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摘 要:不锈钢复合管道的施工质量，将直接影响到管道以后的使用安全与使用年限，因此必须加强对管道施工过程中的质量监控。本文结合管道施工,探讨了如何通过对不锈钢管道施工工艺的确定及技术要求,对焊接质量进行有效控制。
关键字:不锈钢管道；管道施工；焊接要求；质量控制
引言
随着科学技术的不断进步，人们综合考虑用材的适用性和经济性，从而复合材料已代替了部分单一材料，不锈钢复合管就是其中一例。不锈钢是一种铁合金,其性能稳定,耐腐蚀,表面光亮美观,强度高,可满足多种需求,当前已经被运用到多个行业中。但是不锈钢材在施工中较为复杂,焊接难度大,质量控制存在一定困难,因此在不锈钢管道的施工过程中进行质量控制非常必要。
1 项目简介
某工程项目施工中大量应用内衬不锈钢复合管道(共计2026m)，在施工过程中采取了有效的质量控制措施，使得该项目的复合管道施工质量完全满足设计和规范要求。复合管概况见表1“复合管道一览表”。
2 加强施工质量管理控制
质量管理涉及到产品的全寿命周期。在复合管道施工阶段的质量管理中，通过一系列途径加强质量管理，提升产品质量。
2.1 建立健全质量管理体系
建立压力管道质量保证体系，明确焊接质保师等各质保工程师岗位职责，并设专职焊接质量检查员，满足施工现场需要。参与质量管理的人员应具备较高专业素质，善于发现问题，解决问题，严格遵守各项质量管理制度，做好质量预控工作。
2.2 建立焊工考核制度
对焊工资质进行严格审查，所有焊工必须持有国家质量技术监督局颁发的《特种设备作业人员证》，考试合格项目同时有FeⅡ、FeⅣ和耐腐蚀堆焊项目，审查证书的真实有效性，能够覆盖现场实际的作业范围。
在入场前对焊工按照SH/T3527《石油化工不锈钢复合钢焊接规程》进行实操考试，试件分别采用15CrMo和022Cr19Ni10的管材(Φ108×8.6)进行对接焊，采用15CrMo板材进行耐腐蚀堆焊考试，试件进行外观检查和无损检测合格后，给焊工统一配发带照片的上岗证胸牌，要求随身携带。
在焊接过程中，每周统计焊工焊接合格率，对一次焊接合格率(按片数计)低于95%的进行原因分析，对于连续两周一次合格率低于95%的焊工应立即停止作业，进行培训并重新考核。
2.3 做好焊材管理
焊材管理严格执行JB/T3223《焊接材料质量管理规程》的要求，有健全的管理制度，必须在长期的施工中，能严格按照制度不打折扣地执行。做好焊材管理员的培训、检查及考核，对焊材库、烘烤室及各种原始记录进行检查，保证设备状态正常，各种记录真实完整，签字手续齐全，将所有记录文件每15d进行装订成册并归档备案。
根据焊接工艺卡要求，同一道焊口需要用到多种焊材，在更换焊丝或焊条时，需要经过焊接质量检查员确认并测量焊肉厚度，合格后方可进行下道工序。
3 加强施工质量的技术控制
从影响质量的六大因素着手，除人的因素之外，还有材料、机具、施工工艺、环境及检测手段这五个方面，从这些方面采取有效的技术措施，达到提高复合管道施工质量的目的。
3.1 严把原材料质量验收关
原材料分为主材和辅材两大类，主材包括管道、管件及其组成件，辅材包括焊材、氩气等。在入库验收前首先需要核对材料产品合格证、检验报告等随机资料的符合性，其次对材料实体进行测量和相关检验，主要从以下几方面进行。
(1)对管道及管件外观尺寸的测量检验，检查其壁厚、直径、周长、坡口形式是否符合订货技术协议要求；
(2)对管道和管件复层进行光谱检测，验证其复层材质是否符合设计要求；
(3)对厂家加工的坡口表面进行100%PT检测，重点检查复层结合面是否存在分层缺陷；
(4)对不锈钢焊材进行熔敷金属化学成份检验，按照GB/T4334《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》对复层焊材进行晶间腐蚀性能复检；
(5)对氩弧焊用氩气质量要满足GB/T4842《氩》的要求；
(6)对复层焊缝或坡口打磨用的磨光片要使用不锈钢专用磨光片。
3.2 做好焊机标定工作
本工程选用全数字控制逆变式直流焊机(ZX7400S)，带电流电压数字显示功能，因电焊机上的电流表和电压表起监视作用，不属于强制检定的计量器具，在投入使用前，使用已经鉴定合格的标准仪表进行对比校核，将偏差值标记在焊机标定牌上，作为焊工调节电流的依据。标定方法可参照JJG124《电流表、电压表、功率表及电阻表检定规程》进行，标定过程需要持证电工、焊工和焊接工程师密切配合，经过标定后方可投入使用，每2个月标定1次。
3.3 做好焊接工艺质量控制
在复合管道施工中，质量管理是围绕着提高焊接一次合格率而努力，从某种意义上说，要提高内衬不锈钢复合管道施工质量就是做好焊接质量控制。
3.3.1 焊接工艺评定
复合管道焊接工艺评定执行NB/T47014《承压设备用焊接工艺评定》，要根据现场生产条件有针对性的进行评定试验，也可以根据NB/T47014和SH/T3527《石油化工不锈钢复合钢焊接规程》相关要求进行组合评定，确定pWPS原则如下:
3.3.1.1 确定焊接顺序原则
焊接顺序指的是多层多道焊时的操作顺序，可分为从基层往复层焊接和从复层往基层焊接两种，在基层焊接时又可分为从里往外焊接和从外往里焊接。在本工程中，将直径小于等于DN650的管道全部采用从复层往基层进行焊接，直径大于DN650的管道采用从基层往复层焊接，为考虑便于操作，基层采取从里往外的顺序进行焊接，基层焊接完毕后进行复层焊接，当焊接固定口时焊接顺序采用从复层往基层进行焊接。
3.3.1.2 确定坡口型式原则
当焊接顺序确定以后，也就基本确定了坡口形式。在本工程中的管道是现场加工坡口，采用了V型和X型两种，直径小于等于DN650的管道全部采用V型坡口，直径大于DN650的管道除固定口外，全部采用X型坡口，两种坡口型式如图1和图2所示。
图2 X型坡口
3.3.1.3 确定焊接方法原则
焊接方法的选用结合现场实际情况，复层和过渡层采用氩弧焊能降低热输入，减少飞溅，保护效果良好。当采用V型坡口时，活动焊口和预制焊口采取管内充氩保护的氩弧焊打底，在无法进行管内充氩保护的条件下，采取TGF药皮自保护焊丝氩弧焊打底。过渡层焊接采用氩弧焊，基层焊接采用焊条电弧焊填充盖面。当采用X型坡口时，基层采用氩弧焊打底，焊条电弧焊填充盖面，过渡层和复层采用氩弧焊填充盖面，焊接方法见图3和图4所示。
图4 X型坡口焊接方法示意图
3.3.2 切管及坡口加工措施
管道的切割和坡口加工均采取机械冷加工，切割需要专用设备和场地，严格按照管道深化设计的排版图进行下料，使用带锯对管道下料，采用双面(单面)坡口机加工坡口，坡口加工完毕以后，对坡口进行外观尺寸检查和100%PT检测，保证复层和基层没有分层缺陷。
当现场不具备机械加工条件时，可采用等离子切割进行坡口加工，切割时应从复层往基层方向进行，在复层内表面涂抹防飞溅剂或隔离防护，保证复层金属不受飞溅污染。切割完毕后，将氧化层和淬硬组织全部打磨掉，并做100%PT检测Ⅰ级合格。
3.3.3 管口错边处理措施
因复合管道和管件受生产工艺水平影响，管道和管件装配对口尺寸偏差大，椭圆度、周长、直径的偏差最终反映在错边量超标，射线检测出现缺陷。按照SH/T3527《石油化工不锈钢复合钢焊接规程》的要求，本工程复合管复层厚3mm，其复层错边量不得大于1.5mm。在本工程中，对于局部错变量超标的，可调整卡具将错变量均摊控制在范围内，若均摊后仍有超标且小于2.5mm的，在管口内采取千斤顶进行冷矫正，保证在千斤顶卸载后错变量达到规范要求。当以上两种方法均达不到消除错边量时，同时满足最大错边不超过3mm的，可采用X坡口局部堆焊过渡焊缝，采用的堆焊工艺应满足复层性能要求。堆焊过渡焊缝见图5所示。
图5 堆焊过渡焊缝示意图
3.3.4 保证复层晶间腐蚀性能措施
对于18-8型奥氏体不锈钢会存在敏化区，在含钛或铌的18-8型不锈钢以及超低碳18-8型钢不易有敏化区出现。要控制不锈钢晶间腐蚀，关键是防止晶界贫铬敏化，主要从焊接工艺、焊材选用、焊后检验几个方面采取措施来减小和防止晶间腐蚀。
首先从焊接工艺上，采用小的焊接热输入，减小热影响区(HAZ)敏化区(450～850℃)范围停留时间，小电流、快速焊、短弧焊、多层多道小摆动焊，控制层间温度60℃以下。
其次要对焊接过程中Cr、Ni等合金元素的烧损予以补偿，以保证焊接接头的塑性、韧性和耐腐蚀性能，需要选用Cr、Ni当量较高、含碳量≤0.03%的超低碳焊材，或选用含有与碳亲和力强的稳定化元素的钛和铌的焊材。本工程复合管过渡层和复层焊材选用详见表2和表3。采用较小的焊接热输入和选用Cr、Ni当量较高的焊材，也是有效防止复合钢焊缝及热影响区产生结晶裂纹和液化裂纹的主要途径。
说明:焊接顺序及方法见“图4:X型坡口焊接方法示意图”
最后，为检验复层焊缝的晶间腐蚀性能，采取定量光谱仪对复层焊缝及热影响区成份进行分析，检查其铬含量是否符合要求。也可以通过过渡层和复层焊缝焊道的颜色间接判断热输入大小、合金元素损毁程度及气体保护效果，焊缝应为银色或金黄色为佳，五彩色(类似金黄+蓝色)次之，严禁出现黑色。通过控制，本工程焊缝颜色均为银色或金黄色。
3.3.5 焊接无损检测措施
因复合管道结构的特殊性，分两次进行焊接接头无损检测，来保证对基层缺陷深度位置的准确判断和减小返修对复层的影响。对于V型坡口接头，在复层和过渡层焊接完毕后进行一次RT检测，在基层焊接完毕后进行第二次RT检测。对于X型坡口接头，在基层焊接完毕后进行一次RT检测，在过渡层和复层焊接完毕后进行第二次RT检测。
3.3.6 焊口热处理措施
复合管道的热处理会引起碳的迁移，并随温度升高、保温时间延长而加剧，在基层形成脱碳层，复层形成增碳层，使接头硬化韧性下降。在热处理的升温和降温中，因基层和复层膨胀系数相差很大，会引起残余应力导致应力腐蚀开裂。因此在复合钢接头中为保证复层良好性能，不能对复层进行固溶处理，也不进行消应力处理。但是根据规范SH/T3527-2009的要求，需要对基层进行消应力处理的，应在基层焊接完毕后进行，热处理完毕以后再焊接过渡层和复层。当采用V型坡口或固定口时，必须连带复层一同进行消应力热处理，(奥氏体不锈钢诱发晶间腐蚀的敏感温度约为650℃)应在450～650℃范围下选择下限温度而延长保温时间，本工程选用的热处理温度为650℃，保温2h。
在热处理时，加热范围内的复层因受热，在表面会发生氧化发乌的现象，在有条件的情况下，使用酸洗钝化膏进行酸洗钝化处理，使其表面生成一层致密的富铬氧化膜，增强其抗腐蚀性能。
3.3.7 支管开孔及焊接措施
在主管上开孔焊接支管时，开孔位置要严格按照排版图设计位置进行，避开纵向和环向焊缝，开孔采用电动开孔器开孔，使用棒磨机或角磨机打磨坡口，采用不锈钢焊材进行焊接。
3.3.8 复层开裂处理措施
复层与基层结合面开裂可能出现在焊前、焊中、焊后的任一阶段，焊前裂口主要是复合管道制造问题，多数在坡口加工中能够发现，此时要通过PT检测并消除缺陷。
在焊接过程中，特别是在焊接过渡层时，会出现“放炮”现象，多是因为在施焊时两种金属不同步膨胀引起的分层，在焊接时因高温排出气体的现象，在RT检测中会出现圆形缺陷或条形缺陷，此时的修复应将缺陷部位过渡层打磨干净，并将复层打磨5mm形成错台，在复层基层结合面使用氩弧焊进行封焊修复。在焊后消应力处理时，有可能使复层开裂，有条件许可的情况下，改变焊接顺序，将过渡层及复层焊接放在基层热处理之后进行。
3.4 降低环境影响途径
这里所说的环境分两种，一种是自热环境，一种是人造环境。规范对自热环境的要求如下:焊件温度低于0℃时应进行预热到15℃以上，焊条电弧焊时风速不大于8m/s，气保焊时风速不大于2m/s，环境相对湿度不大于90%。当自然环境不能满足焊接质量要求时，需要进行人工干涉，采取防风、保暖、预热、防雨雪、除湿等措施，制造合格的焊接环境，为焊接作业创造条件。
除焊接环境之外，另一个环境就是复合管道的压力试验介质环境，称为“人造环境”。当采用水作为试验介质时，应控制CL离子含量不超过25ppm，因为CL离子的存在是引起应力腐蚀的条件之一，当溶液CL离子浓度很高、氧含量较低或CL离子浓度较低、氧含量较高时，均不会发生应力腐蚀，当采取水作为试验介质时，氧含量相对稳定且不易控制，所以只需控制好CL离子浓度即可阻断焊缝的应力腐蚀，因此应使用合格的除盐水进行压力试验。
在复合管道做水压试验时，考虑到成本，一般会采用碳钢材质的盲板或封头，碳钢在与水接触条件下会产生游离的铁，铁离子附着在不锈钢表面形成原电池，会使不锈钢发生电化学腐蚀，破坏钝化膜。因此当采用碳钢材质时，需要对其内表面进行防腐隔离措施，防止铁离子对复层的污染，在压力试验完毕后，使用硫酸铜溶液或铁氰化钾溶液进行蓝点检测。
4 总结
综上所述，不锈钢管道焊接施工质量控制的实现不仅可以有效提高焊接施工的质量,确保管道工程的安全性,还可以减少施工过程中的浪费问题,提高经济效益。对于安装工程来说,影响施工质量的因素很多。但焊接质量绝对是其中的重要一环。所以,必须严格进行施工质量控制，确保达到设计要求的施工质量，以保证装置的长满优运行，以便更好地服务于企业、服务于社会。
参考文献:
[1]杨刚,周国英,胡志兵.20钢+316L不锈钢双金属复合管的焊接技术和焊接方法[J].石油化工设备技术.2015(01)
[2]蒋六保,潘东,刘世龙,杨杰,曾文涛.水冷却工艺在不锈钢薄板焊接中的应用研究[J].焊接技术.2017(02)
论文作者:杨三军
论文发表刊物:《防护工程》2017年第24期
论文发表时间:2018/1/16
标签：管道论文; 不锈钢论文; 基层论文; 焊工论文; 应力论文; 质量论文; 环境论文; 《防护工程》2017年第24期论文;