消防建审验收培训资料p.doc

2007年高级职务工程系列专业论文

论钢质压力管道焊接质量控制

张 平 科

2007年8月

目 录
1 管道焊缝质量缺陷的分类： 1
2 几类重要焊缝质量缺陷产生的原因： 2
2.1 未焊透： 2
2.2 气孔： 2
2.3 裂纹： 2
3 管道材料和焊接材料进场检验措施： 2
3.1 对材料质量证明文件进行检查： 3
3.2 材料外观质量检验： 3
3.2.1 实测实量检验： 3
3.2.2 对管材、管件的材料性能和化学成分抽样复检： 3
4 管道焊接过程控制措施： 3
4.1 焊接施工工艺控制： 3
4.1.1 制定焊接施工工艺： 3
4.1.2 对焊接工艺进行评定： 4
4.1.3 焊接工艺卡管理： 5
4.2 焊工的资格和能力核查： 5
4.2.1 焊工合格证书的考试合格项目： 5
4.2.2 焊工合格证检验、审批的有效期限： 5
4.3 管道焊接操作过程控制： 5
4.3.1 管道切割下料检查： 5
4.3.2 坡口加工的控制： 5
4.3.3 管道组对控制： 6
4.3.4 焊接设备和工器具检查： 6
4.3.5 焊接施工环境检查： 6
4.3.6 对焊接操作进行巡检： 6
4.3.7 惰性气体保护措施检查： 7
4.3.8 焊前预热和焊后热处理控制： 7
4.3.9 对某些特殊介质的管道焊接应有针对性的控制措施： 7
4.3.10 焊缝标识检查： 7
4.3.11 焊接技术资料核查： 7
5 焊接质量检验控制措施： 8
5.1 焊接质量检验结果的认定： 8
5.2 焊缝表面质量检验控制措施： 8
5.2.1 采用目测和焊接检测尺实测的方式检验外观质量： 8
5.2.2 渗透检验： 8
5.2.3 磁粉检验： 8
5.3 焊缝内部质量无损探伤检验控制措施： 8
5.3.1 无损探伤检验方法： 8
5.3.2 射线透照检测控制要点： 9
5.3.3 超声检测控制要点： 9
5.3.4 无损检测其他方面的要求： 10

论钢质压力管道焊接质量控制
张平科
江苏中核华纬工程设计研究有限公司
[摘要]：
本文主要通过对钢质压力管道焊缝质量缺陷产生原因进行分析，论述了如何针对焊接过程、焊接质量检验两方面采取控制措施，从而实现管道焊接施工质量控制的目标。
[关键词]：
钢质压力管道 焊接质量控制 焊缝质量缺陷 焊接过程控制 焊接质量检验
[引言]：
工业建设项目钢质压力管道（以下均简称为管道）通常采用焊接方式连接，因此，焊接是管道安装中最关键、最重要的一道工序。影响管道焊接质量的因素较多，主要有管材和焊材的质量、焊工的资格和操作能力、焊接施工工艺和操作过程等。
管道焊接质量控制有几个重要环节：材料质量控制、焊接过程控制、焊接质量检验。材料质量控制是首要前提，焊接过程控制、焊接质量检验是必要条件。如果忽略了过程控制，仅靠最终检验的手段来控制，管道焊接质量容易产生隐患。因为大多数管道焊缝质量检验不是进行100%检验，而是按规范规定抽取一定比例检验，未抽检到的焊缝的质量存在不合格的可能性。管道焊接质量必须重点针对这三个环节采取控制措施。
1 管道焊缝质量缺陷的分类：
² 焊缝质量缺陷分表面质量缺陷和内部质量缺陷两类。
² 焊缝表面质量缺陷主要有裂纹、气孔、夹渣、咬边、未熔合、焊瘤、未焊透、根部收缩、余高过大、外观成形凹凸不平、角焊缝厚度不足或焊脚不对称情况等。
² 焊缝内部质量缺陷主要有裂纹、气孔、夹渣、未熔合、未焊透等。
² 几种焊缝表面和内部质量缺陷示意见图1：
图1 焊缝表面和内部质量缺陷

2 几类重要焊缝质量缺陷产生的原因：
2.1 未焊透：
² 电流强度不够，运条速度太快；
² 管道组对时，坡口的钝边太厚或间隙太小；
² 焊条角度不对以及电弧偏吹；
² 焊件散热速度太快使焊融金属迅速冷却。
2.2 气孔：
² 熔化金属冷却太快，气体来不及从焊缝中逸出：如风速过大、温度较低，或者焊工操作技术不良，运条速度太快，使焊肉很薄，冷却过快，气体来不及从焊缝中逸出；
² 电弧太长或太短。电弧太长使空气浸入熔池，太短则阻碍气体外逸；
² 焊条受潮；
² 焊件及焊条上沾有油漆、油污等，受热后放出气体浸入熔池；
² 基本金属及焊条化学成分不当，含碳气过多，所含的合金成分使铁水发粘，使熔渣粘度太大，阻碍气体外逸；
2.3 裂纹：
² 焊接材料化学成分不当。碳及合金成分（铬、钼、锰）含量多，以及含磷、硫，促使产生裂纹；
² 对于可淬性高的钢，焊接措施不当，如未进行预热或退火等；
² 管道组对不正确，如焊低碳钢时坡口小，间隙小，导致填充金属少，强度低，焊缝冷却快，应力较大，以致产生裂纹；
² 点焊处尺寸较小，受外力或焊接应力作用而破裂；
² 其他具有尖角的缺陷（如针状气孔、咬边、未焊透等）未检查并及时修复，由于应力作用而发展成裂纹。
3 管道材料和焊接材料进场检验措施：
管材和焊材直接决定了管道焊接质量，各生产厂家的生产技术水平、产品质量参差不齐，材料进场前的运输、保管等环节也会使材料的质量受到影响。做好管材和焊材进场检验是管道焊接过程质量控制的首要环节。材料检验的内容主要有以下几方面：

3.1 对材料质量证明文件进行检查：
² 检查生产厂家名称、出厂合格证、生产技术标准、质量证明书、产品标识。
² 管材质量证明书件主要应有名称、规格、型号、数量、钢号、炉号或生产批号、化学成分，以及抗拉强度、屈服点、延长率、压扁、弯曲、水压试验结果等机械和力学性能、工艺性能、晶间腐蚀、金相试验、热处理和探伤结果等内容。
² 焊材质量证明书主要应有名称、类别、牌号、规格、批号、熔敷金属的化学成分和力学性能、外观检验和抽样焊接检验结果等。
3.2 材料外观质量检验：
主要检验管材、管件的表面锈蚀情况和焊缝，焊条药皮有无脱落、受潮、开裂等情况，焊条或焊丝表面洁净度。
实测实量检验：
主要检测管材和管件的壁厚、外径的尺寸是否与设计选定的材料标准系列相符，管口椭圆度等偏差值是否满足材料规范要求。
对管材、管件的材料性能和化学成分抽样复检：
一般出现以下情况时，需要对管材、管件的材料性能和化学成分进行抽样复检：
² 到货的管材、管件实物标识不清或与质量证明文件不符，或对产品质量证明文件中的特性数据或检验结果有异议，供货方应按相应标准作验证性检验或追溯到产品制造单位。
² 国家规范有明确规定的，如合金钢管道组成件应采用光谱分析或其他方法对材质进行复查，并应做标记。
4 管道焊接过程控制措施：
焊接过程控制主要从焊接施工工艺、焊工资格和能力、焊接操作过程三方面入手。
4.1 焊接施工工艺控制：
制定焊接施工工艺：
² 焊条、焊丝及焊剂的选用，应根据焊接接头两侧母材的化学成分、力学性能、焊接接头的抗裂性、焊前预热、焊后热处理使用条件及施工条件等因素确定；

² 焊接工艺应明确管道母材的类别号和组别号、焊接接头形式及简图、适用此焊接工艺的管道直径和壁厚范围、焊接位置和焊接方向、焊接方法和机械化程度、焊接材料的类别、焊接电流和电压、焊接速度、保护气体、预热或焊后热处理方法、环境温度和湿度、风速的要求等方面。
对焊接工艺进行评定：
每种管道焊接施工前，必须有相适应的焊接工艺评定，经评定合格的焊接工艺才可作为工程焊接施工的依据。焊接工艺评定必须符合GB50236-98《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》及其他有关焊接规范、标准的规定，应根据管材的化学成分、力学性能、焊接性能、母材的厚度等进行分类，然后确定相应的焊接施工工艺，再选择相应的母材、焊材进行焊接，并对焊接接头进行外观检查、射线照相检验、力学性能试验，以及金相组织、抗腐蚀、硬度等方面的检验、试验和评定。
例如：某化工项目的高压蒸汽管线分为两段，厂内管段的材质为1.25Cr0.5Mo，规格为ф325*47，厂外的管段的材质为10CrMo910，规格为ф273*28。厂内、厂外管段分别由两家单位施工，厂外管段先施工完，厂内管段再与其对接。
对这两类异种钢的焊接，厂内管段的施工单位未施工过，因此要进行焊接工艺评定。但由于厂内管段的管材价格较高，图纸设计共17米，采购时未留余量，现场没有多余管材用于焊接工艺评定。根据《石油化工异种钢焊接规程》SH/T3526-2004表1和附录表A.1中查得， 1.25Cr0.5Mo和10CrMo910分别属于Ⅳ类钢的第1组和第2组，焊接规程第4.2.1.1条规定：“当重要因素不变时，同类不同组的异种母材接头中高组别材料已评定合格时，可不重新评定”。因此，可采用10CrMo910管材作为母材，进行同种钢材焊接工艺评定，替代这两类异种钢材的焊接工艺评定。另外， GB50236-98规范第4.2.9条规定：“评定合格的焊接工艺其厚度的认可范围最大为母材厚度的1.5倍”，第4.2.11条的规定：“评定合格的焊接工艺可用于不等厚对接焊件，但焊件两侧母材的厚度都应在评定厚度的认可范围内”。由于该工程所用的10CrMo910管材壁厚为28mm，若将其作为母材，其焊接工艺所认可的最大厚度仅为42mm，而厂内管段的管材壁厚为47 mm，因此，必须选用厚度更大的管材作为焊接工艺评定的母材。经与生产厂家联系，确定采用规格为ф323.9*32的10CrMo910管材进行焊接工艺评定。评定合格后，采用了该焊接工艺进行施工。

焊接工艺卡管理：
对于工程中各类焊接管道，均应根据焊接工艺评定编制焊接工艺卡，作为焊工、管工实际焊接作业的指导和依据。
4.2 焊工的资格和能力核查：
焊工属于特殊工种，必须对焊工合格证书进行审查，以确认焊工是否具有焊接操作的资格和能力，主要应核查两个方面：
焊工合格证书的考试合格项目：
焊工具有了合格证书，并不代表可以焊接所有的管道，只有“考试合格项目”适用范围以内的管道，该焊工才能进行焊接操作。
例如：某焊工的资格证书中考试合格项目代号为：GTAW-Ⅰ-5G-4/90-02，表示该焊工考试合格的项目为：壁厚为4mm、外径为90 mm的20#钢管对接焊缝水平固定试件，背面不加衬垫，焊接方法为手工钨极氩弧焊。根据《锅炉压力窗口压力管道焊工考试与管理规则》第十八条第（二）款的规定，该焊工可以进行焊接操作的项目为：壁厚≤8mm，且外径≥76 mm的20#钢管对接焊缝，手工钨极氩弧焊。在此范围以外的管道及不同的焊接方法，必须另行考试合格后才能进行焊接操作。
焊工合格证检验、审批的有效期限：
焊接施工属于实际操作工种，若焊工长期未进行实际操作，焊接能力则会下降，影响焊接产品的质量。焊工合格证必须经定期检验有效，才允许焊工继续作业。
4.3 管道焊接操作过程控制：
主要是对管道切割下料、管口和坡口加工、管口清理、组对、点焊和正式焊接的电流、电压、焊接环境等方面进行检查。检查手段基本以巡检为主。
管道切割下料检查：
主要控制管口平面与管道轴线的垂直度，另外注意不锈钢、合金钢管道的切割工器具不得与碳钢类材料混用，防止造成渗碳锈蚀。
坡口加工的控制：
主要应控制坡口角度、坡口的形式和细部尺寸等。管道对焊接头的坡口形式主要有
Ⅰ型、V型、U型、X型、双V型等，见图2：
管道组对控制：
主要根据焊接工艺卡的要求检查管口组对的间隙、平直度、错边量等，防止焊缝出现未焊透、焊瘤过大、焊缝宽度不合格等质量问题。
焊接设备和工器具检查：
主要检查焊接设备的焊接性能和安全运行状况。焊接设备主要应满足以下条件：
有合适的引弧电压、良好的调节电流的功能和足够的功率；电压能迅速适应电弧长度的变动、从短路到开路的变化时间短，以保证焊接过程稳定；短路电流不应太大。
图2 管道对焊接头的坡口形式
焊接施工环境检查：
主要是针对预制场地及施工现场的湿度、风速、清洁状况等焊接环境进行检查，如相对湿度应≤90%。，风速应<8m/s（气体保护焊应<2m/s），若不符合焊接工艺的要求时，应停止焊接施工或采取保证措施再施焊。
对焊接操作进行巡检：
主要检查焊工焊接时各项技术参数是否严格按焊接工艺卡执行。主要核查实际焊接操作的电压、电流、焊接速度、焊条摆动、点固焊和打底焊方法、焊道层数及各层的焊接方法、清根、层间清理等，并对使用的焊条或焊丝的型号、规格和烘干、保温、防潮、防污染等情况进行巡查。

惰性气体保护措施检查：
² 惰性气体保护焊主要检查焊缝是否按焊接工艺要求采取了充气保护措施，并检查惰性气体的纯度是否满足焊接工艺的要求。
² 对于设计或规范未要求进行射线无损探伤的不锈钢、合金钢管道，更要重视打底焊防氧化的保护措施（内壁充氩气或使用药芯焊丝），保证焊缝根部的焊接质量。
焊前预热和焊后热处理控制：
焊前预热和焊后热处理必须制定相应的热处理技术措施，主要应根据钢材的化学成分、厚度、焊接形式、焊接方法、焊接材料及环境温度等因素，明确加热的方式（如感应加热，火焰、电阻炉、红外线辐射加热等）、温度、范围和加热速度，以及焊后维持恒温的时间和冷却降温的速度。在热处理过程中对其进行检查并记录。
对某些特殊介质的管道焊接应有针对性的控制措施：
不同项目的工艺介质各不相同，有的管道介质比较特殊，焊接质量对介质的产品质量会产生影响。因此，焊接过程控制还应根据管道介质的特性制定相应的措施。
例如：某化工项目的PTA是粉状固态物质，切片是颗粒状固体，两者均采用脉冲气相输送方式，输送时容易出现堵塞，切片容易因磨损出现过多的粉尘，影响产品的质量等级，脉冲式气相输送使管道有较大的振动等。因此，管道焊接质量控制首先要保证焊缝的强度，咬边、未焊透、未融合、裂纹等缺陷必须严格控制。如管道对焊时，应控制内壁的光滑度、焊瘤和错边量；套环焊或翻边法兰连接时，还应控制管口加工组对间隙、错边量等。
焊缝标识检查：
管道焊缝施焊完成并检查后，应及时在焊缝附近做焊缝标识并记录。焊缝标识的主要内容有焊口编号、焊接日期、焊工代号、固定焊口标记、表面质量检验结果、内部质量无损检测结果及标记、焊缝返修标识，以及管段编号和管材标识等。各项标识应与焊接技术资料相符，不能有错漏。
焊接技术资料核查：
² 焊接技术资料主要有焊接施工记录、焊缝隙表面质量检验记录、焊缝无损探伤检测记录、焊缝位置单线图；

² 主要核查资料的真实性、准确性、完整性、可追溯性，以及相互之间有无矛盾和错漏，必要时应与现场的管道焊缝及其标识进行核对；
² 统计有关数据是否符合设计和规范要求：应对每名焊工施焊的每种管道的施焊结果分别统计，其主要内容有：管段焊缝总数、焊缝检测等级、数量及比例（活动焊口和固定焊口应分别统计）、返修数量和次数及加倍抽查的数量等。
5 焊接质量检验控制措施：
管道焊接质量检验通常分三步进行：首先是焊缝表面质量检验，然后是焊缝内部质量无损探伤检验，最后是管道系统压力试验。本文只对前两步检验手段进行论述。
5.1 焊接质量检验结果的认定：
² 焊接表面质量和内部质量检验结果，必须达到设计和施工验收规范要求的等级，才能认定为合格。
² 焊缝缺陷判定及质量等级评定应符合GB50236-98及JB/T4730的有关规定。
5.2 焊缝表面质量检验控制措施：
采用目测和焊接检测尺实测的方式检验外观质量：
主要检查焊缝表面的裂纹、气孔、夹渣、咬边、未焊透、焊瘤、根部收缩、余高、焊缝外观成形、角焊缝厚度、角焊缝焊脚对称情况等。
渗透检验：
主要是在焊缝表面喷涂渗透检测剂，通过显示的迹痕，判定焊缝的缺陷，主要有着色法和荧光法两种。
磁粉检验：
主要是在焊缝表面施加磁粉，对焊件进行磁化，通过显示的磁痕，判定焊缝的缺陷。主要有干磁粉法、湿磁粉法、荧光和非荧光磁粉法。
5.3 焊缝内部质量无损探伤检验控制措施：
无损探伤检验方法：
焊缝内部质量无损探伤检验方法主要有射线透照检测和超声检测。射线透照检测比较直观并能保留检验记录，是最常用的检测方法。

射线透照检测控制要点：
² 射线透照检测主要是采用γ射线或χ射线对焊缝进行透照，通过底片上的影像所反应的缺陷性质、尺寸、数量和密集程度，判定焊缝的质量等级。缺陷性质通常分为裂纹、未熔合、未焊透、圆形缺陷和条形缺陷五类。
² 焊缝的质量等级可划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四级。若焊缝中各类缺陷评定的质量级别不同时，以质量最差的级别作为焊缝综合评定级别。
² 射线透照检测前焊缝表面质量应经外观检查合格，表面的不规则状态在底片上的图像应不掩盖焊缝中的缺陷或与之混淆，否则应做适当处理。
² 根据射线检测技术的灵敏度，分为A级（低）、AB级（中）、B级（高）三级，一般应采用AB级检测技术。对特殊材料、焊接工艺制作的对焊接头，可采用B级。
² 根据透照的管材厚度、检测需达到的灵敏度，检查所选胶片的象质计灵敏度、黑度等质量是否符合JB/T4730规定的要求，以确保检测技术的灵敏度符合要求。
² 应根据需要检测的材料厚度和透照质量等级，按JB/T4730中的规定选择合适的射线能量（即射线源）及其与管道焊缝表面的距离和位置。
² 管道焊缝透照常采用外透法，应根据管道外径（周长）、射线源与管道的距离及发出的射线角度，计算底片应使用的张数。
² 管道焊缝透照部位应有透照标记，主要包括底片中心标记、搭接标记及识别标记（包括管段编号、焊缝编号、透照部位编号和日期等）和返修标记。
² 检查胶片冲洗处理、评片室的环境状况是否整洁、安静、有合适的亮度，以保证胶片冲洗质量和评片的准确性。
超声检测控制要点：
² 超声检测主要是通过探伤仪的探头在扫描焊缝区域时发出超声波，观察探伤仪显示的最大反射波的波高，并与对比试块的“距离—─波幅”曲线图进行对照，根据波幅所在的区域，判断焊缝缺陷所在位置、指示长度，再根据波幅所在区域和缺陷指示长度评定焊缝的质量等级，焊缝的质量等级可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三级。
² 探头移动速度不应超过150mm/s，当采用自动报警装置扫查时，可不受此限。
² 探头每次扫查检测复盖率应大于探头直径的15%，尽量扫查到整个被检区域。
² 焊缝缺陷指示长度应根据以下两种情况测定：

² 第一：当缺陷反射波信号只有一个高点且缺陷处声束宽度小于缺陷长度时，用降低6dB相对灵敏度法测量缺陷的指示长度见图3；
² 第二：在探头移动过程中，当缺陷反射波信号起伏变化有多个高点，缺陷端部反射波幅位于SL线或Ⅱ区时，用端点峰值法测量缺陷指示长度（即探头移动过程中，以缺陷两端反射波信号最大值之间的距离为缺陷指示长度。）见图4。
图3 相对灵敏度测长法 图4 端点峰值测长法
² 用于对照的“距离—─波幅”曲线图，应以检测时所用探伤仪和探头在对比试块上实测所得的数据绘制，并划分区域（波幅在评定线与定量线之间为Ⅰ区；波幅在定量线与判废线之间为Ⅱ区；波幅在判废线以上为Ⅲ区），曲线图可绘制在坐标纸上或仪器面板上，见图5。
图5 距离----波幅曲线示意图
无损检测其他方面的要求：
² 施工单位或建设单位委托的检测机构和检测人员要有相应的等级资格证书，且只能从事与该等级相应的无损检测工作；
² 由于超声检测对检验人员的判断缺陷技术要求较高，且有的超声检测技术不能留下书面的检验记录备查。因此，应优先选用射线透照检测，在现场实际情况无法进行射线透照检测时，必须经设计和建设单位同意，才能用超声检测代替。
² γ射线或χ射线对人体有不良影响，必须确保操作人员及周边人员的安全，射线辐
射防护应符合GB18871、GB16357、GB18465的有关规定。作业前必须办理审批手续，提前通告，根据射线的影响范围，做好警戒、隔离、辐射监测等措施。