佘思越 唐超 孔超 楊駿 徐新然

國家管網集團西南管道貴陽輸油氣分公司

 

摘要：油氣管道在線焊接是應急維搶修常用作業方式，因高壓不停輸介質等因素影響，焊接作業難度較大。介紹了油氣管道在線焊接作業中可能發生的氫致開裂、燒穿等焊縫質量問題，以氫致開裂和燒穿為重點，分析了焊接質量影響因素，焊接工藝及作業要求等，提出采用合理焊接工藝和優選作業參數保障管道焊縫質量。

關鍵詞：油氣管道；在線焊接；氫致開裂；燒穿；焊接工藝

 

油氣管道在線焊接修復可在管道不停輸情況下完成封堵換管、套管焊接修復、補板焊接修復、帶壓開孔等作業，相比傳統管道修復方法可大幅度縮短修復周期，保證生產正常運行。由于在線焊接修復過程中管道內仍有高壓介質輸送，存在較大技術難度，如果焊接工藝參數選擇不當或者操作不規范，會發生氫致開裂、燒穿等問題，嚴重影響焊接質量，為管道運行埋下安全隱患。

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

1  焊縫質量問題

1.1  氫致開裂

焊縫氫致開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，在管道內介質壓力的作用下，環境氫擴散至焊縫中，由于焊縫受介質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裂紋[1]。

氫致開裂主要由焊縫中的氫含量、淬硬相和應力狀態決定。為預防氫致開裂的出現，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。回火焊道工藝也可有效改善焊縫的組織結構，降低馬氏體比例而減少氫致開裂的發生。氫致開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

燒穿是指焊接過程中管道受焊接電弧的作用，焊縫區域溫度瞬時升高，當熔池中熔化金屬的瞬態殘余強度低于管內壓，就會造成管壁失穩燒穿。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，不能承受內部介質壓力而發生塑性失穩；另一種為焊接過程中焊接熱過大而發生的直接焊穿。使用低氫型焊條并控制熱輸入量可減少焊縫的熔透深度，有效預防燒穿發生。通過管內壁最高溫度可預測燒穿是否發生，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發生燒穿；若溫度遠高于982℃，則在管內壓力較低時也會發生燒穿。美國石油學會標準API 1104―2005《管道和相關配件的焊接》規定采用管道在線焊接工藝進行修復的最小管道壁厚為6.4 mm，與石油天然氣行業標準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

管道焊接時焊縫在內部介質壓力作用下會發生塑性變形，在冷卻過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，受焊接熱循環和管內壓的影響，焊縫熱影響區的不同區域會發生相變和塑變，晶界結構和晶粒取向發生變化，從而降低焊縫的疲勞裂紋擴展壽命。

1.4  管壁滲碳

焊接過程中熔池下方的管壁受到高溫及管內介質壓力的作用，碳氫化合物會向管壁內部擴散，碳含量的增加會促使管壁材料向脆硬的馬氏體組織轉變，進而萌生裂紋，將大大降低焊接接頭的力學性能，在后期使用過程中極易發生失效。如果輸送介質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壁的擴散。管壁溫度達到1130 ℃時，材料發生共晶反應生成低熔點共晶組織，在熱應力的作用下還會出現熱裂紋。

1.5  應力腐蝕開裂

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

2  焊接質量影響因素

2.1  管道因素

（1）壁厚。一般認為管道壁厚超過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3.2 mm的管道壁厚不易發生燒穿。進行管道熱開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，實際在線焊接時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。對于不同材質的鋼材，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效果不同，對焊接溫度場和應力場的分布產生非對稱的影響。

（3）介質流速。過快的介質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；過慢的介質流速會導致接頭熱量聚集引起燒穿。在線焊接過程中，管道內液體介質流速不超過2 m/s或氣體介質流速不超過7 m/s方可進行焊接，附件安裝焊接時液體介質流速不大于5 m/s，氣體介質流速不大于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勢并且能預防氫致開裂。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，通常可采用環形火焰加熱器。預熱溫度在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。在高寒地區進行管道在線焊接時，環境因素會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（國際管道研究協會）規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生的可能性，確保焊縫質量。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生。焊后熱處理時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。熱輸入量以焊接線能量為指標，在不發生燒穿的情況下需對線能量進行平衡計算。

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K＝0.85，角焊時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，較高的線能量可減少接頭熱影響區的淬硬傾向，較低的線能量可預防燒穿。無論選擇什么方法控制熱輸入量，都應在作業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《石油工業帶壓開孔作業安全規范》規定，金屬厚度小于6.4 mm 的設備或管道系統，第一個焊道應使用2.4 mm或更小直徑的焊條來限制熱輸入量。設備或管道的厚度不超過12.7 mm，隨后的焊道應使用3.2 mm或更小直徑，若超過12.7 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，通常其最小值應超過預熱溫度最小值，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量，兩道焊縫不應同步進行，應在完成一道焊縫后，再焊接另一道。套管、對開三通等較大的焊接結構件，需要進行多層多道焊。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，保證焊接質量。

3  結語

（1）管道在線焊接環境復雜，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，可在預防燒穿的同時減少氫致裂紋的出現。

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

 

參考文獻：

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

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

作者簡介：佘思越，1993年生，碩士研究生，2020年畢業于西南石油大學材料科學與工程專業，現主要從事管道管理工作。聯系方式：15882177564，617374916@qq.com。