摘要：從標(biāo)準(zhǔn)的來(lái)源、使用特點(diǎn)、評(píng)定因素、外觀檢查和無(wú)損檢測(cè)、力學(xué)性能試驗(yàn)等方面分析比較了幾個(gè)焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為采用JB 4708—2000《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》對(duì)燃?xì)庹{(diào)壓裝置內(nèi)管道的焊接工藝進(jìn)行評(píng)定是可行的。探討了燃?xì)庹{(diào)壓裝置內(nèi)管道的焊接工藝。
關(guān)鍵詞：燃?xì)庹{(diào)壓裝置；焊接工藝評(píng)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?xì)庹{(diào)壓裝置內(nèi)管道的焊接效率和安全可靠性備受關(guān)注，焊接技術(shù)經(jīng)歷了手工焊、半自動(dòng)焊和全自動(dòng)焊的發(fā)展歷程。一些高效先進(jìn)的焊接方法亦得以應(yīng)用，如藥芯焊絲氣體保護(hù)焊或自保護(hù)焊、STT半自動(dòng)根焊+PAW 2000外焊、STT半自動(dòng)根焊+APW-Ⅱ自動(dòng)焊、埋弧自動(dòng)焊、自動(dòng)氣體保護(hù)焊等。
2 燃?xì)庹{(diào)壓裝置的特點(diǎn)
焊接作為燃?xì)庹{(diào)壓裝置內(nèi)管道預(yù)制的重要環(huán)節(jié)，如不能有效控制其焊接質(zhì)量，會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果。一般而言，燃?xì)庹{(diào)壓裝置在工廠進(jìn)行預(yù)制(焊接裝配)，并預(yù)留與長(zhǎng)輸管道的接口。從預(yù)制工廠運(yùn)輸?shù)揭巴猬F(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程中，經(jīng)歷著復(fù)雜的路況和動(dòng)載荷，這就更要求對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制其焊接質(zhì)量。
3 燃?xì)庹{(diào)壓裝置焊接評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的選擇
當(dāng)前，燃?xì)庹{(diào)壓裝置中管道的設(shè)計(jì)主要依據(jù)GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 20801—2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道》，壓力容器的設(shè)計(jì)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(shù)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(píng)定執(zhí)行GB 50236—98《現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工及驗(yàn)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(píng)定按JB 4708—2000《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》執(zhí)行。然而，中石油、中石化長(zhǎng)輸管道中輸氣站的燃?xì)庹{(diào)壓裝置內(nèi)管道焊接則要求符合SY/T 4103—2006《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》的規(guī)定。此外，燃?xì)庹{(diào)壓橇(站)中的壓力容器明確要求按照J(rèn)B 4708—2000進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。
燃?xì)庹{(diào)壓裝置的焊接工藝評(píng)定究竟執(zhí)行哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)？哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)比較全面系統(tǒng)？是否可以統(tǒng)一？本文就標(biāo)準(zhǔn)的來(lái)源和使用特點(diǎn)、焊接工藝評(píng)定的因素、外觀檢查和無(wú)損檢測(cè)、力學(xué)性能試驗(yàn)等方面進(jìn)行探討與分析。
3.1 標(biāo)準(zhǔn)的來(lái)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(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》編制的，SY/T 4103—2006則是等效轉(zhuǎn)換API 1104—1999《管道及有關(guān)設(shè)施的焊接》而來(lái)。
ASME B31.8—1999對(duì)焊接工藝評(píng)定和焊工評(píng)定規(guī)定為：在環(huán)向應(yīng)力小于20%最小屈服強(qiáng)度的管道上施焊的焊工應(yīng)按ASME IX—1998、API 1104—1999或附錄G的規(guī)定進(jìn)行焊工技能評(píng)定，對(duì)焊接工藝評(píng)定沒(méi)有條文規(guī)定；而在管道環(huán)向應(yīng)力不小于20%最小屈服強(qiáng)度條件下，焊接工藝評(píng)定和焊工技能評(píng)定應(yīng)按ASME IX—1998或API 1104—1999進(jìn)行評(píng)定；對(duì)于近海管道，在大氣環(huán)境下施焊應(yīng)按API 1104—1999進(jìn)行評(píng)定，而在高壓環(huán)境下施焊應(yīng)按ANSI/AWS D3.6—93《水下焊接規(guī)范》進(jìn)行評(píng)定，此外API 1104—1999中的重要因素應(yīng)在不受水下環(huán)境影響時(shí)優(yōu)先考慮，ANSI/AWS D3.6—93應(yīng)當(dāng)用于控制與水下焊接環(huán)境和工作條件有關(guān)的各個(gè)重要變素；對(duì)酸氣管道的焊接則按ASME IX—1998或API 1104—1999進(jìn)行評(píng)定?？梢?jiàn)GB 50251—2003是根據(jù)不同條件對(duì)焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選用，而ASME IX—1998和API 1104—1999沒(méi)有細(xì)分環(huán)境條件。
3.2 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的使用特點(diǎn)
JB 4708—2000適用于鍋爐、壓力容器和壓力管道焊接的工藝評(píng)定，針對(duì)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(shè)施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和工業(yè)金屬管道的焊接，不適用于施工現(xiàn)場(chǎng)組焊的鍋爐、壓力容器的焊接，不適用于釬焊的焊接，針對(duì)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(zhì)的長(zhǎng)輸管道、壓力站管網(wǎng)和泵站管網(wǎng)的安裝焊接的工藝評(píng)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(zhì)的其他集輸和分輸管網(wǎng)的安裝焊接的工藝評(píng)定，針對(duì)的是天然氣等流體輸送管道用鋼管[1]。
從使用特點(diǎn)可以看出，GB 50236—98、JB 4708—2000、SY/T 4103—2006這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)各有側(cè)重，針對(duì)的使用材料因適用范圍不同也各有側(cè)重。單從評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的使用特點(diǎn)來(lái)看，在燃?xì)庹{(diào)壓裝置預(yù)制管道的焊接中，采用JB 4708—2000進(jìn)行焊接工藝評(píng)定是可行的。
3.3 焊接工藝評(píng)定的因素
焊接工藝評(píng)定因素分為重要因素、補(bǔ)加因素和次要因素。重要因素指影響焊接接頭抗拉強(qiáng)度和彎曲性能的焊接工藝因素，補(bǔ)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(duì)要求測(cè)定的性能無(wú)明顯影響的焊接工藝因素。當(dāng)變更任何一個(gè)重要因素時(shí)都需要重新評(píng)定焊接工藝；當(dāng)增加或變更任何一個(gè)補(bǔ)加因素時(shí)，按增加或變更的補(bǔ)加因素增焊沖擊韌性試件進(jìn)行試驗(yàn)；當(dāng)變更次要因素時(shí)不需要重新評(píng)定焊接工藝，但需重新編制焊接工藝指導(dǎo)書(shū)[2～3]。JB 4708—2000中重要因素、補(bǔ)加因素、次要因素齊全，GB 50236—98只列出重要因素和補(bǔ)加因素，而SY/T 4103—2006只列出重要因素。可見(jiàn)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(duì)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]。可見(jiàn)JB 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(shí)，必須重新評(píng)定焊接工藝。
② 鋼材類別劃分
JB 4708—2000和GB 50236—98依據(jù)化學(xué)成分、力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度)和焊接性能對(duì)鋼材進(jìn)行分類分組，而SY/T 4103—2006只以屈服強(qiáng)度進(jìn)行分組。相對(duì)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(xì)化，但這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都沒(méi)有考慮長(zhǎng)輸管線鋼的特點(diǎn)(低碳、高合金、高屈服強(qiáng)度、淬硬性、可焊接)。筆者根據(jù)管線鋼的特點(diǎn)將部分管線鋼分類歸入JB 4708—2000中的鋼號(hào)分類分組表，見(jiàn)表1。將JB 4708—2000評(píng)定規(guī)范及其對(duì)應(yīng)的工藝規(guī)程JB/T 4709—2000《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》應(yīng)用到管線鋼，并進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，最終評(píng)定結(jié)果是合格的。
表1 部分管線鋼在JB 4708—2000中的類、組
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鋼號(hào)分類
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組別號(hào)
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鋼號(hào)
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Ⅱ
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Ⅱ-1
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B(L245)、X52(L360)
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Ⅱ-2
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X60(L415)、X65(L450)
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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(shí)間和保溫溫度規(guī)定了評(píng)定細(xì)則。GB 50236—98沒(méi)有規(guī)定焊后熱處理的類別和評(píng)定細(xì)則，而SY/T 4103—2006則沒(méi)有提及焊后熱處理變更需重新評(píng)定焊接工藝。
④ 試件厚度和焊件厚度
試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)和橫向彎曲試驗(yàn)時(shí)試件厚度與焊件母材厚度的規(guī)定見(jiàn)表2。
由表2可知，JB 4708—2000對(duì)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(xì)，且對(duì)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(duì)于焊條電弧焊、埋弧焊、鎢極氣體保護(hù)焊、熔化極氣體保護(hù)焊，當(dāng)焊件規(guī)定進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，試件評(píng)定合格后當(dāng)δ≥8mm時(shí)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(zhuǎn)變溫度的焊后熱處理或奧氏體母材焊后經(jīng)固溶處理時(shí)仍按原規(guī)定執(zhí)行[1]。
綜合標(biāo)準(zhǔn)來(lái)源、標(biāo)準(zhǔn)的使用特點(diǎn)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(píng)定因素可知，JB 4708—2000更科學(xué)合理。
3.4 外觀檢查和無(wú)損檢測(cè)
外觀檢查和無(wú)損檢測(cè)是衡量試件焊接質(zhì)量的重要指標(biāo)。JB 4708—2000對(duì)外觀檢查和JB 4730—2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》對(duì)無(wú)損檢測(cè)的要求是焊縫不得有裂紋，力學(xué)性能試樣可以避開(kāi)缺陷制??；GB 50236—98要求外觀檢查及射線照相檢驗(yàn)，焊縫質(zhì)量不應(yīng)低于規(guī)范中表1 1.3.2中的Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；而SY/T 4103—2006對(duì)外觀檢查和無(wú)損檢測(cè)并無(wú)規(guī)定。
3.5 力學(xué)性能試驗(yàn)
① 拉伸試驗(yàn)
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(guān)，且拉伸試樣是長(zhǎng)試樣，拉伸時(shí)，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(yàn)
JB 4708—2000和GB50236—98可以綜合表述為：面彎和背彎時(shí)，當(dāng)試件厚度δ≤10mm時(shí)，試樣厚度d與δ相等或相近，在彎曲時(shí)，要求彎心直徑D=4d且彎曲角度為180°；當(dāng)δ＞10mm時(shí)，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(cè)彎時(shí)，當(dāng)試件厚度δ為10～38mm時(shí)，試樣寬度等于試件厚度；當(dāng)試件厚度δ大于38mm時(shí)，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(yàn)代替一個(gè)全厚度側(cè)彎試樣的試驗(yàn)?？梢?jiàn)彎曲試樣(面彎、背彎、側(cè)彎)的選擇僅與試件厚度有關(guān)。SY/T 4103—2006規(guī)定，彎曲試驗(yàn)時(shí)，無(wú)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(guān)，還與管徑有關(guān)。
③ 沖擊試驗(yàn)
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(biāo)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(biāo)(3個(gè)沖擊試樣的常溫沖擊吸收功平均值≥27J，至多允許1個(gè)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(yàn)的合格指標(biāo)應(yīng)符合設(shè)計(jì)文件的規(guī)定。
拉伸、彎曲、沖擊韌性是長(zhǎng)輸管道的重要性能，應(yīng)在施工規(guī)范中給予保證，SY/T 4103—2006對(duì)彎曲試驗(yàn)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(yàn)，因而不能用于有沖擊試驗(yàn)要求的長(zhǎng)輸管道的焊接工藝評(píng)定。燃?xì)庹{(diào)壓裝置作為天然氣管道調(diào)壓計(jì)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(yīng)充分考慮沖擊韌性，可優(yōu)先選用JB 4708—2000進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。
3.6 其他評(píng)定規(guī)則
JB 4708—2000、GB 50236—98和SY/T 4103—2006截然不同的評(píng)定規(guī)則為：接頭形式(坡口形式)、焊接位置與試件位置、保護(hù)氣體流量。顯著差別的評(píng)定規(guī)則為：向上(下)立焊與上(下)向焊、層間溫度與時(shí)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(shù)措施中若干焊接工藝因素沒(méi)有列入(如實(shí)心焊絲與藥芯焊絲、熔滴過(guò)渡、單絲焊與多絲焊[4]，這些因素也是影響機(jī)械性能的重要組成部分，在評(píng)定中需區(qū)分因素的性質(zhì)慎重對(duì)待。
4 燃?xì)庹{(diào)壓裝置中管道的焊接工藝
由于燃?xì)庹{(diào)壓裝置是在工廠內(nèi)預(yù)制，焊接條件比野外現(xiàn)場(chǎng)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(shè)備簡(jiǎn)單，移動(dòng)方便，操作靈活，無(wú)論是在野外還是廠內(nèi)預(yù)制，都是最常用的焊接方法。燃?xì)庹{(diào)壓裝置主要采用向上立焊的低氫焊材，該工藝相對(duì)成熟。常用管線鋼焊條電弧焊的焊接材料見(jiàn)表3。
表3 常用管線鋼焊條電弧焊的焊接材料
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鋼級(jí)
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焊接層次
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焊接材料
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GB/T 5117
GB/T 5118
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AWS A5.1
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B(L245)～X52(L360)
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打底
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E5016
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E7016
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填充、蓋面
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E5016、E5018
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E7016、E7018
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X56(1390)～X60(IA15)
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打底
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E5016
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E7016
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填充、蓋面
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E5016、E5018
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E7016、E7018
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X65(IA50)
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打底
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E5016
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E7016
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填充、蓋面
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E5016、E6016
E9018-G
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E7016、E9016
E9018-G
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② 組合焊
燃?xì)庹{(diào)壓裝置制造公司可根據(jù)自身特點(diǎn)，選用國(guó)內(nèi)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(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范要求。焊材和部分試件機(jī)械性能指標(biāo)見(jiàn)表4、5。
5 結(jié)論
① ASME B31.8～1999中管道的焊接工藝評(píng)定引用了ASME IX—1998、API 1104—1999和ANSI/AWS D3.6—93，但每個(gè)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)在執(zhí)行時(shí)是有條件的，與環(huán)境條件是有關(guān)聯(lián)的。當(dāng)有沖擊試驗(yàn)要求時(shí)應(yīng)采用ASME IX—1998，當(dāng)沒(méi)有沖擊試驗(yàn)要求時(shí)采用ASME IX—1998或API 1104—1999。
② 考慮燃?xì)庹{(diào)壓裝置的整體運(yùn)輸特點(diǎn)和使用工況環(huán)境，沖擊韌性是重要性能指標(biāo)，應(yīng)在施工規(guī)范中給予保證。SY/T 4103—2006不考慮沖擊試驗(yàn)，因而不能用于有沖擊試驗(yàn)要求的燃?xì)庹{(diào)壓裝置的焊接工藝評(píng)定。
③ JB 4708—2000參照ASME IX—1998而編制修訂，內(nèi)容全面，規(guī)定科學(xué)，基本包含了SY/T 4103—2006中的評(píng)定因素。燃?xì)庹{(diào)壓裝置制造公司根據(jù)管線鋼的特點(diǎn)，將管線鋼歸入JB 4708—2000的相應(yīng)類組中，將JB 4708—2000評(píng)定規(guī)范及其對(duì)應(yīng)的工藝規(guī)程JB/T 4709—2000應(yīng)用到燃?xì)庹{(diào)壓裝置內(nèi)管道的焊接工藝評(píng)定是可行的。
④ 燃?xì)庹{(diào)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(dāng)控制線能量和采取預(yù)熱措施，設(shè)計(jì)溫度不小于-29℃時(shí)，燃?xì)庹{(diào)壓裝置中管道(鋼級(jí)低于X70或IA85)的焊接采用JB 4708—2000進(jìn)行焊接工藝評(píng)定是可行的。
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[4] 戈兆文，鄭鈞，許衛(wèi)榮.長(zhǎng)輸管道焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)分析及建議[J].壓力容器，2003，20(7)：1-15.
(本文作者：丁勝 秦曉云 特瑞斯信力(常州)燃?xì)庠O(shè)備有限公司 江蘇常州 213022)
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