佘思越 唐超 孔超 楊駿 徐新然

國家管網(wǎng)集團西南管道貴陽(yáng)輸油氣分公司

摘要：油氣管道在線(xiàn)焊接是應急維搶修常用作業(yè)方式，因高壓不停輸介質(zhì)等因素影響，焊接作業(yè)難度較大。介紹了油氣管道在線(xiàn)焊接作業(yè)中可能發(fā)生的氫致開(kāi)裂、燒穿等焊縫質(zhì)量問(wèn)題，以氫致開(kāi)裂和燒穿為重點(diǎn)，分析了焊接質(zhì)量影響因素，焊接工藝及作業(yè)要求等，提出采用合理焊接工藝和優(yōu)選作業(yè)參數保障管道焊縫質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：油氣管道；在線(xiàn)焊接；氫致開(kāi)裂；燒穿；焊接工藝

油氣管道在線(xiàn)焊接修復可在管道不停輸情況下完成封堵?lián)Q管、套管焊接修復、補板焊接修復、帶壓開(kāi)孔等作業(yè)，相比傳統管道修復方法可大幅度縮短修復周期，保證生產(chǎn)正常運行。由于在線(xiàn)焊接修復過(guò)程中管道內仍有高壓介質(zhì)輸送，存在較大技術(shù)難度，如果焊接工藝參數選擇不當或者操作不規范，會(huì )發(fā)生氫致開(kāi)裂、燒穿等問(wèn)題，嚴重影響焊接質(zhì)量，為管道運行埋下安全隱患。

本文通過(guò)梳理在線(xiàn)焊接可能發(fā)生的焊縫質(zhì)量問(wèn)題及解決措施，綜合分析影響焊接質(zhì)量的各類(lèi)因素及作業(yè)要求、焊接工藝及注意事項。

1  焊縫質(zhì)量問(wèn)題

1.1  氫致開(kāi)裂

焊縫氫致開(kāi)裂是指管道由于焊接熱的作用，導致局部區域溫度快速上升，在管道內介質(zhì)壓力的作用下，環(huán)境氫擴散至焊縫中，由于焊縫受介質(zhì)流速影響冷卻速度過(guò)快，進(jìn)入到組織中的氫來(lái)不及析出而引發(fā)裂紋[1]。

氫致開(kāi)裂主要由焊縫中的氫含量、淬硬相和應力狀態(tài)決定。為預防氫致開(kāi)裂的出現，可以通過(guò)低氫焊接工藝有效降低焊縫中的氫含量，同時(shí)在焊接前進(jìn)行預熱且控制多道焊的層間溫度以有效降低焊縫冷卻速度，減少熱影響區應力集中，加快氫的擴散�；鼗鸷傅拦に囈部捎行Ц纳坪缚p的組織結構，降低馬氏體比例而減少氫致開(kāi)裂的發(fā)生。氫致開(kāi)裂通常出現在應力集中區域，例如焊趾處或者焊縫根部，為減小外應力，避免焊縫中出現氫致裂紋，可以在套管的安裝過(guò)程中減少應力集中，例如減少套管和管道之間的空隙等。

1.2  燒穿

燒穿是指焊接過(guò)程中管道受焊接電弧的作用，焊縫區域溫度瞬時(shí)升高，當熔池中熔化金屬的瞬態(tài)殘余強度低于管內壓，就會(huì )造成管壁失穩燒穿。燒穿的模式分為兩種：一種為材料本身在高溫下的強度損失，不能承受內部介質(zhì)壓力而發(fā)生塑性失穩；另一種為焊接過(guò)程中焊接熱過(guò)大而發(fā)生的直接焊穿。使用低氫型焊條并控制熱輸入量可減少焊縫的熔透深度，有效預防燒穿發(fā)生。通過(guò)管內壁最高溫度可預測燒穿是否發(fā)生，若焊縫內壁峰值溫度低于982℃，采用正常的低氫焊接流程就不會(huì )發(fā)生燒穿；若溫度遠高于982℃，則在管內壓力較低時(shí)也會(huì )發(fā)生燒穿。美國石油學(xué)會(huì )標準API 1104―2005《管道和相關(guān)配件的焊接》規定采用管道在線(xiàn)焊接工藝進(jìn)行修復的最小管道壁厚為6.4 mm，與石油天然氣行業(yè)標準SY/T 6554―2003《在用設備的焊接和熱分接程序》規定的12.8 mm不同。

1.3  疲勞斷裂

管道焊接時(shí)焊縫在內部介質(zhì)壓力作用下會(huì )發(fā)生塑性變形，在冷卻過(guò)程中變形區形成較大的殘余應力。而疲勞裂紋對應力集中的區域非常敏感，由于疲勞裂紋受周期性載荷的影響會(huì )擴展，焊接接頭處的性能變化較大，往往是疲勞裂紋擴展與萌生的主要區域。疲勞裂紋的擴展行為通常與晶界的結構有關(guān)，受焊接熱循環(huán)和管內壓的影響，焊縫熱影響區的不同區域會(huì )發(fā)生相變和塑變，晶界結構和晶粒取向發(fā)生變化，從而降低焊縫的疲勞裂紋擴展壽命。

1.4  管壁滲碳

焊接過(guò)程中熔池下方的管壁受到高溫及管內介質(zhì)壓力的作用，碳氫化合物會(huì )向管壁內部擴散，碳含量的增加會(huì )促使管壁材料向脆硬的馬氏體組織轉變，進(jìn)而萌生裂紋，將大大降低焊接接頭的力學(xué)性能，在后期使用過(guò)程中極易發(fā)生失效。如果輸送介質(zhì)中含有不飽和碳氫化合物，在焊接過(guò)程中會(huì )進(jìn)一步分解放熱，加快碳氫化合物在管道內壁的擴散。管壁溫度達到1130 ℃時(shí)，材料發(fā)生共晶反應生成低熔點(diǎn)共晶組織，在熱應力的作用下還會(huì )出現熱裂紋。

1.5  應力腐蝕開(kāi)裂

當輸送介質(zhì)中存在H2S，在線(xiàn)焊接時(shí)局部焊縫溫度升高和管道內介質(zhì)壓力共同作用會(huì )促進(jìn)材料裂紋尖端的陽(yáng)極溶解，發(fā)生應力腐蝕開(kāi)裂。研究表明，金屬材料的微觀(guān)組織晶粒越細小，其抗應力腐蝕開(kāi)裂的性能越好[2]。而焊縫受焊接熱應力、介質(zhì)壓力等因素影響，其熱影響區會(huì )生成較大的晶粒，所以接頭熱影響區對應力腐蝕開(kāi)裂的敏感性較低。

2  焊接質(zhì)量影響因素

2.1  管道因素

（1）壁厚。一般認為管道壁厚超過(guò)6.4 mm是預防燒穿的最小厚度，在限制焊接熱輸入的情況下，超過(guò)3.2 mm的管道壁厚不易發(fā)生燒穿。進(jìn)行管道熱開(kāi)孔可接受的最小壁厚為4.8 mm，如果管道壁厚小于4.8 mm，必須選擇合理的焊接工藝才可以確保焊接成功。標準SY/T 6554―2003規定大多數焊接所推薦的母材厚度下限值為4.8 mm，實(shí)際在線(xiàn)焊接時(shí)的母材最小壁厚應為強度設計壁厚加上安全余量，安全余量通常取2.4 mm。

（2）材質(zhì)。對于不同材質(zhì)的鋼材，由于存在物理性能、焊接性能的差異，在線(xiàn)焊接時(shí)會(huì )造成焊接熱源熱傳導效果不同，對焊接溫度場(chǎng)和應力場(chǎng)的分布產(chǎn)生非對稱(chēng)的影響。

（3）介質(zhì)流速。過(guò)快的介質(zhì)流速會(huì )帶走焊接過(guò)程中的熱量使焊接接頭的淬硬傾向增加；過(guò)慢的介質(zhì)流速會(huì )導致接頭熱量聚集引起燒穿。在線(xiàn)焊接過(guò)程中，管道內液體介質(zhì)流速不超過(guò)2 m/s或氣體介質(zhì)流速不超過(guò)7 m/s方可進(jìn)行焊接，附件安裝焊接時(shí)液體介質(zhì)流速不大于5 m/s，氣體介質(zhì)流速不大于10 m/s。

2.2  焊接工藝

（1）預熱方法與溫度。預熱可使接頭硬度下降，有助于擴散氫的排出，預防氫致裂紋出現。目前國內外通常采用輻射加熱、傳導加熱和感應加熱等三種預熱方法。感應加熱在熱效率方面比傳導加熱更有優(yōu)勢并且能預防氫致開(kāi)裂。國內普遍采用感應加熱器預熱和火焰加熱器預熱，在考慮成本因素下，通�？刹捎铆h(huán)形火焰加熱器。預熱溫度在93 ℃～121 ℃之間可以促進(jìn)氫的擴散，在線(xiàn)焊接過(guò)程中通�？山邮艿淖钚☆A熱溫度約為56 ℃，204 ℃～232 ℃為預熱溫度的上限。

（2）焊后處理。在高寒地區進(jìn)行管道在線(xiàn)焊接時(shí)，環(huán)境因素會(huì )導致焊縫的冷卻速度加快，淬硬傾向增加，焊前預熱和維持層間溫度作用均不明顯。針對這一問(wèn)題通常在焊接后盡快進(jìn)行熱處理，降低冷卻速度。PRCI（國際管道研究協(xié)會(huì )）規定在線(xiàn)焊接焊后熱處理溫度范圍為93 ℃～121 ℃，并且熱處理完成后要及時(shí)進(jìn)行保溫，可有效降低氫含量減少氫致裂紋發(fā)生的可能性，確保焊縫質(zhì)量。在線(xiàn)焊接后對焊縫進(jìn)行150 ℃～250 ℃保溫焊后熱處理和300 ℃～400 ℃保溫去除擴散氫熱處理可有效防止氫致裂紋產(chǎn)生。焊后熱處理時(shí)間根據熱處理溫度和焊縫金屬決定，一般不小于30 min。

（3）熱輸入量。熱輸入量以焊接線(xiàn)能量為指標，在不發(fā)生燒穿的情況下需對線(xiàn)能量進(jìn)行平衡計算。

國內熱輸入量計算公式通常為：

Hi＝KVA/S

式中Hi為熱輸入量，J/mm；K為焊接系數，對焊時(shí)K＝0.85，角焊時(shí)K＝0.57；V為焊接電壓（取平均值）， V； A為焊接電流（取平均值）， A；S為焊接速度（取平均值）， mm/s。

通常，較高的線(xiàn)能量可減少接頭熱影響區的淬硬傾向，較低的線(xiàn)能量可預防燒穿。無(wú)論選擇什么方法控制熱輸入量，都應在作業(yè)前使用試驗板進(jìn)行焊條熔敷測試，以確保熱輸入量的合理值。

（4）焊條直徑。焊條直徑是由壁厚、焊接層次、焊縫形式等因素決定，通常在給定熱輸入條件下，采用小直徑的低氫焊條更加安全。標準SY/T 6554―2011《石油工業(yè)帶壓開(kāi)孔作業(yè)安全規范》規定，金屬厚度小于6.4 mm 的設備或管道系統，第一個(gè)焊道應使用2.4 mm或更小直徑的焊條來(lái)限制熱輸入量。設備或管道的厚度不超過(guò)12.7 mm，隨后的焊道應使用3.2 mm或更小直徑，若超過(guò)12.7 mm，不需重點(diǎn)考慮焊穿，可以使用較大直徑的焊條。

（5）層間溫度。針對層間溫度控制范圍，通常其最小值應超過(guò)預熱溫度最小值，但在線(xiàn)焊接采用多種焊接工藝，因此其層間溫度最小值可以低于預熱溫度最小值。

（6）焊接順序。管道在線(xiàn)焊接順序會(huì )直接影響焊縫質(zhì)量，兩道焊縫不應同步進(jìn)行，應在完成一道焊縫后，再焊接另一道。套管、對開(kāi)三通等較大的焊接結構件，需要進(jìn)行多層多道焊。焊接順序對殘余應力應變有較大影響，是影響氫致裂紋的重要因素，因此合理安排好焊接順序可降低焊接殘余應力，保證焊接質(zhì)量。

3  結語(yǔ)

（1）管道在線(xiàn)焊接環(huán)境復雜，面臨多種不可控因素，隨著(zhù)管道鋼級的提高，焊接工藝對預熱以及焊后熱處理的要求更高。

（2）目前針對油氣管道在線(xiàn)焊接質(zhì)量的研究重點(diǎn)為氫致開(kāi)裂和燒穿，通過(guò)采用回火焊道和使用低氫型焊條并控制熱輸入量，可在預防燒穿的同時(shí)減少氫致裂紋的出現。

（3）應力腐蝕開(kāi)裂和疲勞斷裂對焊縫熱影響區的組織大小較為敏感，管道在線(xiàn)焊接過(guò)程中應采用多層多道焊接工藝并控制熱輸入量，以降低焊縫熱影響組織相變。

（4）在線(xiàn)焊接工藝在考慮管道壁厚、材質(zhì)和輸送介質(zhì)的同時(shí)，也要優(yōu)選焊接預熱、焊后處理、熱輸入量、層間溫度、焊條直徑以及焊接順序等工藝參數，以保障焊縫質(zhì)量滿(mǎn)足管道安全運行要求。

參考文獻：

[1]張東亮.輸油管道在線(xiàn)焊接修復的數值模擬[D].西南石油大學(xué)，2010.

[2]黎超文.長(cháng)輸管線(xiàn)在役焊接燒穿失穩機制及安全評價(jià)研究[D].青島：中國石油大學(xué)(華東)，2011.

作者簡(jiǎn)介：佘思越，1993年生，碩士研究生，2020年畢業(yè)于西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)，現主要從事管道管理工作。聯(lián)系方式：15882177564，617374916@qq.com。