摘要：油氣管道在線焊接是應(yīng)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焊接作業(yè)中可能發(fā)生的氫致開裂、燒穿等焊縫質(zhì)量問題，以氫致開裂和燒穿為重點，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(shù)保障管道焊縫質(zhì)量。

油氣管道在線焊接修復(fù)可在管道不停輸情況下完成封堵?lián)Q管、套管焊接修復(fù)、補板焊接修復(fù)、帶壓開孔等作業(yè)，相比傳統(tǒng)管道修復(fù)方法可大幅度縮短修復(fù)周期，保證生產(chǎn)正常運行。由于在線焊接修復(fù)過程中管道內(nèi)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(shù)選擇不當或者操作不規(guī)范，會發(fā)生氫致開裂、燒穿等問題，嚴重影響焊接質(zhì)量，為管道運行埋下安全隱患。

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

一、焊縫質(zhì)量問題

1、氫致開裂

焊縫氫致開裂是指管道由于焊接熱的作用，導(dǎo)致局部區(qū)域溫度快速上升，在管道內(nèi)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快，進入到組織中的氫來不及析出而引發(fā)裂紋[1]。

氫致開裂主要由焊縫中的氫含量、淬硬相和應(yīng)力狀態(tài)決定。為預(yù)防氫致開裂的出現(xiàn)，可以通過低氫焊接工藝有效降低焊縫中的氫含量，同時在焊接前進行預(yù)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(qū)應(yīng)力集中，加快氫的擴散。回火焊道工藝也可有效改善焊縫的組織結(jié)構(gòu)，降低馬氏體比例而減少氫致開裂的發(fā)生。氫致開裂通常出現(xiàn)在應(yīng)力集中區(qū)域，例如焊趾處或者焊縫根部，為減小外應(yīng)力，避免焊縫中出現(xiàn)氫致裂紋，可以在套管的安裝過程中減少應(yīng)力集中，例如減少套管和管道之間的空隙等。

2、燒穿

燒穿是指焊接過程中管道受焊接電弧的作用，焊縫區(qū)域溫度瞬時升高，當熔池中熔化金屬的瞬態(tài)殘余強度低于管內(nèi)壓，就會造成管壁失穩(wěn)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(nèi)部介質(zhì)壓力而發(fā)生塑性失穩(wěn);另一種為焊接過程中焊接熱過大而發(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(yù)防燒穿發(fā)生。通過管內(nèi)壁最高溫度可預(yù)測燒穿是否發(fā)生，若焊縫內(nèi)壁峰值溫度低于982℃，采用正常的低氫焊接流程就不會發(fā)生燒穿;若溫度遠高于982℃，則在管內(nèi)壓力較低時也會發(fā)生燒穿。

美國石油學(xué)會標準API 1104―2005《管道和相關(guān)配件的焊接》規(guī)定采用管道在線焊接工藝進行修復(fù)的最小管道壁厚為?mm，與石油天然氣行業(yè)標準SY/T?6554―2003《在用設(shè)備的焊接和熱分接程序》規(guī)定的?mm不同。

3、疲勞斷裂

管道焊接時焊縫在內(nèi)部介質(zhì)壓力作用下會發(fā)生塑性變形，在冷卻過程中變形區(qū)形成較大的殘余應(yīng)力。而疲勞裂紋對應(yīng)力集中的區(qū)域非常敏感，由于疲勞裂紋受周期性載荷的影響會擴展，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(qū)域。疲勞裂紋的擴展行為通常與晶界的結(jié)構(gòu)有關(guān)，受焊接熱循環(huán)和管內(nèi)壓的影響，焊縫熱影響區(qū)的不同區(qū)域會發(fā)生相變和塑變，晶界結(jié)構(gòu)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。

4、管壁滲碳

焊接過程中熔池下方的管壁受到高溫及管內(nèi)介質(zhì)壓力的作用，碳氫化合物會向管壁內(nèi)部擴散，碳含量的增加會促使管壁材料向脆硬的馬氏體組織轉(zhuǎn)變，進而萌生裂紋，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，在焊接過程中會進一步分解放熱，加快碳氫化合物在管道內(nèi)壁的擴散。管壁溫度達到1130?℃時，材料發(fā)生共晶反應(yīng)生成低熔點共晶組織，在熱應(yīng)力的作用下還會出現(xiàn)熱裂紋。

應(yīng)力腐蝕開裂

當輸送介質(zhì)中存在H2S，在線焊接時局部焊縫溫度升高和管道內(nèi)介質(zhì)壓力共同作用會促進材料裂紋尖端的陽極溶解，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。研究表明，金屬材料的微觀組織晶粒越細小，其抗應(yīng)力腐蝕開裂的性能越好。而焊縫受焊接熱應(yīng)力、介質(zhì)壓力等因素影響，其熱影響區(qū)會生成較大的晶粒，所以接頭熱影響區(qū)對應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性較低。

二、 焊接質(zhì)量影響因素

1、管道因素

(1)壁厚。一般認為管道壁厚超過?mm是預(yù)防燒穿的最小厚度，在限制焊接熱輸入的情況下，超過?mm的管道壁厚不易發(fā)生燒穿。進行管道熱開孔可接受的最小壁厚為?mm，如果管道壁厚小于?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(guī)定大多數(shù)焊接所推薦的母材厚度下限值為?mm，實際在線焊接時的母材最小壁厚應(yīng)為強度設(shè)計壁厚加上安全余量，安全余量通常取?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，在線焊接時會造成焊接熱源熱傳導(dǎo)效果不同，對焊接溫度場和應(yīng)力場的分布產(chǎn)生非對稱的影響。

(3)介質(zhì)流速。過快的介質(zhì)流速會帶走焊接過程中的熱量使焊接接頭的淬硬傾向增加;過慢的介質(zhì)流速會導(dǎo)致接頭熱量聚集引起燒穿。在線焊接過程中，管道內(nèi)液體介質(zhì)流速不超過2?m/s或氣體介質(zhì)流速不超過7?m/s方可進行焊接，附件安裝焊接時液體介質(zhì)流速不大于5?m/s，氣體介質(zhì)流速不大于10?m/s。

2、焊接工藝

(1)預(yù)熱方法與溫度。預(yù)熱可使接頭硬度下降，有助于擴散氫的排出，預(yù)防氫致裂紋出現(xiàn)。目前國內(nèi)外通常采用輻射加熱、傳導(dǎo)加熱和感應(yīng)加熱等三種預(yù)熱方法。感應(yīng)加熱在熱效率方面比傳導(dǎo)加熱更有優(yōu)勢并且能預(yù)防氫致開裂。國內(nèi)普遍采用感應(yīng)加熱器預(yù)熱和火焰加熱器預(yù)熱，在考慮成本因素下，通?？刹捎铆h(huán)形火焰加熱器。預(yù)熱溫度在93?℃～121?℃之間可以促進氫的擴散，在線焊接過程中通常可接受的最小預(yù)熱溫度約為56?℃，204?℃～232?℃為預(yù)熱溫度的上限。

(2)焊后處理。在高寒地區(qū)進行管道在線焊接時，環(huán)境因素會導(dǎo)致焊縫的冷卻速度加快，淬硬傾向增加，焊前預(yù)熱和維持層間溫度作用均不明顯。針對這一問題通常在焊接后盡快進行熱處理，降低冷卻速度。PRCI(國際管道研究協(xié)會)規(guī)定在線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進行保溫，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。在線焊接后對焊縫進行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。焊后熱處理時間根據(jù)熱處理溫度和焊縫金屬決定，一般不小于30?min。

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

國內(nèi)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(shù)，對焊時K=，角焊時K=;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，較高的線能量可減少接頭熱影響區(qū)的淬硬傾向，較低的線能量可預(yù)防燒穿。無論選擇什么方法控制熱輸入量，都應(yīng)在作業(yè)前使用試驗板進行焊條熔敷測試，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)帶壓開孔作業(yè)安全規(guī)范》規(guī)定，金屬厚度小于?mm 的設(shè)備或管道系統(tǒng)，第一個焊道應(yīng)使用?mm或更小直徑的焊條來限制熱輸入量。設(shè)備或管道的厚度不超過?mm，隨后的焊道應(yīng)使用?mm或更小直徑，若超過?mm，不需重點考慮焊穿，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(yīng)超過預(yù)熱溫度最小值，但在線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(yù)熱溫度最小值。

(6)焊接順序。管道在線焊接順序會直接影響焊縫質(zhì)量，兩道焊縫不應(yīng)同步進行，應(yīng)在完成一道焊縫后，再焊接另一道。套管、對開三通等較大的焊接結(jié)構(gòu)件，需要進行多層多道焊。焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力應(yīng)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(yīng)力，保證焊接質(zhì)量。

三、 結(jié)語

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

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

(3)應(yīng)力腐蝕開裂和疲勞斷裂對焊縫熱影響區(qū)的組織大小較為敏感，管道在線焊接過程中應(yīng)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)在線焊接工藝在考慮管道壁厚、材質(zhì)和輸送介質(zhì)的同時，也要優(yōu)選焊接預(yù)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(shù)，以保障焊縫質(zhì)量滿足管道安全運行要求。

文章來源：《管道保護》2022年第2期 作者：佘思越 唐超 孔超 楊駿 徐新然

參考文獻：

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

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