關(guān)于管道環(huán)焊縫的10個問題
近年來，高鋼級鋼管環(huán)焊縫質(zhì)量問題頗受各方面關(guān)注。為了使大家全面了解環(huán)焊縫焊接技術(shù)和無損檢測技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用情況、存在問題和不足，前不久，我們邀請中石油集團(tuán)公司高級技術(shù)專家、管道局首席焊接技術(shù)專家、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、教授級高工隋永莉女士在“管道保護(hù)交流群”（微信）進(jìn)行了互動交流。隋總以豐富的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)真解答了大家提出的有關(guān)環(huán)焊縫的30多個問題。她的意見和建議，對于提高管道從業(yè)者的專業(yè)素養(yǎng)和操作技能都非常有幫助。為此，我們專門為大家挑選了10個有代表性的問題在本期發(fā)表，以饗讀者。
隋永莉（左二）講解環(huán)焊縫寬板拉伸試驗(yàn)的過程及數(shù)據(jù)含義
問：國外管道工程發(fā)生過環(huán)焊縫失效事故嗎？導(dǎo)致環(huán)焊縫失效的原因是什么？國內(nèi)管道工程環(huán)焊縫失效事故的特點(diǎn)有哪些？
答：根據(jù)資料調(diào)研和技術(shù)交流了解到，自2009年起，北美地區(qū)相繼出現(xiàn)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(yàn)階段，有些發(fā)生在運(yùn)行階段。經(jīng)大量研究和試驗(yàn)分析，認(rèn)為環(huán)焊縫失效的主要原因是環(huán)焊接頭的低強(qiáng)匹配、焊接熱影響區(qū)軟化和管道承受的外載荷。
國內(nèi)管道工程建設(shè)期水壓試驗(yàn)時發(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（有些焊口同時包含這四種情況）。與焊接缺陷、強(qiáng)力組對有很高的相關(guān)性。運(yùn)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、人類施工活動或自然現(xiàn)象導(dǎo)致的土壤移動。尤其是當(dāng)環(huán)焊接頭實(shí)際上低強(qiáng)匹配時，管道首先在強(qiáng)度薄弱的焊縫或熱影響區(qū)發(fā)生起裂。
問：環(huán)焊接頭不是等強(qiáng)或高強(qiáng)匹配的嗎？如何解決高強(qiáng)鋼環(huán)焊縫低匹配和熱影響區(qū)軟化問題？
答：國內(nèi)外管道工程的試驗(yàn)分析已經(jīng)證實(shí)了環(huán)焊接頭低匹配和熱影響區(qū)軟化的存在。這與現(xiàn)代管線鋼管制造技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)。現(xiàn)行的管線鋼標(biāo)準(zhǔn)中鋼管屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的允許范圍較寬，且只要求橫向強(qiáng)度，不要求縱向強(qiáng)度。當(dāng)鋼管強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)范圍的上限時，環(huán)焊接頭就成為實(shí)際上的低強(qiáng)匹配。另外，當(dāng)代的管線鋼是TMCP鋼，依靠晶粒細(xì)化提升其強(qiáng)度和韌性，是非穩(wěn)態(tài)顯微組織。在焊接熱過程作用下，細(xì)化的晶粒長大，向穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變，失去部分強(qiáng)度和韌性，造成焊接熱影響區(qū)軟化和脆化。焊接熱輸入量越大，軟化區(qū)、脆化區(qū)的寬度越大，對焊接接頭整體性能的影響就越大，如手工焊、半自動焊等方法。
為解決環(huán)焊接頭低強(qiáng)匹配的問題，國外一些石油公司對鋼管強(qiáng)度提出限制條件，如一些管理要求較為嚴(yán)格的公司規(guī)定抗拉強(qiáng)度的上限值不應(yīng)超過最小規(guī)定值100 MPa或120 MPa，其他大多數(shù)石油公司規(guī)定的抗拉強(qiáng)度上限值不應(yīng)超過最小規(guī)定值140 MPa。為解決熱影響區(qū)軟化的問題，加拿大等石油公司采用Yurioka的CEN碳當(dāng)量計(jì)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(guī)定了一個較小范圍的鋼管冶金成分，以保持同一管道工程項(xiàng)目中鋼管冶金成分的一致性。
問：從國內(nèi)高鋼級管道服役期環(huán)焊縫失效事故來看，焊趾位置應(yīng)力集中和焊縫金屬韌性儲備是比較突出的問題。應(yīng)如何避免焊趾位置的應(yīng)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(dāng)焊縫內(nèi)表面成型不圓滑時，焊趾位置的應(yīng)力集中確實(shí)比較嚴(yán)重，這是我們目前逐漸認(rèn)識到的問題，應(yīng)在后續(xù)管道建設(shè)中通過安全的坡口設(shè)計(jì)或合理的焊接施工順序來解決。比如坡口設(shè)計(jì)方面，可以采用特殊的焊接坡口來實(shí)現(xiàn)變壁厚鋼管的等壁厚或等內(nèi)徑對接焊。而合理的焊接施工順序，可以采用預(yù)制鋼管短接的方法，并在鋼管內(nèi)部對焊趾位置增加補(bǔ)焊焊縫，保證焊縫內(nèi)表面成型圓滑，再在工藝管道或線路管道上進(jìn)行鋼管短接與直管的等壁厚對接焊。同時，射線檢測可以采用兩次拍片法，第一次按厚壁側(cè)鋼管的壁厚設(shè)置曝光參數(shù)，第二次按薄壁側(cè)鋼管的壁厚設(shè)置曝光參數(shù)。
關(guān)于焊縫金屬韌性儲備，前期應(yīng)用比較廣泛的自保護(hù)半自動焊工藝，其焊縫金屬的動態(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(qū)，一些老舊管道（包括一些現(xiàn)代管道的手工、半自動焊）甚至不要求沖擊韌性，當(dāng)采用自動焊時才要求焊縫金屬的靜態(tài)韌性值（CTOD），此時的無損檢測是按照美國石油協(xié)會API 1104附錄A來驗(yàn)收的。我認(rèn)為，在高鋼級管道中推廣使用自動焊方法是提高焊縫性能的有效手段，而在一些不適用自動焊的地方可以采用氣保護(hù)藥芯焊絲半自動焊、金屬粉芯焊絲半自動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：X80鋼管道在山地段的焊接施工，除半自動焊工藝外，是否還有更可靠的焊接工藝值得探討和推薦？
答：目前半自動焊工藝通常是指自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊，除此以外還有氣保護(hù)藥芯焊絲半自動焊、金屬粉芯焊絲半自動焊、STT或RMD半自動焊等，各有優(yōu)缺點(diǎn)。STT或RMD半自動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(hù)藥芯焊絲半自動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(hù)氣體，對焊接環(huán)境的風(fēng)速要求高，對焊工操作水平、過程管理的要求一般。金屬粉芯焊絲半自動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(hù)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，但對過程管理的要求不高。自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊適合于填充蓋面焊，不需要保護(hù)氣體，對焊接環(huán)境要求不高，對焊工操作水平要求很高，對過程管理的要求很高。
問：采用銅襯墊內(nèi)對口器進(jìn)行外根焊自動焊技術(shù)，對X80鋼管焊接是否存在影響？國外是如何運(yùn)作的？
答：銅襯墊的外自動焊是法國Serimax公司的專利技術(shù)，在海洋管道及北美和歐洲的陸地管道中都有應(yīng)用。相關(guān)焊接工程師對于這種技術(shù)的評價正反面意見差不多對半。喜歡的人認(rèn)為設(shè)備便宜、地形適應(yīng)性好，對于小口徑、短距離管道建設(shè)很經(jīng)濟(jì)。不喜歡的人認(rèn)為這種技術(shù)對現(xiàn)場管口組對、焊接過程的管理要求很高，如果做不好會帶來銅裂紋問題，而且，關(guān)于滲銅層導(dǎo)致的電化學(xué)腐蝕影響尚缺少足夠的研究。法國和2002年代的中國是明確禁止在陸地管道中使用銅襯墊自動焊的國家。近年來，比較多的海洋管道建設(shè)在用自動超聲波檢測（AUT）方法代替了內(nèi)曝光的射線檢測（RT）方法后，也開始逐漸轉(zhuǎn)向使用內(nèi)焊機(jī)自動焊方法。所以，銅襯墊內(nèi)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程管控，能否保證滿足組對間隙、錯邊量的要求。
問：X80鋼管道等高強(qiáng)鋼焊接時，如何控制返修口和連頭口質(zhì)量？
答：高強(qiáng)鋼返修焊接時，首先應(yīng)按照返修焊接工藝規(guī)程進(jìn)行，應(yīng)由具備資質(zhì)的焊工完成，返修全過程應(yīng)有旁站監(jiān)督、過程受控。其次，需要注意檢查、確認(rèn)焊接缺陷完全去除，預(yù)熱溫度和預(yù)熱位置正確，返修長度不能過短或過長，焊接材料不能使用酸性焊條或自保護(hù)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損檢測工藝確認(rèn)。返修焊接通常會由于很高的局部拘束效應(yīng)而帶來冷裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，同時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，尤其是在采用自動焊時。
連頭焊接時，連頭地點(diǎn)或連頭位置的選擇非常重要，應(yīng)放在平直段、等壁厚焊口，注意兩側(cè)未回填管道長度是否足夠。管工的工作對最終的連頭質(zhì)量至關(guān)重要，應(yīng)保證連頭焊口的組對質(zhì)量。連頭焊接應(yīng)按照連頭工藝規(guī)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(yīng)由具備資質(zhì)的焊工完成，連頭全過程應(yīng)有旁站監(jiān)督、過程受控。連頭焊接時，環(huán)焊縫承受了很大的拘束作用，冷裂紋風(fēng)險(xiǎn)高于正常的線路焊口。
問：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(shè)期和服役期管道的環(huán)焊縫無損檢測方法都有哪些？
答：這個問題是目前管道焊接施工中最具爭議性的，可能每個管道建設(shè)者都有自己的理解和觀點(diǎn)。所以，如果知道這些規(guī)定或指標(biāo)的來源，可能會有助于理解和判斷其合理性。API 1104正文中無損檢測對焊接缺陷的驗(yàn)收屬于質(zhì)量驗(yàn)收，是基于中等及以上技能水平的焊工所達(dá)程度而制定的，是工程經(jīng)驗(yàn)。API 1104 附錄A對于焊接缺陷的驗(yàn)收屬于工程臨界評估（ECA）驗(yàn)收，是基于“合于使用”原則和斷裂力學(xué)、焊接結(jié)構(gòu)、應(yīng)力等因素。
目前國內(nèi)管道工程判斷環(huán)焊縫是否合格，是依據(jù)能否通過無損檢測來驗(yàn)收。引入第四方對第三方RT或AUT等再進(jìn)行RT復(fù)驗(yàn)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(shè)中的做法與我們目前有所不同，其無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(jiān)理公司（管理者）有自己的無損檢測人員或無損檢測公司，對施工承包商的檢測結(jié)果進(jìn)行100%復(fù)評，或按一定比例進(jìn)行復(fù)拍，保證無損檢測的準(zhǔn)確性，這也是管理層面的做法。
北美地區(qū)的建設(shè)期管道，自動焊采用AUT檢測方法，按API 1104附錄A來驗(yàn)收，即基于“合于使用”原則的工程臨界評估（ECA）方法。手工焊和半自動焊采用RT檢測方法，按API 1104正文部分來驗(yàn)收，即基于工程經(jīng)驗(yàn)的質(zhì)量驗(yàn)收。服役期管道，一般采用內(nèi)檢測技術(shù)對金屬缺失進(jìn)行評價。北美地區(qū)近年來研發(fā)了一種管內(nèi)超聲波檢測方法，從鋼管內(nèi)部對環(huán)焊縫裂紋進(jìn)行排查。據(jù)介紹，其基本工作流程是管道停輸并注滿水；采用普通的自動焊超聲波檢測設(shè)備在管內(nèi)爬行，在環(huán)焊縫位置旋轉(zhuǎn)掃查；用計(jì)算機(jī)讀取、評判環(huán)焊縫質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)裂紋。
問：GB/T 34275-2017標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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？API 1104新版做出了修訂嗎？
答：在一條油氣管道工程中，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%來制定的，取值為56J/76J。這個40%也是爭論的結(jié)果（如按80%、60%、50%等），原因只是因?yàn)檫@個指標(biāo)可能比較容易做得到。到X80鋼管道時，環(huán)焊縫的韌性指標(biāo)不能定得更高了，就沿用X70鋼管道指標(biāo)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(yàn)與其他拉伸、硬度、彎曲、靜態(tài)斷裂韌性等力學(xué)性能試驗(yàn)不同，沖擊功沒有物理含義。如果使用沖擊功進(jìn)行失效評估，需要將其轉(zhuǎn)化為斷裂韌性值，但這些轉(zhuǎn)化公式本身也有爭議，很多是通過某一階段鋼材、焊縫等相關(guān)數(shù)據(jù)回歸得到的。
問：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(xiàn)的環(huán)焊縫裂紋中，冷裂紋比例相對多一些，我認(rèn)為這些冷裂紋并不是延遲到了運(yùn)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)焊縫焊接過程中，有些焊接作業(yè)機(jī)組用微微吊起或放下鋼管的方式來調(diào)整對口間隙；撤離對口器過早；溝下焊時使用鉤機(jī)進(jìn)行管口組對，在根焊時鉤機(jī)突然失壓；個別的大口徑、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(wěn)等。這些都會導(dǎo)致未焊滿的焊縫承受過大的載荷，引發(fā)焊接裂紋。目前發(fā)現(xiàn)的焊接裂紋大多與上述施工行為有關(guān)，是施工管理中應(yīng)嚴(yán)格管控的環(huán)節(jié)。
已經(jīng)焊滿的環(huán)焊縫，在下溝環(huán)節(jié)由于起吊高度過高、管溝過深、吊機(jī)位置排布不對或數(shù)量不夠，單側(cè)沉管下溝、帶彎頭下溝等情況下，會承受很大的彎曲、扭轉(zhuǎn)力，導(dǎo)致環(huán)焊縫開裂。所以下溝環(huán)節(jié)需要嚴(yán)格管控。
問：高強(qiáng)度鋼焊接工藝評定環(huán)境與現(xiàn)場施焊環(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(nèi)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進(jìn)行模擬，包括整管焊接時的散熱條件不同、現(xiàn)場使用的對口器條件差異，目前都沒有在評定時進(jìn)行過模擬。近兩年來，在焊接工藝評定過程中開始針對不同鋼管、制管廠的高鋼級鋼管（冶金成分、軋制工藝不同）進(jìn)行環(huán)焊縫焊接工藝驗(yàn)證。
隋永莉
隋永莉簡介：女，1970年生，中石油集團(tuán)公司高級技術(shù)專家，管道局首席焊接技術(shù)專家，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，教授級高工。1992年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）焊接工藝與設(shè)備專業(yè)，1999年畢業(yè)于清華大學(xué)材料加工工程專業(yè)， 2008年畢業(yè)于天津大學(xué)材料加工工程專業(yè)。一直工作在油氣管道和儲罐焊接領(lǐng)域第一線，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(xùn)等工作。有幸經(jīng)歷了我國管道建設(shè)的大發(fā)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(xiàn)場焊接工藝的主要制定者。承擔(dān)并完成國家863項(xiàng)目，國家科技支撐項(xiàng)目，中石油集團(tuán)公司重大專項(xiàng)及管道局博士后工作站課題等30余項(xiàng)，取得的科技成果推動了X65、X70和X80鋼管在我國管道建設(shè)中的應(yīng)用。主持和參與制修訂國家標(biāo)準(zhǔn)5項(xiàng)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5項(xiàng)，石油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)7項(xiàng)。獲國家發(fā)明專利1項(xiàng)，實(shí)用新型專利2項(xiàng)，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。
