由靖西三线谈提高长输管道一次焊接合格率

中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司 （四川成都 610041） 宋代诗雨 秦 璇 刘永茜

靖边至西安天然气输气管道三线系统工程输气管道全长约475.8km，设计管径900mm，输气能力90×108m³/a。靖西三线系统工程线路部分一标段于2011年6月10日率先打火开焊，全长99.1 km，主要地形地貌为沙草滩地、浅丘平原和黄土丘陵。由于浅丘平坝地区大部分地段地势起伏不大，且坡度较缓，而黄土丘陵地区起伏较大，坡度较陡，所以线路工程采用流水化焊接机组和山地机动机组相配合的施工作业方式。

1. 焊接工艺要求

靖西三线主线路管道选用X70钢级，直径914mm、壁厚为11.1～19.1mm的3PE防腐钢管。焊接工艺方法采用SMAW（根焊）+FCAW（热焊、填充焊、盖面焊），其中根焊采用焊条手工下向焊，热焊、填充焊、盖面焊采用自保护药芯焊丝半自动下向焊。执行标准采用SY/T4103—2006、Q/SYGJX0110—2007（焊缝外观检查及验收执行GB 50369—2006）。焊接工艺要求如下：接头及坡口形式为V形对接；坡口角度α=45°～47°；钝边p=1.5～1.8mm；间隙b=2.5～4.0mm；错边量≤1.7mm；预热温度100～200℃；层间温度50～150℃，无需焊后热处理；焊缝余高h≤2.0mm，局部不得超过3.0mm；盖面焊缝宽w保证每侧应比坡口表面宽0.5～2.0mm；打磨掉管端螺旋焊缝端部10mm范围内余高，并平缓过渡；两管口螺旋焊缝错开间距≥100mm；坡口两侧每侧加热宽度≥50mm；根焊与热焊时间间隔≤10min；热焊、填充焊、盖面焊的焊丝干伸长度为焊丝直径的10～15倍。焊接坡口接头设计如图1所示，焊道层要求如图2及表1所示。

图1 接头设计

图2 焊道层

表1 焊接层数

2. 现状分析

靖边至西安三线系统工程一标段百口磨合阶段共开设5个作业机组。开焊15天后，焊口射线检测一次合格率偏低，仅为92%，焊口返修共计29处。为此，我们对各类返修缺陷出现的频次进行分析整理统计，如表2所示。

表2 返修频次统计

由表2可知，造成一标段百口磨合阶段焊口一次焊接检测合格率低的主要缺陷是返修频次最高的气孔，其次是未熔合、夹渣。再结合现场操作实际分析，得出了造成以上四种影响因素的主要原因为现场施工监督检查工作不到位、施工人员违规操作、现场管理人员未对特殊情况采取相应对策等。

根据分析结果，将焊口一次焊接检测合格率偏低的原因进行了进一步的要因和非要因分类。

要因方面：第一，焊工在重要施工环节上常常忽视必要施工准备或进行违规操作。第二，技术和施工人员往往依据经验或标准制定工艺无针对性地进行操作，忽略了具体工程中的焊接工艺评定要求。第三，现场施工管理人员对方法认识不足，质量把关不严，缺少对重点环节以及关键参数的把控、跟踪和监督力度。第四，施工现场辅助措施的不完善也是一次焊接合格率偏低的要因之一。在黄土地区工程焊接施工中，需要采取的措施很多，但由于工期紧，任务量大，所以现场没有严格按照施工规范进行实施。

非要因方面：焊工缺少具体工程的技术培训是一重要原因。虽然现场的焊工每人经现场考试都有上岗证，但是没有充分考虑焊工考试合格的项目是否与其从事的焊接工作吻合一致。

3. 对策的制定与实施

根据上述分析，针对一次焊接检测合格率偏低的要因，我们对提高一次焊接合格率进行了可行性论证。在此基础上制定了靖西三线系统工程一标段百口磨合阶段提升管道一次焊接合格率的目标：力争在目前一次检测合格率92%的基础上，提高一次焊接检测合格率≥95%。

围绕以上目标，提出了从根本上把控焊接缺陷、严格进行施工管理、重视施工现场辅助措施、完善现场机制等几方面内容以供现场进行实践，并在施工过程中重点对以下两个环节进行把控和落实。

（1）重视焊前准备及技术措施 其中对坡口检查、试件清理、加热温度上限等条件和参数再次进行了明确。特别就对口器的撤离条件作出额外要求：在根部焊道承受铺设应力比正常情况高，且有可能发生裂纹的情况下，需完成下一焊道后撤离内对口器；采用外对口器时，应保证根焊道均匀对称完成50%以上后撤离，对口支撑和吊具则应在根焊道全部完成后方可撤离。

（2）焊接缺陷的把控 通过对返修焊口的分析，对造成气孔、未熔合、夹渣及烧穿等缺陷的因素从焊接工艺角度进行了重点把控。有针对性地采取措施，从而避免上述缺陷的产生。

气孔缺陷：气孔主要产生在外表面的盖面层内，从焊接工艺角度分析，盖面层产生气孔的主要原因有以下几个方面：①焊丝倾角不对。焊丝倾角应垂直或前倾，如果后倾角度过大将造成熔池温度体积增大、熔池温度升高，吸收气体量增加，大量的气体来不及逸出形成气孔。②盖面层熔敷金属厚度过大，造成焊接速度减慢，较大体积的熔池流动速度大于焊接前行速度，药渣前溢（超过焊丝位置）熔池铁液与表面熔渣不能通过电弧的吹力而分开，造成气体不能逸出形成气孔。③盖面时焊接参数偏大，尤其是在管口的垂直段和下爬坡段焊接时参数过大容易造成熔池体积增大，铁液的流动速度加大，药渣前溢铁液与药渣不能有效地分开形成气孔。

未熔合缺陷：从焊接工艺角度看，未熔合主要在根焊时背部产生的单边未焊透或接头不当产生的凹陷处，以及在热焊和盖面焊接过程中熔敷金属与坡口交接处形成。①对口不当造成的错边量过大，根焊时两侧钝边受热不均匀造成单边未焊透。②坡口钝边过大，正常的焊接速度和焊接参数不足以熔化钝边，形成单边未焊透。③根焊运条时焊条角度没有保持左右垂直焊缝中心线，造成电弧作用坡口两侧热量不均匀形成单边未焊透。④根焊接头时，起弧位置过短造成熔化前部焊道的热量不够，前部收弧部位没有熔化形成断头缺陷。⑤盖面时由于前述产生气孔的原因，铁液前移阻碍了电弧直接作用前层焊道，造成熔渣不能熔化浮出，形成未熔合等条状缺陷。

夹渣缺陷：①根焊时焊缝成形凸度过高在熔敷金属与坡口交界处形成较深的沟槽，热焊时电弧不能触及到沟槽而形成夹渣等条状缺陷。②热焊前清渣不干净，热焊时残留渣未熔化而形成夹渣等条状缺陷。③盖面时由于前述产生气孔的原因，铁液前移阻碍了电弧直接作用前层焊道，造成熔渣不能熔化浮出，形成夹渣等条状缺陷。④盖面时焊丝摆动不到位，电弧未能熔化焊缝边缘的沟槽，形成夹渣等条状缺陷。

烧穿缺陷：烧穿主要是热焊时操作不当造成的缺陷。①对口间隙偏大，造成根部焊道厚度减薄面积增加，热焊时散热条件不好，热量集中程度高，击穿根部焊道。②清渣时根部焊道减薄量过大，剩余的焊缝金属厚度不足以承受热焊时熔池温度。③热焊时焊接参数偏大、焊接速度慢，造成熔池温度过高击穿根部焊道。

4. 实施效果

在改进措施实施后，重新对一标段5个作业机组在这段时间内焊接的1103道焊口进行焊接质量统计。焊接合格率统计情况如表3所示。

表3 一次焊接合格率统计

从表3可以看出在相应的对策实施后，一次焊接检测合格率从实施前92%提升到98.19%，超过项目质量目标一次焊接检测合格率95% ，保证了项目的质量。

在对本次提高一次焊接合格率的对策措施和实施效果进行经验分析的基础上，总结制定了巩固措施，以便在今后的施工过程中保证焊接质量，尽量避免返修、二次焊接等风险，保证高质量、按时完成工程任务。巩固措施如下：

（1）加强对施工现场焊接质量管理人员或技术人员的要求 应熟悉下向焊焊接工艺，熟悉焊工操作的基本要领，能够通过看底片基本了解缺陷的性质、形状、所在位置和层次，以便准确判断出缺陷产生的可能原因。

（2）加强工艺纪律的管理 使工艺参数、工艺措施始终如一。工艺参数：如钝边参数、对口间隙、错变量控制、根焊焊接速度、填充及盖面各层焊接参数，工艺措施：如人员搭配、焊接位置及焊接设备等始终如一，能够使操作者形成一个非常熟练的操作程序，使出现缺陷的原因简单化。

5. 结语

通过从“靖西三线工程”焊接施工过程中最开始一次焊接合格率偏低的原因分析入手，针对影响焊接质量的气孔、未熔合、夹渣及烧穿等因素制定了相应的改进措施并有效实施，显著地提高了一次焊接合格率。由于文中所提及的技术措施以及注意事项具有一定的共性，所以可以在一定程度上保证焊接质量，提高长输管道建设的一次焊接合格率。