間溫度的監(jiān)測控制一定要處在工藝文件要求的范圍內(nèi)，本裝置15CrMo鋼的預(yù)熱溫度應(yīng)≥180℃，層間溫度不宜＞300℃，碳鋼管道層間溫度不宜＞250℃，鎳基管道和不銹鋼管道不需要預(yù)熱，但層間溫度必須嚴(yán)格控制在150℃以內(nèi)。

直徑較小的管道焊前預(yù)熱采用碘鎢燈加熱的方式進(jìn)行預(yù)熱升溫即可滿足要求，直徑較大的管道必須采用電加熱的方式進(jìn)行預(yù)熱。溫度控制常見問題在于層間溫度的控制，進(jìn)行下一層焊縫焊接時(shí)，焊前必須進(jìn)行一次3點(diǎn)溫度測量，確認(rèn)符合工藝要求后再開始焊接。

需要焊后熱處理的鉻鉬鋼、合金鋼管材焊縫，焊接完成后需立即進(jìn)行30 min焊后熱處理，熱處理溫度控制在300～350℃，空冷。

4.2.2 線能量控制

焊接電流、電壓和焊接速度的設(shè)定一定要控制在工藝文件允許的范圍內(nèi)，嚴(yán)禁焊接熱輸入超出允許的最大線能量值。

線能量的控制，由焊工焊前根據(jù)工藝文件設(shè)定好焊機(jī)的焊接參數(shù)，并安排專人在焊接過程中觀察電壓值和電流值是否在工藝文件要求范圍內(nèi)，同時(shí)計(jì)算出焊接速度值，均符合焊接工藝文件要求方合格。

DN=500 mm的管道，第一道焊口焊縫厚度達(dá)到6 mm時(shí)，增加了一次根部RT檢測，結(jié)果顯示焊縫背面有焊渣，經(jīng)調(diào)查研究，原因是焊接電流、電壓選擇過大而速度過低造成線能量最大化，造成背面出現(xiàn)焊渣，后經(jīng)參數(shù)調(diào)整，問題得以良好解決。

4.2.3 背面氣體保護(hù)

4.2.4 層間接頭

多層焊縫應(yīng)加強(qiáng)層間質(zhì)量檢查，上層檢查合格后方可焊接下一層，直至蓋面焊接完成。且多層焊接的層間接頭不應(yīng)集中，需逐個(gè)錯(cuò)開，接頭集中既不美觀，還容易造成應(yīng)力集中和接頭處的缺陷累積，如弧坑、裂紋等缺陷。因此，為避免質(zhì)量問題的出現(xiàn)，要求層間接頭錯(cuò)開至少100 mm。

4.3 焊后檢查

焊接結(jié)束后的檢查包括外觀檢查、無損檢測和熱處理后檢驗(yàn)。外觀檢查又包括焊工的自檢、互檢和QC質(zhì)檢員專檢。無損檢測方式包括MT（磁粉檢測）、 PT（滲透檢測）、 RT（射線檢測）、UT（超聲波檢測）。

（1）外觀檢測。外觀檢測中的自檢工作，焊工需在蓋面完成后立即進(jìn)行。

（2）無損檢測。需焊后熱處理的焊縫無損檢測必須在完成焊接熱處理之后進(jìn)行。由于本研究的管道壁厚較大，為確保焊縫質(zhì)量的一次合格率，減少返修工作難度，特增加一次根部打底焊縫RT檢測，要求檢測厚度為6 mm。

（3）熱處理后檢驗(yàn)。熱處理后的焊口應(yīng)進(jìn)行100%RT檢測，其中鉻鉬鋼材質(zhì)還應(yīng)增加10%UT抽檢和100%MT（PT）檢測，確認(rèn)無裂紋等缺陷為合格。并且熱處理后需先對(duì)熱處理自動(dòng)記錄曲線進(jìn)行檢查審核，確認(rèn)符合要求后方能進(jìn)行硬度抽檢。

5 自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用

本研究采用的自動(dòng)焊焊接技術(shù)為全GTAW焊接方法，即打底、填充、蓋面均采用GTAW焊接方法，適用范圍為直徑≥300 mm、厚度≥20 mm的高壓管道，且主要應(yīng)用在車間預(yù)制焊口上。

5.1 全GTAW自動(dòng)焊優(yōu)點(diǎn)

（1）焊縫成形美觀、光滑，焊縫結(jié)晶組織均勻，熱影響區(qū)小，焊接質(zhì)量高。

（2）焊接速度快，無損檢測合格率高，自動(dòng)焊焊縫質(zhì)量一次合格率達(dá)到了100%。

（3）有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)減少人為因素（焊工技術(shù)和體能）對(duì)焊縫質(zhì)量的影響，大大降低了缺陷產(chǎn)生的幾率。

5.2 全GTAW自動(dòng)焊缺點(diǎn)

（1）自動(dòng)焊機(jī)安裝對(duì)環(huán)境條件、焊縫周圍空間及直管段要求較高（徑向空間最小380 mm，軸向空間240 mm），管道壁厚變化頻繁，彎頭、彎管較多時(shí)不宜使用自動(dòng)焊。

（2） 不宜用于小管徑（DN＜300 mm）、 小壁厚（T＜20 mm）的管道，因?yàn)楹笝C(jī)安裝時(shí)間、焊接時(shí)間和拆卸時(shí)間較長，自動(dòng)焊接效率無法體現(xiàn)。

（3）現(xiàn)場施工條件較差，自動(dòng)焊機(jī)運(yùn)輸、安裝及拆卸困難，現(xiàn)場焊接適用性低，大多只能用于預(yù)制口焊接。

6 結(jié)束語

在石化工程建設(shè)中，高壓管道被認(rèn)為是裝置的大動(dòng)脈，關(guān)系著整個(gè)裝置的壽命周期，而焊接又是貫穿于高壓管道施工過程的一項(xiàng)極為重要的工作。無論是在技術(shù)管理還是施工成本管理方面，如何在采用先進(jìn)技術(shù)工藝的同時(shí)，又確保焊接質(zhì)量，減少返修，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，從而提高企業(yè)核心技術(shù)競爭力，是從事工程建設(shè)的焊接工程管理人員必須加以考慮的一項(xiàng)重要工作。

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