王帥1  李文濤2  崔嘉1  顏力1  羅偉1

1 西南油氣田公司輸氣管理處成都管道搶險維修中心；2 石油天然氣建設工程有限責任公司

 

1  施工概況

某輸氣干線(xiàn)管道設計壓力6.13 MPa，材質(zhì)為X70螺旋縫鋼管,規格Φ813 ×10 mm。年末經(jīng)管道缺陷漏磁智能檢測后，立即對存在的6處缺陷位置進(jìn)行停氣連頭換管作業(yè)，在無(wú)損檢測中發(fā)現4道焊口存在根焊裂紋現象（見(jiàn)表1），返修1次后合格。

表1 根焊裂紋狀況統計

施工點(diǎn)	裂紋產(chǎn)生位置 （時(shí)鐘位置）	裂紋長(cháng)度 /mm	裂紋位置內 錯邊狀況/mm	裂紋位置根焊背面 焊縫寬度/mm
A B C D E F	6 1 / 5 5 /	7 9 / 20 13 /	/ / / 1 / /	7 7 / 6 9 /

2  停氣連頭施工的特殊性

管道停氣連頭（以下簡(jiǎn)稱(chēng)連頭）是指：輸送介質(zhì)為天然氣的在役管道遇特殊情況需停止輸送，并在空載狀態(tài)下，用盡可能短的時(shí)間完成局部管道設施更換的施工作業(yè)。停氣連頭作業(yè)有兩個(gè)明顯特點(diǎn)：一是時(shí)間緊，施工用時(shí)在24h以?xún)�，并要求一次性完成。二是與長(cháng)輸管道建設相比，施工條件差，常受到管道組對、應力、磁場(chǎng)、內腐蝕等因素影響，作業(yè)難度大，對作業(yè)人員技術(shù)水平要求高。 

3  根焊裂紋原因分析

裂紋在焊縫和熱影響區都會(huì )出現，在變化應力的作用下會(huì )不斷增長(cháng)，直至焊道失效斷裂。裂紋分宏觀(guān)裂紋和顯微裂紋，有熱裂紋、冷裂紋等類(lèi)型，連頭作業(yè)中的根焊裂紋屬于顯微裂紋中的冷裂紋，不易發(fā)現，危害更大。淬硬組織、擴散氫含量、殘余應力是產(chǎn)生焊接冷裂紋的三個(gè)要素[1]，其作用是相互聯(lián)系，相互制約的，不同條件下所起的主要作用不同。

3.1  淬硬組織 

母材的碳當量越高其淬硬傾向越大，延遲裂紋敏感性就越強。雖然X70鋼的碳當量不高（低于0.10％），但由于合金元素含量較高（見(jiàn)表2所示），在提高強度等級的同時(shí)，鋼的淬硬性也增加，在快速冷卻過(guò)程中，鐵素體析出后剩下的富碳奧氏體來(lái)不及轉變?yōu)橹楣怏w，最終轉變?yōu)楹�碳量較高的貝氏體和馬氏體，且得到馬氏體的臨界速度要低，因而易產(chǎn)生淬硬組織[2] ，從而使延遲裂紋敏感性增強。

表2  X70管線(xiàn)鋼材質(zhì)化學(xué)成分                  質(zhì)量分數%

3.2  擴散氫作用

焊接接頭中的氫主要來(lái)源于焊材中的水分和坡口表面的油污、鐵銹、水及大氣中的水汽等，其含量增加會(huì )導致焊縫金屬及熱影響區的力學(xué)性能降低，尤其是韌性降低，使高強度管材的冷裂紋危險性增大。首先，本次連頭作業(yè)采用E6010焊條根焊+E7lT8-Nil焊絲填充、蓋面焊接。由于根焊采用纖維素焊條焊接，焊縫的含氫量較高，焊縫擴散氫含量為12～18mL/100g，在快速冷卻過(guò)程中（此次連頭作業(yè)在冬季），氫的溶解度急劇下降，焊縫金屬中的過(guò)飽和氫就很快由焊縫穿過(guò)熔合區向尚未分解的熱影響區擴散，而氫在熱影響區的擴散速度相對較小，因此在熔合區附近形成了一小的富氫帶。其次，原天然氣管道內壁長(cháng)期受H2S腐蝕，S2-離子的存在使管道母材中的擴散氫含量為無(wú)H2S時(shí)的10倍[3]，焊縫組織的氫含量也隨之增高。此外，連頭作業(yè)過(guò)程中因受潮濕環(huán)境、管內氣流、管道磁場(chǎng)（如圖1所示）等的影響，焊條電弧的保護效果減弱，焊縫中擴散氫含量增高。

 

圖1  管道被磁化后的焊口

3.3殘余應力

焊接接頭主要存在熱應力、相變應力和拘束力。受連頭作業(yè)條件影響，一是原管道兩端在長(cháng)度方向的熱脹冷縮較明顯且不在同一直線(xiàn)上，造成焊接過(guò)程中焊口11-1點(diǎn)鐘,5-7點(diǎn)鐘位置受到拉應力或壓應力[4]。二是管道變形、錯位等，使組對精度受到限制，在焊口的組裝過(guò)程中總會(huì )存在或多或少的強力組對，造成在組裝完成后會(huì )存在內應力，這種應力在焊后進(jìn)行熱處理時(shí)不可能完全消除。三是管道焊接是一個(gè)局部加熱與冷卻的過(guò)程，在焊接中會(huì )產(chǎn)生應力與應變的循環(huán)，因此管道焊后必然存在殘余應力。

4  連頭返修工藝

4.1作業(yè)準備

確保返修焊機、焊條烤筒等設備完好，焊條按照相關(guān)規定進(jìn)行烘烤保溫。用千斤頂對管道底部進(jìn)行附加支撐，減少管道因沉降產(chǎn)生的應力影響。根據檢測結果，分析和確定返修的準確位置。

4.2焊縫打磨

打磨坡口角度為60±5°，間隙3～4 mm，打磨長(cháng)度盡量控制在100 mm內，若缺陷過(guò)長(cháng)，應分段修復，先從中間打磨，，避免一次打磨過(guò)長(cháng)，導致剩下焊縫單位面積上的受力增大而引發(fā)焊縫拉裂現象。確定打磨位置是否內錯口，若焊縫返修處存在管內錯邊，且未徹底打磨原根焊焊縫，在根焊焊縫熱收縮影響下，焊縫薄弱位置受到的拉應力大于其最大承載強度時(shí)，根焊邊緣焊縫就會(huì )拉裂形成根焊焊趾裂紋（如圖2所示）。打磨完成后，用鋸片、棉紗清理坡口內卷邊及兩側污物。

圖2  原焊縫錯邊時(shí)容易出現焊趾裂紋處的打磨示意圖

返修時(shí)，應根據探傷照片及實(shí)際缺陷分析情況，合理選擇返修打磨狀態(tài)，以防止未焊透、未熔合、夾渣等缺陷產(chǎn)生。

4.3溫度控制

返修過(guò)程中必須使用紅外線(xiàn)測溫儀對預熱、層間溫度、焊后保溫等工序嚴格監控。X70鋼在施焊環(huán)境溫度為0℃左右時(shí)，其預熱溫度約為120℃，返修焊口焊縫兩側加熱寬度應大于100 mm，預熱時(shí)要對整個(gè)焊口均勻加熱，并根據母材厚度嚴格控制管壁升溫速度，減小區域、厚度上的溫度差，降低焊縫的熱應力影響。嚴格控制層間溫度（層間溫度不低于預熱溫度），在完成一層焊縫的返修后5 min內進(jìn)行下一層焊縫焊接。返修焊接完成后可采用保溫棉包裹焊口的保溫緩冷措施，防止焊口冷卻速度過(guò)快，導致焊縫產(chǎn)生淬硬組織。必要時(shí)可進(jìn)行后熱處理或高溫回火處理。

4.4.注意事項

返修焊接是在已完成的整個(gè)焊口上進(jìn)行打磨后的局部焊接，散熱速度比正常焊接要快，焊接熱輸入量也略大。在焊接根部時(shí)，坡口兩側必須保持一個(gè)可見(jiàn)的小熔孔，沒(méi)有熔孔或熔孔太小，易造成根部背面熔合不良；熔孔過(guò)大，則易產(chǎn)生內咬邊或燒穿缺陷。焊接過(guò)程應仔細觀(guān)察熔孔兩側熔池鐵水流動(dòng)狀況，將焊條在兩側作輕微擺動(dòng)，確保坡口兩側均勻熔合；在4-6點(diǎn)鐘位置焊接時(shí)，必須壓縮電弧，盡量把鐵水往熔池背面送，且熔池溫度不能太高，才能保證根部不內凹。有內坡口焊口返修時(shí)，要注意內坡口面的熔合，當內坡口一側被打磨傷及原內坡口時(shí)，其補焊焊縫存在內錯邊現象（如圖3所示）。修復時(shí)應通過(guò)觀(guān)察錯邊量及坡口間隙大小，來(lái)調整焊條或焊槍角度（如圖4所示）及焊接操作手法，使熔池呈斜拉狀（如圖5所示），確保根焊背面兩側熔合良好。還應注意在選擇大的焊接電流，尤其是大的吹力電流時(shí)，造成電弧吹力過(guò)大，熔化焊條金屬在強大電弧吹力的作用下呈“噴泉狀”噴落在未熔化的焊縫根部背面母材上，形成特殊未熔缺陷[5]（如圖6所示）。纖維素根焊焊縫根部背面未熔合會(huì )產(chǎn)生根部尖角效應形成應力集中,是造成X70鋼在連頭作業(yè)中產(chǎn)生冷裂紋的重要原因。

 

 

圖3 內錯邊現象

 

圖4 焊槍?zhuān)ê笚l）角度

 

圖5 根焊熔池狀態(tài)

圖6 焊縫根焊特殊未熔合缺陷位置

填蓋層使用低氫型焊條返修時(shí)，要控制好引弧操作，必要時(shí)可將引弧從引弧板上帶入坡口，以降低產(chǎn)生次生缺陷的機率。焊接過(guò)程保持短弧操作，采用分段多層、由中間向兩端及輕微錘擊焊縫方式[6]，降低焊接應力，每層每道焊縫的起始位置和收尾位置應錯開(kāi)20 mm左右[7]。蓋面時(shí)熔池保持橢圓形狀，在焊縫兩側稍作停留，避免產(chǎn)生咬邊缺陷，且焊縫成形應圓滑美觀(guān)，焊縫余高應控制在2 mm以?xún)取?o:p>

4.5.焊縫表面處理

對返修部位的焊縫表面進(jìn)行修磨，使之與原焊縫基本一致，焊縫與母材圓滑過(guò)渡，以減少應力集中，提高焊縫抗裂性能。缺陷返修處應符合焊接相關(guān)規程的驗收標準。

5  結語(yǔ)

經(jīng)對X70管道連頭作業(yè)返修焊口進(jìn)行射線(xiàn)與超聲波探傷及焊后4 h與焊后24 h兩次檢查,均未發(fā)現根焊返修裂紋缺陷，證明此次返修焊接中采用的工藝是行之有效的，可為今后X70管道停氣連頭焊縫返修作業(yè)提供借鑒和指導。

參考文獻：

[1] 英若采.熔焊原理及金屬材料焊接[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.5

[2] 呂向陽(yáng).X70管線(xiàn)鋼焊接工藝研究[D]. 天津:天津大學(xué)，2007.3

[3] 孫小偉.碳鋼設備與管道脫氫再焊接[J]. 四川化工與腐蝕控制,1998(5):47-49 [4] 王帥,付雪松,崔嘉,等.停氣連頭中X70管線(xiàn)鋼根焊裂紋原因與對策[J]. 科技資訊, 2013(28) :70-73 [5] 黃明國.纖維素根焊特殊根部未熔合缺陷的控制[J].電焊機,  2007, 37(5):75-77 

[6] 楊偉光、劉奇威.核電站大型鋼結構焊縫錘擊法消應力[J].電焊機，2013 , 43(12) [7] 張釗.大口徑長(cháng)輸管道焊口返修方法的應用[J].甘肅科技,  2011, 27(22):88-89 

作者：王帥，男，1975.6生，畢業(yè)于航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院，焊工高級技師，德國DVS焊接指導教師，國際焊接檢驗師。主要從事管道搶險維修焊接工作。

《管道保護》2017年第3期（總第34期）