李為衛(wèi)1,2 編譯
1.中油集團石油管工程技術研究院； 2.石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室

摘要：焊接工程的一個基本原則是焊縫強度應大于所連接母材強度。以往長輸管道建設中，滿足這一基本原則幾乎沒遇到什么困難。隨著高強管線鋼用量增加，實現(xiàn)焊縫與母材高強匹配變得更具挑戰(zhàn)性，特別是使用纖維素焊條的電弧焊環(huán)焊縫。分析了行業(yè)規(guī)范和標準對管道環(huán)焊縫的強度匹配要求，以及近期導致環(huán)焊縫失效的因素，討論了焊接工藝評定要求，提出了下一步解決措施。
關鍵詞：管道；環(huán)焊縫；失效；規(guī)范與標準；工藝評定

最近，北美新建管道在服役前靜水試壓期間或投產(chǎn)后不久發(fā)生了許多環(huán)焊縫失效問題（圖 1）。其中一些失效可歸因于施工質(zhì)量問題，而另一些則是焊縫強度匹配不足或熱影響區(qū)（HAZ）軟化的結果。所有失效環(huán)焊縫都使用手工電弧焊（SMAW）、纖維素藥皮焊條（AWS EXX10型）焊接。大多數(shù)失效發(fā)生在API 5L X70（L485）管線鋼建造的大直徑（762 mm及以上）管道，其中沒有一例與氣體保護焊（GMAW）環(huán)焊縫有關。

圖 1 新建管道水壓試驗時環(huán)焊縫失效

因環(huán)焊縫缺陷而導致的管道事故（泄漏和破裂）發(fā)生率歷來較低。由內(nèi)壓造成的軸向應力（垂直于環(huán)焊縫）明顯低于環(huán)向應力，完工的環(huán)焊縫可在下溝起吊過程中產(chǎn)生軸向應力。在非平坦地形和拐彎處，當管道輪廓與管溝輪廓不匹配時，也會產(chǎn)生附加軸向應力。當管道承受軸向載荷時，如果環(huán)焊縫強度低于母材強度，應變在低強焊縫處累積。如果載荷大到足以引起管道塑性應變，則可能導致環(huán)焊縫發(fā)生塑性破壞。失效事故累積塑性應變的證據(jù)，包括焊縫內(nèi)和焊縫附近的頸縮（圖 2）以及環(huán)氧樹脂補口涂層中的裂紋。當焊縫強度高于母材強度時，軸向載荷的應變分布在母材內(nèi)。低強匹配環(huán)焊縫可歸因于管材縱向屈服強度大于熔敷焊縫金屬的屈服強度，HAZ軟化也可能導致強度不匹配。

圖 2 焊縫和焊縫附近的頸縮證據(jù)

1  近期相關研究進展

1.1  管材屈服強度

2009年，美國運輸部（US DOT）管道和危險品安全管理局（PHMSA）發(fā)布了一份咨詢公告（ADB–09–01），提醒管道運營商注意高強管線鋼的屈服強度、抗拉強度和化學成分會在一定范圍波動。如PSL2 X70鋼管屈服強度范圍485～635 MPa，通常高于API 5L標準規(guī)定的最小屈服強度。這是由于鋼管制造商在考慮第三方實驗室拉伸試驗過程（試樣壓扁、Bauschinger效應、引伸計放置等）存在波動情況下，在標準規(guī)定的范圍內(nèi)盡可能使屈服強度內(nèi)控指標更高。對于大直徑管道，API 5L對管體縱向拉伸性能沒有要求。縱向強度有時高于橫向強度，尤其是X70螺旋縫焊管母材的屈服強度高達648 MPa，使用纖維素焊條不可能達到如此高的強度。

1.2  HAZ軟化
  高強管線鋼早期（50年代末X52和60年代初X60），達到所需強度水平的普遍做法是添加常規(guī)合金元素，如碳和錳，并實現(xiàn)了預期效果，但對焊接性能產(chǎn)生了不利影響，HAZ易形成對裂紋敏感的顯微組織，加之使用纖維素焊條的焊縫氫含量高，導致環(huán)焊縫氫致開裂風險明顯增大。
隨著煉鋼技術的進步，在接下來的10年中開發(fā)的高強鋼（X65和X70）開始依靠微合金化和采用熱機械軋制（TMCP）工藝來達到所需的強度水平，而不是添加常規(guī)合金元素，從而開發(fā)出具有低碳當量和良好焊接性能的高強管線鋼。
進入21世紀以來，隨著微合金添加成本上升，鋼鐵制造商開始更多依賴于TMCP工藝，導致管線鋼中化學成分含量更低，例如碳含量低于0.05%，雖提高了HAZ抗氫致冷裂的能力，但會導致HAZ軟化敏感性增強。

1.3  根焊低強匹配

X70管道環(huán)焊縫手工焊現(xiàn)行做法是根焊使用E6010焊條、其余焊道使用E8010焊條。X70管線管“70”表示所需的最小屈服強度為70 ksi（485 MPa）；E8010焊條“80”表示80 ksi（551 MPa）所需的最小抗拉強度，其最小屈服強度為67 ksi（462 MPa）。傳統(tǒng)觀點認為，根焊焊條強度對焊縫的整體強度影響不大，導致強度不匹配的因素是根焊使用E6010焊條，特別是根焊占整個焊縫厚度比例較高的薄壁材料（圖 3）。

圖 3 使用E6010/E8010 焊條焊接的X70環(huán)焊縫硬度云圖

20世紀80年代早期，加拿大焊接研究所開展大量研究工作，之后E6010焊材在高強管線根焊中得以普遍使用。當時，高強管線鋼高合金化，導致HAZ高淬透性和氫致裂紋敏感性增強。根焊使用較低強度焊材，則應變發(fā)生在強度較低（韌性更高）的焊縫處而不是HAZ，從而降低了氫致裂紋風險。

現(xiàn)代高強管線鋼化學成分含量更低，其HAZ具有很高的抗氫致裂紋能力，采用強度匹配焊條進行根焊正逢其時。

2  焊接工藝評定要求

對于使用纖維素焊條和基于工藝缺陷驗收準則建造的管道，世界各國行業(yè)規(guī)范和標準對高強匹配沒有提出要求。如API 1104“管道和相關設施的焊接”標準，沒有要求焊縫實際強度大于管材實際強度。在焊接工藝評定過程中，只要接頭橫向焊縫拉伸試樣的斷裂強度高于管材規(guī)定的最小拉伸強度，則允許在焊縫處斷裂。此外，無需對工程用管進行焊接工藝評定（或其他試驗），只需在適當鋼級（同一鋼級或組內(nèi)最高鋼級）鋼管進行評定。同一鋼級不同管材可能具有不同拉伸性能，這取決于管材制造時間、制造方法、制造商等。對于許多應用場合（例如非平坦地形管道），焊縫強度至少與項目用管實際屈服強度相匹配為好。其他國家焊接規(guī)范和標準對此要求與API 1104一致。

但是，有些國外公司的企業(yè)標準（如SHELL、BP、DNV）和工程標準（如美國夏延管道）對管道環(huán)焊縫提出了等強或高強匹配附加要求，并要求采用工程用管進行焊接工藝評定（譯者加）。

行業(yè)規(guī)范和標準允許焊縫實際強度小于母材實際強度，并非好的做法。與規(guī)范和標準的其他要求一樣，以優(yōu)良的工程判斷至關重要，用戶必須選擇適合特定應用場合的工程驗收準則，該準則可能高于適用規(guī)范或標準的最低要求。

對于當前高強管線鋼建造的大直徑管道，特別是在丘陵地帶或遭受沉降和其他地質(zhì)災害的變形管道，要求在工程用管進行焊接工藝評定，接頭焊縫橫向拉伸試驗驗收準則應為失效遠離焊縫母材。補充要求應包含在施工合同文件中。

3  下一步措施

3.1  強度匹配

采用強度匹配環(huán)焊縫可防止軸向應變在焊縫區(qū)域累積，該區(qū)域是自然應力集中區(qū)，比管材含缺陷的幾率更高。強度匹配意味著焊縫金屬的屈服強度與管材的實際屈服強度為等強或高強，且沒有明顯的HAZ軟化。

雖然E8010焊條難以與X70管材縱向強度匹配，但可以采取改進措施，如使用E9010焊條等。E9010焊條需要更高預熱溫度，以避免潮濕環(huán)境下氫致開裂風險，但更高預熱溫度會加劇HAZ軟化。

當前X70管線采用“組合工藝”成功實現(xiàn)了高強匹配環(huán)焊縫，包括在根焊和熱焊使用纖維素焊條，在其余焊道使用可控氫的焊接方法或焊材，包括采用低氫下向焊焊條（例如E9045或E10045）電弧焊（SMAW）和藥芯焊絲電弧焊（FCAW）。與SMAW相比，F(xiàn)CAW往往會導致更高熱輸入促使HAZ軟化，因此，低氫焊條下向焊SMAW是短期內(nèi)最有前途的候選方案。還應考慮在根焊中使用強度匹配焊條，特別是根焊在焊縫厚度占比很高的薄壁材料。

3.2  焊縫形貌

API 1104目前推薦的最大焊帽高度為1.6 mm，應重新考慮該建議，因為增高和加寬焊帽可防止低強環(huán)焊縫處的應變累積。

3.3  軸向應力

在現(xiàn)場彎管作業(yè)過程中，必須確保管線輪廓與管溝輪廓相適應，使非平坦地形和拐點處管道下溝后不產(chǎn)生高軸向應力。

3.4  管材強度和成分

用戶可以在高強鋼管采購規(guī)范中提出要求，以降低環(huán)焊縫強度不匹配的可能性。如要求鋼管進行縱向拉伸試驗，提高其最大允許強度，以確保環(huán)焊縫與管材等強或高強匹配。可以同時規(guī)定最大允許和最小所需碳當量，以防止HAZ產(chǎn)生氫裂和軟化風險。最后，應將拉伸試驗程序標準化，以避免鋼管制造商為了消除試驗過程波動帶來的屈服強度測試結果的不確定性，而在標準可接受范圍內(nèi)提高內(nèi)控指標的做法。

4  結論

（1）對于使用纖維素焊條和基于工藝缺陷驗收準則建造的管道，目前行業(yè)規(guī)范和標準沒有對焊縫高強匹配提出要求，沒有要求對工程用管進行焊接工藝評定，只要拉伸試樣斷裂強度高于管材規(guī)定的最小拉伸強度（或其95%），則允許在焊縫處斷裂。

（2）文中所述焊縫失效，有觀點傾向于從焊接規(guī)范符合性角度看是完全可以接受的。而真正的罪魁禍首是高軸向載荷和高管材強度，會導致低強匹配環(huán)焊縫處的應變累積，超過可承受的應變能力時，導致塑性破壞。

（3）從焊接規(guī)范符合性角度看，焊縫完全可以接受并不意味著它適合預期服役條件。必須以優(yōu)良的工程判斷來選擇用于焊接工藝評定的材料和適用于特定場合的拉伸試驗驗收準則，這些準則可能會超出適用規(guī)范或標準的最低要求。采用等強或高強匹配焊接工藝，防止HAZ軟化，將有效防止軸向應變在低強環(huán)焊縫處累積。

致謝：本文譯自2020柏林管道會議論文《Pipeline Girth Weld Strength Matching Requirements in Industry Codes and Standards》（DNV GL公司，William A. Bruce, P.E., IWE, CWEng ）。

項目支持：國家重點研發(fā)計劃課題“ L485 高應變海洋管道環(huán)焊材料及工藝技術”（2018YFC0310305）和中國石油科學研究與技術開發(fā)課題“高應變海洋管道關鍵服役性能評估及環(huán)焊技術研究”（2018D-5010-12）。

  

作者簡介：李為衛(wèi)，正高級工程師，1965年生，現(xiàn)主要從事油氣輸送管道材料研究及標準化工作。聯(lián)系方式：18191565092，liweiwei001@cnpc.com.cn。