隋永莉

中國石油天然氣管道科學研究院有限公司

國外油氣管道的環焊縫焊接方法多種多樣。北美、歐洲等地區主要以自動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、半自動自保護藥芯焊絲電弧焊和自動熔化極氣保護焊等。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下向焊工藝，90年代中期開始引進和研發管道自動焊技術和設備，至今自動焊已成為油氣管道建設的主要焊接方法。

半自動焊和手工焊的應用。半自動焊和手工焊在印度、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焊工藝在北美地區主要用于建筑行業。

中石油1995年承建的突尼斯天然氣管道工程和1996年建設的庫鄯線輸油管道工程，是我國最早應用自保護藥芯焊絲半自動焊工藝的管道工程。由于該焊接方法的環境適應性好、焊接工藝性優良、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，發現自保護藥芯焊絲半自動焊的焊縫金屬存在著顯著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。而大量M-A組織的出現，一方面與焊材中的高Al含量相關，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。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焊。

我國未來的油氣管道建設，在小口徑、低鋼級管線鋼管現場焊接時，自保護藥芯焊絲半自動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境等因素限制、不利于管道自動焊施工的地段，也可能選擇使用自保護藥芯焊絲半自動焊和低氫焊條手工焊。但在應用自保護藥芯焊絲半自動焊工藝時，需合理限定管線鋼管的冶金成分，并嚴格遵守薄層多道焊的半自動焊工藝原則，以確保環焊接頭的力學性能滿足工程要求。

自動焊的應用。20世紀70、80年代，國外已采用自動焊裝備進行管道建設，目前應用最廣泛的國外自動焊裝備包括美國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模化應用。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焊裝備，其技術先進性與國外基本持平，包括同步漲緊技術、快速定位技術、坡口加工技術、內根焊技術、對接搭接技術、自動控制技術、電弧跟蹤技術等，在無線傳輸技術方面甚至超過了國外同類產品。國產自動焊裝備在國家重點管道建設中的應用效果越來越顯著。隨著國家對安全、環保、高效、高質管道建設要求不斷提升，自動焊方法將成為管道建設的首選。

無損檢測方法的應用。常用的無損檢測方法包括目視、射線、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，也很難或無法實現被檢對象的完整評估，往往需要根據不同情況同時使用兩種或多種無損檢測方法，才能對結構異常做出可靠判斷。同時，還應選擇與焊接工藝相適應的無損檢測方法和檢測工藝進行焊接缺欠控制，如氣保護實心焊絲自動焊的主要焊接缺欠是未熔合和氣孔，宜選用全自動超聲波（AUT）檢測方法；氣保護藥芯焊絲自動焊的主要焊接缺欠是氣孔和夾渣，宜選用射線（RT）檢測方法，或含有超聲波衍射時差（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。

一些無損檢測方法的結果記錄情況較差、甚至沒有（如目視、磁粉和滲透檢測往往沒有記錄，手動超聲波檢測的可重復性和監督性差），因此同一道環焊縫的多種無損檢測結果難以實現綜合分析。當前的油氣管道建設過程中越來越多地使用了數字化射線（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、檢測效率低等問題，提高缺陷識別能力以及缺陷定量、定位的精度，實現檢測數據的遠程傳輸和專家診斷，減少缺陷漏判、誤判。

未來的管道建設還將大力發展數字化無損檢測系統，通過將目視、滲透、磁粉、射線、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，實現對無損檢測工藝的優化和無損檢測質量的保證，提高檢測質量和效率，提高管道環焊縫服役可靠性。

焊接缺陷的驗收。北美、歐洲的陸地和海洋管道采用自動焊方法時，使用與AUT檢測方法相結合的工程臨界評估（ECA）方法，對環焊縫中的焊接缺陷進行評估和驗收。通過ECA得到的缺陷臨界尺寸與挪威船級社DNV-OS-F101和美國石油學會API 1104等標準中可接受缺陷的范圍進行比較，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，環焊縫缺陷的檢測和驗收是按質量驗收的方法、執行國家或行業的無損檢測標準GB/T 50818或SY/T 4109。這在很大程度上限制了管道自動焊效率和質量的優勢發揮，同時對含有非危害性缺欠的環焊縫進行大量返修，實際上帶來了更大的不安全風險。

基于斷裂力學的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，并且在實際應用中具有較高的經濟效益，是一種安全且兼顧經濟性的缺陷評估手段。隨著油氣管道工程建設技術的不斷進步，ECA方法的應用將會越來越廣泛。

管道施工組織方法。為保證管道環焊縫的焊接效率和質量，應將環焊縫焊接技術與鋼鐵冶金、鋼管制造、焊材生產、工程設計和施工管理等作為一個技術體系進行協調和管理。如鋼板或卷板的冶金成分和在軋制工藝設計時考慮其焊接性，在降低冷裂紋和熱裂紋敏感性的同時避免熱影響區軟化和脆化；制管過程的管端不圓度和制管焊縫錯邊量、管周長偏差等滿足焊接組對要求，減小對坡口加工和組對的精度影響；研發專用的焊接材料，提高焊材的純凈度和工藝穩定性，通過焊接材料的質量一致性來保證焊接過程穩定，確保焊接質量；設計和勘察過程中采取降坡、取直的設計思路，滿足自動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，保證無損檢測能夠及時反饋焊接質量信息等。

作者簡介：隋永莉，1970年生，教授級高工，2008年博士畢業于天津大學材料加工工程專業，中國石油天然氣管道科學研究院有限公司首席焊接技術專家，主要從事油氣管道及儲罐的現場焊接技術研究。聯系方式：0316-2076715，cnpcsuiyongli@sina.com。