燃氣調壓裝置內管道焊接工藝評定標準的比較

摘 要

摘要：從標準的來源、使用特點、評定因素、外觀檢查和無損檢測、力學性能試驗等方面分析比較了幾個焊接工藝評定標準，認為采用JB 4708—2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》
摘要：從標準的來源、使用特點、評定因素、外觀檢查和無損檢測、力學性能試驗等方面分析比較了幾個焊接工藝評定標準，認為采用JB 4708—2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》對燃氣調壓裝置內管道的焊接工藝進行評定是可行的。探討了燃氣調壓裝置內管道的焊接工藝。
關鍵詞：燃氣調壓裝置；焊接工藝評定；焊接；管線鋼
Comparison of Welding Procedure Qualification Standards for Pipeline in Gas Pressure Regulating Equipment
DING Sheng，QIN Xiaoyun
Abstract：Several welding procedure qualification standards are analyzed and compared in terms of standard source，application features，qualification factors，apparent examination，nondestructive inspection，mechanics performance test and so on.It is concluded that the application of  Welding Procedure Qualification for Steel Pressure Vessels(JB 4708—2000)to welding procedure qualification of pipeline in gas pressure regulating equipment is feasible.The welding procedure of pipeline in gas pressure regulating equipment is discussed.
Key words：gas pressure regulating equipment；welding procedure qualification；welding；pipeline steel
1 概述
    燃氣調壓裝置內管道的焊接效率和安全可靠性備受關注，焊接技術經(jīng)歷了手工焊、半自動焊和全自動焊的發(fā)展歷程。一些高效先進的焊接方法亦得以應用，如藥芯焊絲氣體保護焊或自保護焊、STT半自動根焊+PAW 2000外焊、STT半自動根焊+APW-Ⅱ自動焊、埋弧自動焊、自動氣體保護焊等。
2 燃氣調壓裝置的特點
    焊接作為燃氣調壓裝置內管道預制的重要環(huán)節(jié)，如不能有效控制其焊接質量，會帶來嚴重的后果。一般而言，燃氣調壓裝置在工廠進行預制(焊接裝配)，并預留與長輸管道的接口。從預制工廠運輸?shù)揭巴猬F(xiàn)場的過程中，經(jīng)歷著復雜的路況和動載荷，這就更要求對焊接結構進行合理設計，嚴格控制其焊接質量。
3 燃氣調壓裝置焊接評定標準的選擇
當前，燃氣調壓裝置中管道的設計主要依據(jù)GB 50251—2003《輸氣管道工程設計規(guī)范》、GB 20801—2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道》，壓力容器的設計主要依據(jù)GB 150—1998《鋼制壓力容器》和TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》等。GB 50251—2003第10.1.3條要求管道的焊接工藝評定執(zhí)行GB 50236—98《現(xiàn)場設備、工業(yè)管道焊接工程施工及驗收規(guī)范》。GB 20801.4—2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第4部分：制作與安裝》第7.1.2條要求焊接工藝評定按JB 4708—2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》執(zhí)行。然而，中石油、中石化長輸管道中輸氣站的燃氣調壓裝置內管道焊接則要求符合SY/T 4103—2006《鋼質管道焊接及驗收》的規(guī)定。此外，燃氣調壓橇(站)中的壓力容器明確要求按照JB 4708—2000進行焊接工藝評定。
燃氣調壓裝置的焊接工藝評定究竟執(zhí)行哪個標準？哪個標準比較全面系統(tǒng)？是否可以統(tǒng)一？本文就標準的來源和使用特點、焊接工藝評定的因素、外觀檢查和無損檢測、力學性能試驗等方面進行探討與分析。
3.1 標準的來源
GB 50251—2003是參照采用ASME B31.8—1999《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》編制的，JB 4708—2000、GB 50236—98都是參照采用ASME IX—1998《焊接及釬焊評定標準》編制的，SY/T 4103—2006則是等效轉換API 1104—1999《管道及有關設施的焊接》而來。
ASME B31.8—1999對焊接工藝評定和焊工評定規(guī)定為：在環(huán)向應力小于20%最小屈服強度的管道上施焊的焊工應按ASME IX—1998、API 1104—1999或附錄G的規(guī)定進行焊工技能評定，對焊接工藝評定沒有條文規(guī)定；而在管道環(huán)向應力不小于20%最小屈服強度條件下，焊接工藝評定和焊工技能評定應按ASME IX—1998或API 1104—1999進行評定；對于近海管道，在大氣環(huán)境下施焊應按API 1104—1999進行評定，而在高壓環(huán)境下施焊應按ANSI/AWS D3.6—93《水下焊接規(guī)范》進行評定，此外API 1104—1999中的重要因素應在不受水下環(huán)境影響時優(yōu)先考慮，ANSI/AWS D3.6—93應當用于控制與水下焊接環(huán)境和工作條件有關的各個重要變素；對酸氣管道的焊接則按ASME IX—1998或API 1104—1999進行評定?？梢奊B 50251—2003是根據(jù)不同條件對焊接工藝評定標準進行選用，而ASME IX—1998和API 1104—1999沒有細分環(huán)境條件。
3.2 評定標準的使用特點
JB 4708—2000適用于鍋爐、壓力容器和壓力管道焊接的工藝評定，針對的材料是碳素鋼、合金鋼、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金等。GB 50236—98適用于工程建設施工現(xiàn)場設備和工業(yè)金屬管道的焊接，不適用于施工現(xiàn)場組焊的鍋爐、壓力容器的焊接，不適用于釬焊的焊接，針對的材料為碳素鋼、合金鋼、鋁及鋁合金、銅及銅合金、工業(yè)純鈦、鎳及鎳合金等。SY/T 4103—2006適用于使用碳素鋼鋼管、低合金鋼鋼管及管件輸送原油、成品油及氣體燃料等介質的長輸管道、壓力站管網(wǎng)和泵站管網(wǎng)的安裝焊接的工藝評定，以及使用碳素鋼鋼管、低合金鋼鋼管及管件輸送原油、成品油及氣體燃料等介質的其他集輸和分輸管網(wǎng)的安裝焊接的工藝評定，針對的是天然氣等流體輸送管道用鋼管[1]。
從使用特點可以看出，GB 50236—98、JB 4708—2000、SY/T 4103—2006這3個標準各有側重，針對的使用材料因適用范圍不同也各有側重。單從評定標準的使用特點來看，在燃氣調壓裝置預制管道的焊接中，采用JB 4708—2000進行焊接工藝評定是可行的。
3.3 焊接工藝評定的因素
焊接工藝評定因素分為重要因素、補加因素和次要因素。重要因素指影響焊接接頭抗拉強度和彎曲性能的焊接工藝因素，補加因素指影響焊接接頭沖擊韌性的焊接工藝因素，次要因素指對要求測定的性能無明顯影響的焊接工藝因素。當變更任何一個重要因素時都需要重新評定焊接工藝；當增加或變更任何一個補加因素時，按增加或變更的補加因素增焊沖擊韌性試件進行試驗；當變更次要因素時不需要重新評定焊接工藝，但需重新編制焊接工藝指導書[2～3]。JB 4708—2000中重要因素、補加因素、次要因素齊全，GB 50236—98只列出重要因素和補加因素，而SY/T 4103—2006只列出重要因素。可見GB 50236—98和SY/T 4103—2006在因素區(qū)分上有所欠缺。
① 焊接方法
對于焊接方法，JB 4708—2000限定熔化焊、電渣焊和堆焊；GB 50236—98限定熔化焊；SY/T 4103—2006則遵循了API 1104—1999的規(guī)則，根據(jù)其適用范圍將焊接方法限定為熔化焊[1]?？梢奐B 4708—2000限定的焊接方法包含了GB 50236—98和SY/T 4103—2006限定的焊接方法。從重要因素的角度考慮，在改變焊接方法時，必須重新評定焊接工藝。
② 鋼材類別劃分
JB 4708—2000和GB 50236—98依據(jù)化學成分、力學性能(抗拉強度)和焊接性能對鋼材進行分類分組，而SY/T 4103—2006只以屈服強度進行分組。相對于SY/T 4103—2006而言，JB 4708—2000和GB 50236—98考慮得更全面，分類分組更細化，但這3個標準都沒有考慮長輸管線鋼的特點(低碳、高合金、高屈服強度、淬硬性、可焊接)。筆者根據(jù)管線鋼的特點將部分管線鋼分類歸入JB 4708—2000中的鋼號分類分組表，見表1。將JB 4708—2000評定規(guī)范及其對應的工藝規(guī)程JB/T 4709—2000《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》應用到管線鋼，并進行了力學性能試驗，最終評定結果是合格的。
表1 部分管線鋼在JB 4708—2000中的類、組
鋼號分類
組別號
鋼號
Ⅱ
Ⅱ-1
B(L245)、X52(L360)
Ⅱ-2
X60(L415)、X65(L450)
    ③ 焊后熱處理
    JB 4708—2000按溫度劃分了焊后熱處理類別，按保溫時間和保溫溫度規(guī)定了評定細則。GB 50236—98沒有規(guī)定焊后熱處理的類別和評定細則，而SY/T 4103—2006則沒有提及焊后熱處理變更需重新評定焊接工藝。
   ④ 試件厚度和焊件厚度
   試件進行力學性能試驗和橫向彎曲試驗時試件厚度與焊件母材厚度的規(guī)定見表2。
 

    由表2可知，JB 4708—2000對試件母材厚度與適用于焊件母材厚度的有效范圍的劃分比GB 50236—98和SY/T 4103—2006細，且對影響焊件母材厚度有效范圍的因素考慮得更全面。此外，JB 4708—2000第5.3.4.1款指出，對于焊條電弧焊、埋弧焊、鎢極氣體保護焊、熔化極氣體保護焊，當焊件規(guī)定進行沖擊試驗時，試件評定合格后當δ≥8mm時適用于焊件母材厚度的有效范圍最小值一律為0.758，如試件經(jīng)高于上轉變溫度的焊后熱處理或奧氏體母材焊后經(jīng)固溶處理時仍按原規(guī)定執(zhí)行[1]。
    綜合標準來源、標準的使用特點以及焊接方法、鋼材類別劃分、焊后熱處理、試件與焊件厚度等評定因素可知，JB 4708—2000更科學合理。
3.4 外觀檢查和無損檢測
    外觀檢查和無損檢測是衡量試件焊接質量的重要指標。JB 4708—2000對外觀檢查和JB 4730—2005《承壓設備無損檢測》對無損檢測的要求是焊縫不得有裂紋，力學性能試樣可以避開缺陷制?。籊B 50236—98要求外觀檢查及射線照相檢驗，焊縫質量不應低于規(guī)范中表1 1.3.2中的Ⅱ級標準；而SY/T 4103—2006對外觀檢查和無損檢測并無規(guī)定。
3.5 力學性能試驗
   ① 拉伸試驗
   JB 4708—2000和GB 50236—98規(guī)定的拉伸試樣為緊湊型試樣；SY/T 4103—2006規(guī)定拉伸試樣的數(shù)量與管道直徑有關，且拉伸試樣是長試樣，拉伸時，若斷裂于焊縫和熔合區(qū)，還需依據(jù)刻槽錘斷檢查斷面缺陷。
   ② 彎曲試驗
   JB 4708—2000和GB50236—98可以綜合表述為：面彎和背彎時，當試件厚度δ≤10mm時，試樣厚度d與δ相等或相近，在彎曲時，要求彎心直徑D=4d且彎曲角度為180°；當δ＞10mm時，d=10mm，從試樣受壓面加工去除了多余厚度，要求彎心直徑D=40mm且彎曲角度為180°。橫向側彎時，當試件厚度δ為10～38mm時，試樣寬度等于試件厚度；當試件厚度δ大于38mm時，允許沿試件厚度方向分層切成寬度為20～38mm等寬的兩片或多片試樣的試驗代替一個全厚度側彎試樣的試驗?？梢姀澢嚇?面彎、背彎、側彎)的選擇僅與試件厚度有關。SY/T 4103—2006規(guī)定，彎曲試驗時，無論試件厚度為多少，彎心直徑D≥7d且彎曲角度為180°，彎曲試樣的選擇不僅與試件厚度有關，還與管徑有關。
   ③ 沖擊試驗
   JB 4708—2000和GB 50236—98考慮了焊接接頭沖擊韌性，而SY/T 4103—2006則不考慮沖擊韌性，僅規(guī)定做刻槽錘斷檢查斷面是否焊透與熔合，是否有氣孔和夾渣等超標缺陷，這些用射線檢查即可。此外，JB 4708—2000有明確的常溫沖擊合格指標(3個沖擊試樣的常溫沖擊吸收功平均值≥27J，至多允許1個沖擊試樣的沖擊吸收功低于規(guī)定值且不低于規(guī)定值的70%)。而GB 50236—98只有沖擊試驗的合格指標應符合設計文件的規(guī)定。
    拉伸、彎曲、沖擊韌性是長輸管道的重要性能，應在施工規(guī)范中給予保證，SY/T 4103—2006對彎曲試驗的要求顯然低于JB 4708—2000和GB 50236—98。SY/T 4103—2006不考慮沖擊試驗，因而不能用于有沖擊試驗要求的長輸管道的焊接工藝評定。燃氣調壓裝置作為天然氣管道調壓計量的重要組成部分，安全性十分重要，這就要求其管道焊接應充分考慮沖擊韌性，可優(yōu)先選用JB 4708—2000進行焊接工藝評定。
3.6 其他評定規(guī)則
    JB 4708—2000、GB 50236—98和SY/T 4103—2006截然不同的評定規(guī)則為：接頭形式(坡口形式)、焊接位置與試件位置、保護氣體流量。顯著差別的評定規(guī)則為：向上(下)立焊與上(下)向焊、層間溫度與時間間隔、線能量與焊接速度。在SY/T 4103—2006中填充金屬、電特性及技術措施中若干焊接工藝因素沒有列入(如實心焊絲與藥芯焊絲、熔滴過渡、單絲焊與多絲焊[4]，這些因素也是影響機械性能的重要組成部分，在評定中需區(qū)分因素的性質慎重對待。
4 燃氣調壓裝置中管道的焊接工藝
    由于燃氣調壓裝置是在工廠內預制，焊接條件比野外現(xiàn)場優(yōu)越，這就要求采用效率較高的焊接方法，本文主要介紹焊條電弧焊(SMAW)、氬弧焊(GTAW)、氣保焊(GMAW)及其組合焊。
   ① 焊條電弧焊
   焊條電弧焊設備簡單，移動方便，操作靈活，無論是在野外還是廠內預制，都是最常用的焊接方法。燃氣調壓裝置主要采用向上立焊的低氫焊材，該工藝相對成熟。常用管線鋼焊條電弧焊的焊接材料見表3。
表3 常用管線鋼焊條電弧焊的焊接材料
鋼級
焊接層次
焊接材料
GB/T 5117
GB/T 5118
AWS A5.1
B(L245)～X52(L360)
打底
E5016
E7016
填充、蓋面
E5016、E5018
E7016、E7018
X56(1390)～X60(IA15)
打底
E5016
E7016
填充、蓋面
E5016、E5018
E7016、E7018
X65(IA50)
打底
E5016
E7016
填充、蓋面
E5016、E6016
E9018-G
E7016、E9016
E9018-G
   ② 組合焊
   燃氣調壓裝置制造公司可根據(jù)自身特點，選用國內焊接材料，在管線鋼的焊接中采用SMAW+GMAW和GTAW+GMAW，焊后試件各項機械性能指標均達到規(guī)范要求。焊材和部分試件機械性能指標見表4、5。
 
5 結論
    ① ASME B31.8～1999中管道的焊接工藝評定引用了ASME IX—1998、API 1104—1999和ANSI/AWS D3.6—93，但每個評定標準在執(zhí)行時是有條件的，與環(huán)境條件是有關聯(lián)的。當有沖擊試驗要求時應采用ASME IX—1998，當沒有沖擊試驗要求時采用ASME IX—1998或API 1104—1999。
    ② 考慮燃氣調壓裝置的整體運輸特點和使用工況環(huán)境，沖擊韌性是重要性能指標，應在施工規(guī)范中給予保證。SY/T 4103—2006不考慮沖擊試驗，因而不能用于有沖擊試驗要求的燃氣調壓裝置的焊接工藝評定。
    ③ JB 4708—2000參照ASME IX—1998而編制修訂，內容全面，規(guī)定科學，基本包含了SY/T 4103—2006中的評定因素。燃氣調壓裝置制造公司根據(jù)管線鋼的特點，將管線鋼歸入JB 4708—2000的相應類組中，將JB 4708—2000評定規(guī)范及其對應的工藝規(guī)程JB/T 4709—2000應用到燃氣調壓裝置內管道的焊接工藝評定是可行的。
    ④ 燃氣調壓裝置中管線鋼的焊接方法可以選用焊條電弧焊、氬弧焊、氣保焊或其組合焊。
    ⑤ 適當控制線能量和采取預熱措施，設計溫度不小于-29℃時，燃氣調壓裝置中管道(鋼級低于X70或IA85)的焊接采用JB 4708—2000進行焊接工藝評定是可行的。
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(本文作者：丁勝 秦曉云 特瑞斯信力(常州)燃氣設備有限公司 江蘇常州 213022)