X70管道现场焊接技术和质量控制要点

X70管道现场焊接技术和质量控制要点

2011-11-1110:31:39|

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自西气东输开始采用X70管道用于长输管道后，很多管线都采用了X70管道用于输送油气。本文以西气东输管道材质为例，分析X70管道焊接的特点。1

X70管线的特点

X70管线钢是按照API

5L管线钢管的标准，其最低屈服强度达到或超过70300psi，即485兆帕（MPa）的管线钢管。实际上在API

5L

的标准中，将管线钢管分为两个等级，即只要求强度等级的PLS1级钢管和要求更多性能参数的PSL2级钢管，PSL2级的钢管要求标注它的轧制方法，如热机械控轧，用M标识，淬火的要用Q标示。对它们的要求见表1和表2：

表1

PSL1级钢管的性能要求PSL1

级钢管

最小屈服强度

最小抗拉强度

焊缝最小抗拉强度

MPa（psi）

MPa（psi）

MPa（psi）L485或X70

485（70300）

570（82700）

570（82700）

表2

PSL2级钢管的性能要求PSL2

级钢管

屈服强度

抗拉强度

屈强比

焊缝抗拉强度

MPa（psi）

MPa（psi）

MPa（psi）L485或X70

最小

最大

最小

最大

最大

最小

485

635

570

760

0.93

570

（70300）（92100）

（82700）（110200）

（82700）注：直径为1219的管道要求Kv=54J，一般D《1422mm直径的冲击功要求为27J

，0°C

目前的X70

管线钢管都是属于控扎的微合金碳锰钢，微合金以Nb、V、Ti为主，微合金的含量总和不超过0.15%。因此管道的组织以针状铁素体和贝氏体组成，一般具有良好的焊接性能。

根据文献，为了避免裂纹的出现，都要求最低为100°C的焊接预热要求。2

X70钢管线环峰焊接工艺方法概述

自西气东输大面积采用了X70钢管以后，对现场环缝的焊接试验了多种焊接工艺的组合，主要有以下两种（1）纤维素焊条根焊加药芯焊丝自保护焊填充盖面工艺该工艺普遍用于除了西部部分采用的全自动焊接以外的所有主干线的焊接，属于半自动焊接方式。（2）全自动焊接组合

用混合气体保护自动焊焊接根焊和其它焊道。由于采用的是无衬垫焊接根焊，因此有采用多头内焊机焊接根焊，或用小车爬行外焊，或用林肯STT技术焊接根焊等方法焊接。3

药芯焊丝自保护焊接的历史及特点

药芯焊丝自保护焊是使用药芯焊丝作为焊接材料的一种熔化极气体保护焊或自保护焊法，在我国管道施工中用于全位置半自动下向焊焊接工艺。

１９９２年，美国林肯公司向管道局推出半自动ＦＣＡＷ下向焊接工艺的同时，重点推出了两种焊接设备组合：林肯ＤＣ—４００弧焊电源＋ＬＮ２３Ｐ送丝机和ＳＡＥ－４００柴油发电机式弧焊电源＋ＬＮ２３Ｐ送丝机。１９９５年在突尼斯环城管线使用半自动ＦＣＡＷ下向焊接工艺成功后，１９９６年在库鄯线平原地段进行了推广。苏丹工程、利比亚工程、涩宁兰工程、兰成渝工程、陕京二线工程施工中，管线热焊、填充、盖面焊基本上采用了该焊接工艺。西气东输工程２５００公里左右也基本上采用此工艺，余下的１５００公里采用自动焊接完成。近１０年的工程实践证明，半自动ＦＣＡＷ下向焊接工艺，在大口径长输管道施工中得到了大力推广和使用。与半自动ＣＯ２气体保护下向焊接工艺相比，半自动ＦＣＡＷ下向焊接具有工艺性能优良、电弧稳定、生产效率高、飞溅小、焊缝成型美观、钢种与空间位置适应性好、抗风能力强等优点。与传统的下向焊条电弧焊工艺相比，它把热焊、填充焊、盖面焊焊口一次合格率平均提高到１０％左右，生产率提高１．２５至１．５倍左右。与自动焊相比，它具有设备投资少、成本回收快、综合成本低等优点。焊工培训时间短，易掌握。在十几年的工程施工中焊接质量稳定，经过Ｘ射线拍片检查，焊口一次合格率平均在９５％至９８％左右。采用半自动ＦＣＡＷ下向焊接工艺在管道施工中达到了国内外工程业主提出的“四高”标准，完全适合于各种管径管道全位置下向焊接工艺要求。所以，备受业主、监理、施工单位的青睐。半自动ＦＣＡＷ下向焊接的电弧扩散角较大，造成了电弧电压径向能量梯度大，幅度减小，分布趋于平缓，熔深较浅，所以不太适于深层熔透要求场合下的焊接。但是，其焊缝成型系数大、飞溅率低、焊缝平缓圆滑，适用于管道下向焊接工艺。在半自动ＦＣＡＷ下向焊接工艺中，有７个主要工艺参数是在焊接中最受关注的问题。这７个工艺参数分别是电弧电压、电流、送丝速度、焊丝角度、焊接速度、推力电流和焊丝的干伸长度。在７种工艺参数完全匹配时，才能实现稳定的焊接过程，才能实现小飞溅、焊缝成型好、生产效率高的优越性。在焊接过程中，电弧电压是自保护的重要参数之一。在管道全位置半自动ＦＣＡＷ下向焊工艺中，电弧电压一般控制在１８～２２伏之间。如果电压过高，则熔渣太稀，不易存留在焊缝表面，失去其焊缝金属表面保护作用，产生气孔。电压过低，则电弧过程失稳、易顶丝，且焊道鼓、飞溅增大，热焊、填充焊时出现夹角，产生夹渣缺陷。推力电流在焊接过程中往往容易被忽视，因为在焊接工艺参数中，它的变化反应最不明显，但推力电流在焊接中却起着很大作用。因为熔滴过渡会频繁断路鍎不同的焊条直径、焊条牌号、焊丝直径、焊丝牌号、焊缝空间位置及不同的操作者鍎都会对推力电流有不同的要求。推力电流越小，电弧越软，但飞溅小，适合于小电流下手焊操作。推力电流越大，电弧越硬，但飞溅稍大，适用于全位置焊接，并利于电弧连续稳定。焊丝的干伸长度，即焊丝在导电嘴与工件产生的电弧之间伸出的长度。干伸长度越长，则电弧电压越低；干伸长度越短，则电弧电压越高。一般干伸长度应控制在１９～２５．４毫米之间为宜。如果干伸主要参数钢管厚度(δ)，mm4.812.7送丝速度υ，mm·min-12.293.30电流(I)，A245300电压(U)，V19～2021～22干伸长度(L)，mm19～2519～25层间温度(T)，℃20～13520～135表5

全纤维素型下向焊接工艺参数焊道焊条型号焊条直径(d)，mm极性焊接电流(I)，A电弧电压(U)，V焊接速度υcm·min-1运条方法根焊E60103.2DC70～9022～3010～20直拉E70104.0DC70～14022～3015～30直拉热焊E80104.8DC140～18022～3020～30直拉或小幅摆动5

X70

管线管药芯焊丝自保护焊现场焊接材料的选择

（1）

纤维素型焊条根焊

根焊焊条现在都采用E6010，根据壁厚的不同和管径的大小，一般选用3.2直径或4.0直径的焊条，对大管径来说，通常选用4.0直径的焊条以提高效率。目前比较成熟的有奥地利伯乐焊条，美国林肯焊条，美国赫伯特焊条，我国的大西洋牌焊条，它们在工程上都有不同程度的应用。

（2）自保护药芯焊丝

焊接X70管道使用的药芯焊丝主要是美国赫伯特公司的81N1

和81N2，林肯和伯乐公司也有相应的焊丝产品，我国的天津金桥公司也生产相应的焊丝。焊丝的直径为2.0mm。6

X70管线焊接的质量控制要点及控制方法

（1）重视对焊接工艺评定的控制

焊接工艺评定是保证管道焊接质量的前提，它的意义主要是评定所设计的焊接工艺能否达到管线设计的质量要求。管道工程焊接工艺一般至少要求有干线管道的主管线焊接工艺，返修焊接工艺，站场管道焊接工艺等，或由根据标准要求的重要因素的改变，而分别制定的焊接工艺，如不同壁厚管的对接，连头焊接工艺等。对标准规范要求进行焊接工艺评定的工艺则必须进行评定，以确保焊接质量满足标准规范的相应规定。

根据上述要求，在进行焊接工艺评定时，有下述几个必须才能保证评定的目的：A

必须采用该工程使用的订货钢管进行试验。因为钢管虽然都是X70级，实际上每个厂家提供的符合X70级的钢管化学成分及处理方式不同，供货状态都是不同的，所以采用别人的焊接工艺评定，或采用非本工程使用的钢管进行试验，其试验结果很难证明该工程使用的焊接工艺是否符合本工程的质量要求。B

必须采用质量稳定的和指定牌号的焊接材料多个焊接材料的生产厂家可以生产符合所需标准型号的焊接材料，同理，原材料配方和生产方式在各个厂家都不同，因此如果焊接工艺评定时采用的焊材生产厂家和实际工程使用时的焊接材料生产厂家不同，则实际环缝的性能会和工艺评定出的性能就可能不同，因此不能证明焊接工艺评定结果一定适用。即使是同一厂家提供的材料，也会因批次不同，出现质量问题。问题是，一般在焊接材料验收的时候，客户和焊接材料厂家同意的验收方法是按照焊接材料生产标准试验和验收的，尤其是焊接工艺性能没有适合的管道焊接评价方法，因此验收合格的焊接材料并不一定代表能够焊接管道。为了控制质量，评定时尽量采用和工程一致的焊材。焊材尽量选择成熟的厂家，对不同批次的焊材要制定针对管道焊接工艺性能的验收方法。C

焊接工艺评定必须由参加工程施工的队伍中进行，参加评定的焊工应是工程队伍焊工中挑选的中等水平的焊工，且具有该水平的焊工应具有至少组成一个机组的人员。事实上焊接工艺评定的另一个目的是检验参加施工的队伍能否掌握相应的焊接技能，以确保整个施工队伍的整体焊接质量。D

最重要的是工程必须要有焊接质量控制和验收方法的标准。国内长输管线的焊接标准一般都是根据美国石油学会的API

1104的标准进行少量条款的相应改良而成，改良的目的是使采用的方法和指标符合工程施工和使用条件的要求。

（2）

焊工资格的控制任何管道工程都是由人来完成的，所以工程质量的保障的根本在于具体参与工程的人的技能水平和整体队伍的施工管理水平。管道环缝的焊接是需要掌握合格技术的人来完成，因此如何判定焊接工人确实掌握了这项技能，并且能够忠实的执行规定的焊接工艺，就要通过焊工资格认定考试来确定。根据规范，不同地段，不同类型的焊口需要有不同的焊工技能。管道现场焊工的资格认定一般分为两类：一类是正常的干线管道流水焊接的资格，可以分为5G位置和6G位置。因为是流水作业，甚至可以按照每一层进行资格认定。另一类是返修焊口的资格，要求焊工能够按照返修工艺进行独立的焊口切割，组对，进行修补焊接的能力。焊工应至少具备6G位置的干线焊口的焊接资格。对施工队伍的现场管理任务从根本上来说就是：具备资格的人干相应资格的事；保证具有该资格的人员处于正常的工作状态；对所做的工作承担责任；并保证记录可以追溯。从中国的国情来说，焊接质量问题主要出现在以下三个方面：A

使用没有相应资格的人干需要相应资格人干的活，因此不能保证焊接质量；B

虽然具有相应资格，却处于非正常工作状态，如过度疲劳或带病工作等，其工作也不能保证焊接质量；C

主观故意不执行工艺纪律，如为了赶工期或进度等，这属于故意损害质量。因此，现场管理的主要内容就是其管理制度要合理健全，避免出现人为的由于趋利避害的原因而造成对焊接质量的难以控制和损害。

（3）焊接设备和材料的控制

使用的焊接设备必须完好，其焊接参数的指示仪表应在合格的误差之内。但是焊接设备尽管在工程前处于完好的状态，但每天的工作前一定要检查调试，这样做的目的一是确认设备的持续完好性，其二也防止意外的参数改变而不知，从而影响焊接质量。

事实上，焊工焊接时对焊接设备的输出是否正常是非常敏感的，当有异议时，应用另外合格的电流电压钳形表或其它仪表进行验证。焊接材料必须按照标准或合同规定进行验收，验收应按照批次进行。焊接材料的发放、现场保管及作废都应按照生产厂家的建议执行，以确保焊接质量。当然钢管的质量更加重要，但其现场质量控制和管理方法不属于本文所涉及的内容。在此不再赘述。

（4）

焊口的外观检查标准

执行的焊接规范中对焊接完成后的焊缝制定了相应的验收标准，按照标准执行即可。但是在执行中有几点注意原则：

A

焊缝的余高控制可以在焊后立即将余高打磨到标准规定的范围，

B

少量表面气孔在余高层上也可以通过打磨的途径去除，但必须是焊接后立即进行，并进行圆滑过渡，且去除后，余高仍在标准范围内。

C

咬边的缺陷不能通过打磨而圆滑过渡去除。

D

出现裂纹缺陷时，必须严重注意，按照标准规定进行返修，或切口重焊。

（5）

射线探伤异议的现场复查

射线探伤的片子会经常显示伪缺陷，当其缺陷的标准超标时，对可能出现伪缺陷的片子，一定要到现场复查，以避免错误的返修。

从整个管道的安全评价角度来说，现在的标准越来越倾向于尽量避免返修和割口，因为大多数的经验证明，返修后的焊口质量和性能往往不及带缺陷的焊口的性能和质量。因为评价缺陷尺寸影响安全性的方法比较复杂，所以尽管有这样的经验，但在标准中仍然采用老的验收标准。

（6）完成焊口的抽查虽然有焊接工艺评定来保证焊口的性能，但是焊接工艺评定是在实验室条件下的模拟进行的，所以