戚建利

中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司

 

摘要：沙特阿美公司在役管道焊接擁有一套世界先進(jìn)的技術(shù)與管理體系。通過實地對沙特阿美在役管道焊接技術(shù)研究，對其在母材、接頭設(shè)計、預(yù)熱溫度、焊材選型、壁厚等方面的技術(shù)細(xì)節(jié)梳理，總結(jié)了該公司在焊接工藝評定模擬試驗、現(xiàn)場焊接等方面的管理要求。可為執(zhí)行沙特阿美在線焊接作業(yè)提供技術(shù)指導(dǎo)，并為完善國內(nèi)在線焊接作業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與管理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：沙特阿美；在役管道；在線焊接；焊接工藝評定；技術(shù)要求；管理要求

 

沙特阿美石油公司（簡稱沙特阿美）是沙特阿拉伯王國國家石油公司，總部位于東部省札哈蘭市，是全球規(guī)模最大、利潤最高的綜合石油公司。沙特阿美擁有并運行的管道超過兩萬公里，典型的沙特西東管道系統(tǒng)干線長度約1200公里，其中一條直徑48英寸（1219 mm）和一條直徑56英寸（1422 mm）的管道分別建成于1982年和1992年，隨著后續(xù)升級擴容，該系統(tǒng)已經(jīng)成為沙特石油工業(yè)的基石。沙特阿美的管理體系源于埃克森美孚公司，擁有石油行業(yè)最嚴(yán)苛的質(zhì)量和安全管理體系以及最繁瑣的現(xiàn)場管控程序，其企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)分為19大類、5300多個規(guī)范。

2016年，中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司成功進(jìn)入沙特市場，成為唯一在沙特阿美開展作業(yè)的國際維搶修隊伍，先后執(zhí)行了西東管道增壓擴容一期、二期工程以及拉斯坦努拉改線工程等大型項目，實現(xiàn)了56英寸（1422 mm）大口徑在役管道焊接、NGL特殊介質(zhì)管道在役焊接等突破。作業(yè)過程中積極對標(biāo)沙特阿美標(biāo)準(zhǔn)與要求，總結(jié)了其焊接標(biāo)準(zhǔn)與管理要點。

1  在役焊接

根據(jù)API 1104中的定義，在役焊接為直接熔敷在運行管道系統(tǒng)管壁上的焊接[1]。管道在役焊接是管道運行狀態(tài)下進(jìn)行管道修復(fù)和改造的重要技術(shù)，常用于打補丁、焊套袖、安裝對開三通等維搶修作業(yè)中，是管道維修、開孔封堵等作業(yè)的基礎(chǔ)。

在役焊接主要面對安全和質(zhì)量兩個方面的挑戰(zhàn)。安全方面要避免發(fā)生燒穿；質(zhì)量方面要避免產(chǎn)生氫致裂紋。為此，沙特阿美從焊接工藝設(shè)計、焊接工藝評定試驗、焊工考試、現(xiàn)場施焊、無損檢測等多個方面提出了嚴(yán)格的要求。

2  關(guān)鍵技術(shù)要求

沙特阿美企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（阿美標(biāo)準(zhǔn)）中，涉及在役管道焊接作業(yè)的規(guī)范有23項，檢查表格多達(dá)20項。阿美咨詢服務(wù)部門（CSD）負(fù)責(zé)審批公司所有項目的焊接工藝評定，要求在役長輸管道焊接工藝評定主要遵守SAES-W-012、02-SAMSS-006、SAEP-311、AB-036719等阿美內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)以及API 1104、ASME BPVC IX等國際標(biāo)準(zhǔn)。

2.1  焊接工藝評定程序

在準(zhǔn)備進(jìn)行焊接工藝評定時，應(yīng)確認(rèn)現(xiàn)場管道和管件的參數(shù)，結(jié)合阿美標(biāo)準(zhǔn)要求編制預(yù)焊接工藝規(guī)程（PWPS），對工藝評定試驗過程進(jìn)行指導(dǎo)，待焊接試驗完畢再按照試驗記錄（PQR）和檢測結(jié)果對預(yù)焊接工藝規(guī)程進(jìn)行修正，形成正式的焊接工藝規(guī)程（WPS）指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

阿美標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，進(jìn)行機械性能測試的實驗室需經(jīng)過ISO 17025認(rèn)證，并提交認(rèn)證證書至阿美CSD審核確認(rèn)[2]；所有陸上管道的焊評都需要進(jìn)行沖擊測試[2]；CSD進(jìn)而強調(diào)在搭接角焊縫不能進(jìn)行沖擊測試和拉伸測試的情況下，需要采用其焊接參數(shù)額外完成一項板對板對接焊（材質(zhì)同環(huán)焊縫母材），用于進(jìn)行沖擊和拉伸測試。

2.2  關(guān)鍵變量及要求

手工焊條電弧焊（SMAW）是阿美能夠接受的最常用的在役管道焊接方法。在SMAW焊評制作及現(xiàn)場施工中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)主要包括基底金屬、壁厚、接頭設(shè)計、預(yù)熱溫度和焊材選型等。

（1）基底金屬。橫焊縫對接焊的基底金屬為三通的上下護(hù)板，因為有背板而不與在役管道直接融合。阿美標(biāo)準(zhǔn)要求X65及以上材質(zhì)應(yīng)分別進(jìn)行焊接工藝評定，且 X65材質(zhì)焊接工藝評定可覆蓋低于X65等級材質(zhì)[2]。

同時，焊接工藝評定試驗應(yīng)使用同等或更高碳當(dāng)量的母材進(jìn)行[2]。

（2）接頭設(shè)計。全包式管件上下護(hù)板的倒角和坡口形式[3]規(guī)定，上護(hù)板坡口為45°，下護(hù)板無坡口，橫焊縫根部的間隙應(yīng)控制在3.2 mm～8.0 mm之間[3]，橫焊縫接頭設(shè)計形式如圖 1所示。

圖 1 橫焊縫接頭設(shè)計

環(huán)焊縫根部的倒角為斜向45°；對610 mm管徑及以下，環(huán)焊縫組對間隙控制在3.2 mm以內(nèi)，而660 mm管徑及以上的，組對間隙最大控制在6.4 mm[3]，接頭設(shè)計如圖 2所示。

圖 2 環(huán)焊縫接口設(shè)計

另外，環(huán)焊縫可先在管壁上面進(jìn)行預(yù)堆層焊接，其厚度不超過1/3母材厚度或10 mm中的較小值。預(yù)堆層焊接超出規(guī)定厚度的，要取得CSD專項批準(zhǔn)，并在預(yù)堆層焊接完畢后進(jìn)行PT或MT檢測[2]。

（3） 預(yù)熱溫度。阿美標(biāo)準(zhǔn)推薦的橫焊縫預(yù)熱溫度[2]如表 1所示，需結(jié)合對全包管件壁厚的要求[3]。

表 1 橫焊縫預(yù)熱溫度

鑒于介質(zhì)流動情況下管壁預(yù)熱溫度較難提升，阿美標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可不考慮角焊縫預(yù)熱溫度限制，但至少不低于10℃[2]。

（4）焊條選型。阿美標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在役焊接一般采用低氫堿性焊條而不用纖維素焊條，不同鋼材等級管道應(yīng)選擇的焊條最低抗拉強度[2]如表 2所示。

表 2 焊條選用最低抗拉強度要求

其中，壁厚小于6.4 mm的管道，為避免燒穿風(fēng)險，根焊和預(yù)堆層焊接應(yīng)使用2.4 mm或更小直徑的焊條，后續(xù)焊道可使用3.2 mm或以上直徑的焊條，但最大直徑不能超過4.0 mm[2]。

（5）壁厚。在役管道焊接允許的最小管道壁厚為5.0 mm[4]，因此壁厚較薄的管道應(yīng)嚴(yán)格控制焊接參數(shù)，限制熱輸入以防止管壁燒穿；但較低的熱輸入又增加了氫致裂紋產(chǎn)生的可能性，因此應(yīng)綜合考慮熱輸入?yún)��?shù)。

3  現(xiàn)場焊接管理

3.1  作業(yè)程序與要求

從作業(yè)許可著手加強對在役焊接的現(xiàn)場作業(yè)管理。根據(jù)規(guī)定，現(xiàn)場動火作業(yè)需取得由運行部門（OID）專門人員（Issuer）簽發(fā)的動火作業(yè)許可[5]，需要檢查作業(yè)文件批復(fù)、資源配備、安全措施、焊工持JCC卡等是否符合規(guī)定。

取得作業(yè)許可后，經(jīng)由現(xiàn)場運行人員與總部調(diào)控部門（OSPAS）再次確認(rèn)運行壓力后才可以開始焊接作業(yè)。焊接過程中，焊工應(yīng)全程穿戴好勞保用品并佩戴專用呼吸器，焊接區(qū)域使用防火毯做好保護(hù)，現(xiàn)場放置警示標(biāo)志，配備滅火器并安排持證監(jiān)火員。

運行部門（OID）、總部調(diào)控部門（OSPAS）、質(zhì)檢部門（PID）、損控部門（LPD）、安全部門（HSE）及項目PMT團(tuán)隊等共同參與現(xiàn)場管理，互相獨立履行管理職責(zé)，部門間協(xié)調(diào)難度較大。

3.2  焊接區(qū)域檢測

根據(jù)初步選定的焊接位置，去除管道外防腐層后，在環(huán)焊縫兩側(cè)各50 mm區(qū)域進(jìn)行連續(xù)UT（超聲）檢測，以確定現(xiàn)場實際剩余壁厚并排除夾層等缺陷。根據(jù)壁厚檢測結(jié)果計算最大允許焊接壓力，當(dāng)其小于當(dāng)前允許壓力時，協(xié)調(diào)運行部門降壓。焊接應(yīng)在UT檢測后的90天內(nèi)完成，否則需要重新進(jìn)行檢測和計算[5]。

焊接管件覆蓋區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)有焊道，可在征得公司同意后打磨平滑以方便UT檢測及管件組對[5]。

3.3  焊條烘干與使用

對于低氫型手工焊條，應(yīng)進(jìn)行烘干及保溫[2]，相關(guān)規(guī)定如表 3所示。

表 3 焊條烘干保存要求

焊工需每天從焊條庫領(lǐng)取烘干的焊條，填寫領(lǐng)取單記錄領(lǐng)取時間，超過4小時未使用的焊條必須歸還入庫。焊條桶運到現(xiàn)場立即插電保溫，焊接時每次只能取一根焊條，取出后蓋嚴(yán)桶蓋。

3.4  無損檢測

阿美標(biāo)準(zhǔn)對在役焊接無損檢測沒有明確要求，但實際操作總會秉持非常審慎的態(tài)度。如CSD一般會要求進(jìn)行延遲檢測和過程檢測。延遲檢測指焊接完成后等待24小時，再對環(huán)焊縫進(jìn)行磁粉檢測、對橫焊縫進(jìn)行超聲檢測，以盡可能發(fā)現(xiàn)延遲裂紋。過程檢測主要指層間檢測，針對壁厚較厚的管件，要求熱焊完成后先進(jìn)行一次磁粉檢測，合格后才能繼續(xù)填充，根據(jù)實際情況可能還會增加填充焊層間檢測。

無損檢測人員應(yīng)持有沙特阿美要求的資質(zhì)證明，非沙特籍人員應(yīng)通過公司或者ASNT的重新考試[6]。至少提前一天申請無損檢測，批準(zhǔn)后經(jīng)阿美PID現(xiàn)場見證，由公司批準(zhǔn)的第三方檢測機構(gòu)實施檢測。

3.5  焊縫強度試驗

針對需要承壓的管件，尤其是全包式管件如開孔三通等，在線焊接完成后應(yīng)進(jìn)行水壓試驗，以確認(rèn)焊縫的強度。按照規(guī)定，此類管件應(yīng)預(yù)留試壓用接口[7]。具體試驗壓力根據(jù)管件形式不同有各自的計算方法。以開孔三通為例，焊道試壓壓力按照試壓時三通內(nèi)部管道承受外壓的公式計算[5]：

Pb＝Ph+1.25△P        （1）

式中Pb試壓壓力，MPa；Ph主管道運行壓力，MPa；△P最大允許外壓，MPa；根據(jù)ASME SEC VIII D1，UG-28計算所得。

為保證試壓安全可靠，開孔封堵補強計算書規(guī)定[8]，最終三通焊道承壓測試值為Pb、三通法蘭壓力測試限制值、三通壁厚壓力測試限制值中的最小值[5]，穩(wěn)壓時間至少1 h[9]。

4  結(jié)論

本文結(jié)合沙特阿美標(biāo)準(zhǔn)要求，重點總結(jié)了其在焊接規(guī)程設(shè)計、現(xiàn)場施焊兩個環(huán)節(jié)中嚴(yán)于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)或者國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中沒有的相關(guān)要求。如通過控制前期焊接設(shè)計及焊評試驗來保障在役管道焊接的本質(zhì)安全和質(zhì)量，輔以現(xiàn)場作業(yè)過程繁瑣的監(jiān)控及檢測試驗手段，降低燒穿和裂紋等風(fēng)險的發(fā)生概率，最終確保焊接質(zhì)量。在具體實施中，通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、部門分工、監(jiān)督檢驗等手段搭建了一個責(zé)權(quán)明晰且互相制約的管理體系，能夠細(xì)化對作業(yè)隊伍的管控，從而保障相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的落實。這些做法和經(jīng)驗值得我們學(xué)習(xí)借鑒。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]API 1104. Welding of Pipelines and Related Facilities[S]. American Petroleum Institute, 2015.

[2]SAES-W-012. Welding Requirements for Pipelines[S]. Saudi Aramco Engineering Standard, 2016.

[3]02-SAMSS-006. Hot Tap and Stopple Fittings[S]. Saudi Aramco Materials System Specification, 2016.

[4]SAEP-311. Installation of Hot Tap and Stopple Connections[S]. Saudi Aramco Engineering Procedure, 2018.

[5]GI-0002.100 Work Permit System[S]. Saudi Aramco General Instructions, 2016

[6]SAEP-1142. Qualification of Non-Saudi Aramco NDT Personnel[S]. Saudi Aramco Engineering Procedure, 2014.

[7]AB-036719-001. Reinforcement of Welded Branch Connections[S]. Saudi Aramco 2634 ENG, 2009.

[8]SA-7627. Hot Tap/ Reinforcement Data and Calculation Sheet [S]. Saudi Aramco 2634 ENG, 2009.

[9]32-SAMSS-004. Manufacture of Pressure Vessels[S]. Saudi Aramco Materials System Specification, 2015.

 

作者簡介：戚建利，1984年生，工程師，2004年本科畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）信息與計算科學(xué)專業(yè)，2016年工商管理碩士畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）工商管理專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣管道維搶修工程項目管理工作。聯(lián)系方式：0316-2175509， qijianli@cnpc.com.cn。