油氣管道在線焊接質(zhì)量影響因素分析

劉立雄，姚學軍，劉冰，劉少柱，李兆慈，稅碧垣

1.中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院(北京102249)

2.中國石油管道科技研究中心(河北廊坊065000)

3.中國石油管道公司管道處(河北廊坊065000)

油氣管道在線焊接質(zhì)量影響因素分析

劉立雄1，2，姚學軍2，劉冰2，劉少柱3，李兆慈1，稅碧垣2

1.中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院(北京102249)

2.中國石油管道科技研究中心(河北廊坊065000)

3.中國石油管道公司管道處(河北廊坊065000)

在線焊接技術(shù)廣泛應(yīng)用于油氣管道投產(chǎn)運行階段維搶修，在應(yīng)用中經(jīng)常會出現(xiàn)燒穿和氫致開裂等質(zhì)量問題。從管道本體、焊前處理、焊接工藝、焊后熱處理等4個角度分析在線焊接質(zhì)量影響因素，提出通過改變預(yù)熱方法、合理控制介質(zhì)流速、預(yù)熱溫度、層間溫度以及熱輸入量，進行后熱和保溫等措施來保證在線焊接質(zhì)量，為提高在線焊接質(zhì)量水平提供參考。

管道;在線焊接;燒穿;氫致開裂

在管道投產(chǎn)運行過程中，管道事故時有發(fā)生，管道事故的處理涉及維搶修技術(shù)，包括在線焊接、帶壓開孔封堵、帶壓堵漏、切割等。在線焊接是應(yīng)用廣泛的一種維搶修技術(shù)，與傳統(tǒng)的先停輸、后焊接的修復方式相比，不僅大幅縮短修復周期，而且不需要管道停輸，經(jīng)濟效益凸顯。在線焊接應(yīng)用過程中存在不少質(zhì)量問題，主要包括燒穿、氫致開裂。影響這些質(zhì)量問題的因素較多，對其關(guān)鍵影響因素的技術(shù)指標及做法進行歸納總結(jié)，并展開進一步研究，是制定保證在線焊接質(zhì)量措施的基礎(chǔ)。

1 在線焊接存在的問題

焊接是一項較為復雜的傳熱過程，多種因素均會影響焊接質(zhì)量，比如環(huán)境、介質(zhì)、管道本體及焊接工藝。如果這些因素控制不好，就會引起各種焊接問題，對保證在線焊接質(zhì)量不利。其中燒穿與氫致開裂是最常見的2個問題。

1.1 燒穿

在線焊接過程中，由于焊接工藝參數(shù)選用不當或操作不當造成電弧焊穿管壁的現(xiàn)象稱為燒穿。造成管道燒穿的因素有壁厚、熱輸入量以及運行狀況，如圖1所示。同時采用低熱輸入量水平焊接與低氫工藝方法能降低熔透深度，如使用低氫焊條(堿性藥皮)電弧焊，以減少燒穿發(fā)生的可能性。

圖1 燒穿問題影響因素

1.2 氫致開裂

由于流動介質(zhì)帶走管壁熱量，導致焊縫以加快的速度冷卻，促使淬硬組織的形成，從而造成氫致開裂。氫致開裂的控制比燒穿要困難得多。氫致開裂的影響因素有3個:①焊縫中存在氫;②開裂敏感性焊接組織的形成;③焊縫中存在殘余應(yīng)力。具體因素見圖2。防止氫致開裂可以通過控制至少一種影響因素來實現(xiàn)，但焊縫中相當數(shù)量的殘余應(yīng)力是無法避免的。目前采用低氫焊條焊接來降低焊縫中的氫含量，但是低氫水平不能始終受到保障。可采用多道焊，規(guī)定最小預(yù)熱溫度，規(guī)定回火焊道熔敷順序等減緩冷卻速度的方法來減少氫致開裂的發(fā)生。

圖2 氫致開裂問題影響因素

2 在線焊接質(zhì)量影響因素分析

2.1 管道本體

2.1.1 壁厚

一般認為，預(yù)防燒穿的管道最小壁厚為6.4mm。國外方面，ASME(美國機械工程師學會)對氣體管道最小壁厚開展過研究，試驗采用20V焊接電壓和100A焊接電流，考慮燒穿因素，研究得出最小壁厚與氣體流速和管內(nèi)壓有關(guān)。在一定管內(nèi)壓下，管道最小壁厚隨氣體流速的增加而減少;在一定氣體流速下，管道最小壁厚隨管內(nèi)壓的增加而減少。具體壁厚數(shù)據(jù)如表1所示［1］，從表1中可知，壓力越大或者流速越大，燒穿發(fā)生的可能性越小。

表1 管道在線焊接最小壁厚/mm

SY/T 6554-2003中明確規(guī)定，大多數(shù)焊接和熱分接所推薦的最小母材厚度是4.8mm。一般在線焊接前需測量缺陷處壁厚，若壁厚低于6.4mm，需格外注意燒穿的風險。

2.1.2 介質(zhì)流速

介質(zhì)流速較快會吸收較多焊接產(chǎn)生的熱量，增強了管壁散熱，從而誘發(fā)氫致開裂;介質(zhì)流速較慢會造成熱量集中，從而引起燒穿。

對于介質(zhì)流速大小的規(guī)定，國外沒有在標準層面上規(guī)定介質(zhì)流速，Michael Fox研究后認為:①介質(zhì)流速較高會更快地帶走熱量，減少燒穿發(fā)生的幾率;②合理的介質(zhì)流速能減少燒穿和氫致開裂發(fā)生的可能性。SY/T 6150.1-2011規(guī)定封堵管件焊接時，液體流速不應(yīng)大于5m/s，氣體流速不應(yīng)大于10m/s［2］。楊景順等人研究后認為在管道上帶壓焊接管件時，應(yīng)對管道內(nèi)的介質(zhì)流速有一定的限制，介質(zhì)流速必須在焊接工藝規(guī)程規(guī)定的范圍以內(nèi)?？梢妵鴥?nèi)外對于介質(zhì)流速大小定量分析的結(jié)果較少，介質(zhì)流速要合理才能避免在線焊接問題的發(fā)生，一般液體介質(zhì)流速需控制在5m/s內(nèi)，氣體介質(zhì)流速需控制在10m/s內(nèi)［3-5］。

2.2 焊前處理

2.2.1 預(yù)熱方法

焊前預(yù)熱能降低焊接接頭硬度，促使氫擴散，控制易開裂組織的形成，降低氫致開裂發(fā)生幾率。Mark Yunovich總結(jié)了輻射加熱、傳導加熱和中頻感應(yīng)加熱等3種預(yù)熱方法的特點，中頻感應(yīng)加熱比傳導加熱更有熱效率的優(yōu)勢，在氫致開裂試驗上，以上3種預(yù)熱方法能避免產(chǎn)生裂紋的是中頻感應(yīng)加熱［6］。國內(nèi)總結(jié)常用的預(yù)熱方式有中頻感應(yīng)預(yù)熱和火焰預(yù)熱，由于使用中頻感應(yīng)預(yù)熱的施工成本較高，因此選擇火焰預(yù)熱［7］。繆羽祥總結(jié)管口預(yù)熱的方式有環(huán)形火焰加熱、中頻感應(yīng)加熱、單把火焰加熱等［8］。

油氣管道的預(yù)熱方法包括輻射加熱(火焰加熱)、傳導加熱(電阻加熱)以及中頻感應(yīng)加熱。輻射加熱主要優(yōu)勢是成本低和攜帶方便，但這種加熱方式難以保持焊接接頭溫度均勻，研究表明在輻射加熱時，管道上下左右4個點溫度差最高達到了55℃。傳導加熱時管道表面溫度較為均勻，研究表明在傳導加熱時，管道上下左右4個點溫度差僅為10℃左右。感應(yīng)加熱相比傳導加熱其加熱效率更高，這是由于減少了熱量傳遞環(huán)節(jié)，并且感應(yīng)渦電流不會在防腐層中產(chǎn)生，因此不會損傷防腐層。這3種預(yù)熱方法的比較見表2。

通過比較可以看出，感應(yīng)加熱是最有優(yōu)勢的預(yù)熱方法。在實際維搶修現(xiàn)場中，需根據(jù)在線焊接類型、焊接面積大小等實際情況選擇預(yù)熱方法。對于腐蝕坑、補板等可采用火焰加熱或電阻加熱等局部預(yù)熱方式;對于全包圍套袖、支管、三通等焊接可采用電阻加熱或感應(yīng)加熱等預(yù)熱方式。國外RHS公司的感應(yīng)加熱裝置(包括控制系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)及水冷系統(tǒng))能較快地達到在線焊接預(yù)熱溫度，并且人機交互界面友好、裝卸方便。

表2 預(yù)熱方法比較

2.2.2 預(yù)熱溫度

Lincoln Electric(林肯電氣)認為冷管至少預(yù)熱到21℃，X80管道預(yù)熱到177℃比較合理［9］。PRCI(國際管道研究協(xié)會)研究指出為了促使氫擴散，預(yù)熱溫度在93～121℃范圍內(nèi)，高于最小預(yù)熱溫度56℃左右是可接受的，為了不使母材發(fā)生屈服強度降低，204～232℃是預(yù)熱溫度的上限。國外標準沒有管道預(yù)熱溫度的推薦值。國內(nèi)吳冰通過小鐵研試驗來預(yù)測X80管線鋼焊接的預(yù)熱溫度，試驗結(jié)果表明焊前預(yù)熱至100℃，可以避免裂紋出現(xiàn)。SY/T 4125-2013規(guī)定常用鋼材推薦的預(yù)熱溫度，但只是預(yù)熱溫度的下限值，沒有確定一個合理的預(yù)熱溫度范圍［4］。SH 3501-2011規(guī)定當焊接環(huán)境溫度低于0℃或焊件溫度低于-18℃，應(yīng)對焊件進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度不低于15℃［5］。

一般情況下，不需要精確控制油氣管道預(yù)熱溫度，但需要注意的是防止管道過熱而產(chǎn)生燒穿等危險。當溫度超過315℃時，管線鋼的屈服強度就會嚴重降低。因此推薦預(yù)熱溫度安全限值為204～232℃，不同鋼級管道在線焊接預(yù)熱溫度范圍可根據(jù)焊接工藝評定進一步確定。

2.3 焊接工藝

2.3.1 焊條直徑

焊條直徑的選擇取決于母材厚度、焊縫位置、焊縫形式等因素。

Lincoln Electric研究機構(gòu)通過對60°V形坡口下向焊和上向焊的研究發(fā)現(xiàn)，下向焊的根焊和熱焊道采用Φ4.0mmE××10型焊條，填充焊和蓋面焊采用Φ5.0mmE××10型焊條;上向焊根焊采用Φ3.2mm E××10型焊條，填充蓋面焊采用Φ4.0mmE××10型焊條或Φ3.2mmE××18型焊條，得到了較高質(zhì)量的焊接接頭［9］。國內(nèi)SY/T 6554-2011對在線焊接焊條有規(guī)定。對于管道壁厚小于6.4mm，首條焊道應(yīng)使用至多2.4mm直徑的焊條來限制熱輸入量;若管道壁厚不超過12.7mm，隨后的焊道應(yīng)使用至多3.2mm直徑的焊條;若管道壁厚超過12.7mm，可以使用較大直徑的焊條，燒穿發(fā)生的可能性大大降低。由上述可見壁厚較高的管道應(yīng)選用直徑較大的焊條。國外對不同焊接方法不同焊道所采用的焊條直徑研究較為深入，而國內(nèi)在這方面研究不足。

2.3.2 層間溫度

Y.C.Lin認為如果沒有特殊說明，層間溫度的下限應(yīng)該與預(yù)熱溫度的下限相等。EN 14163-2001中規(guī)定層間溫度的取值為預(yù)熱溫度到評定試驗時層間溫度的最大值。薛振奎認為是層間溫度下限應(yīng)高于預(yù)熱溫度下限，但由于實際焊接的焊接工藝不同，因此層間溫度下限值可以規(guī)定低于預(yù)熱溫度下限值。國內(nèi)外都比較傾向多道焊層間溫度需高于預(yù)熱溫度的下限，在低溫環(huán)境下在線焊接時，若焊口的溫度比焊接工藝規(guī)定的層間溫度低，宜采用加熱設(shè)備進行伴隨加熱，直到溫度達到要求，方可焊接下一層。

2.3.3 熱輸入量

熱輸入量的指標是焊接線能量，隨著焊接線能量的增加，焊接熱影響區(qū)的最大硬度降低，有利于降低產(chǎn)生淬硬組織的傾向，對氫致開裂的預(yù)防越有利，但是線能量的增加造成焊接熔深的增大，可能會發(fā)生燒穿。因此需要平衡焊接熱輸入量，那么在不發(fā)生燒穿的前提下，提高焊接熱輸入量。

對于管道在線焊接熱輸入量的預(yù)測，BMI研究所提出了熱分析計算模型，通過確定800～500℃的焊縫冷卻時間、碳當量以及管內(nèi)介質(zhì)流速來定熱輸入量。EWI研究所采用散熱能力測量的方法，通過測定800～500℃焊縫冷卻時間，50mm直徑區(qū)域從250℃降至100℃的時間，碳當量來預(yù)測熱輸入量。薛小龍通過研究得出RSF(剩余強度因子)與線能量的關(guān)系，根據(jù)這兩者的關(guān)系可以獲得各種壓力下允許在線焊接的最高線能量。熱輸入量的預(yù)測可以為避免燒穿或氫致開裂提供幫助，BMI研究所和EWI研究所提出的預(yù)測方法可確定最小熱輸入量以防止氫致開裂，薛小龍?zhí)岢龅念A(yù)測方法可確定最大熱輸入量以避免燒穿的發(fā)生。

對于熱輸入量的計算公式，PRCI在《管道維搶修手冊》(第6版)中推薦的熱輸入量計算式:

式中:H為熱輸入，kJ/mm;V為電壓，V;I為電流，A;S為焊接速度，mm/min。

國內(nèi)曹崇珍等人總結(jié)為:

式中:Hi為熱輸入量，J/mm;K為系數(shù)，角焊取值為0.57，對焊取值為0.85;V為焊接電壓，取平均值，V;I為焊接電流，取平均值，A;S為焊接速度，取平均值，mm/s。

國內(nèi)外對于熱輸入量的計算公式存在不同之處，把國外的公式進行量綱換算，結(jié)果表明K值為0.36，但是不同的焊接方法由于其工藝不同，所需要的熱輸入量應(yīng)有差異，因此國內(nèi)的熱輸入量計算公式更貼近實際。

2.4 焊后熱處理

對于低溫環(huán)境下的在線焊接，有必要對焊接接頭進行一定規(guī)范的熱處理，有利于氫擴散和降低殘余應(yīng)力，并且改善焊縫金屬熱影響區(qū)金相組織。

PRCI認為后熱溫度范圍是93～121℃，在氫致裂紋產(chǎn)生之前需要及時后熱。刁鳳東認為在低溫環(huán)境下進行管道室外焊接，焊口施焊完畢后，焊口加熱溫度通常為100℃［3］，薛振奎認為焊后后熱包括焊后及時熱處理(保溫溫度控制在150～250℃)和消氫處理(保溫溫度控制在300～400℃)。GB 50236-2011中規(guī)定當不能立即對鋼材進行焊后熱處理時，焊后應(yīng)立即對鋼材均勻加熱至200～350℃，并進行保溫緩冷。

GB 50236-2011中規(guī)定后熱時間應(yīng)根據(jù)后熱溫度和焊縫金屬的厚度確定，不應(yīng)小于30min［7］。SH 3501-2011規(guī)定常用鋼材焊接接頭熱處理基本要求，其中恒溫時間為2.4min/mm［5］。一般在低溫環(huán)境下，在線焊接完成后應(yīng)盡快對焊口進行后熱，后熱溫度多為200～350℃，保溫時間至少2h。

對于保溫設(shè)備的選用及撤除條件，刁鳳東認為焊口完成后需采用保溫被進行保溫，當焊縫的溫度降至環(huán)境溫度，移除保溫被。曾惠林針對冬季焊口的保溫開展過研究，認為焊接完成后應(yīng)利用耐高溫的保溫帶(被)包裹焊口，保溫帶(被)在使用之前應(yīng)烘干，待焊縫溫度降至10℃或以下時，才能撤除保溫帶(被)。由此可見國內(nèi)對于保溫設(shè)備的選用及撤除條件缺乏相關(guān)標準的規(guī)定，一般保溫設(shè)備選用保溫被，當焊縫溫度降至環(huán)境溫度，撤去保溫被。

3 建議

油氣管道在線焊接常見質(zhì)量問題主要是燒穿與氫致開裂，這些質(zhì)量問題的關(guān)鍵影響因素包括管道本體、焊前處理、焊接工藝以及焊后熱處理，分析了針對關(guān)鍵影響因素的國內(nèi)外技術(shù)指標及做法，基于這些因素，采取控制管內(nèi)介質(zhì)流速，改變預(yù)熱方式，合理控制預(yù)熱溫度、層間溫度以及熱輸入量，進行后熱和保溫等多種措施來避免在線焊接質(zhì)量問題的產(chǎn)生。但是，管道材質(zhì)和焊接方法的多樣性對在線焊接質(zhì)量問題的影響越發(fā)復雜，因此針對不同材質(zhì)管道、不同焊接方法的管道，在線焊接工藝研究很有必要。

［1］SY 6554-2011石油工業(yè)帶壓開孔作業(yè)安全規(guī)范［S］.

［2］SY/T 6150.1-2011鋼制管道封堵技術(shù)規(guī)程第1部分:塞式、筒式封堵［S］.

［3］刁鳳東，張福強，張春河，等.低溫環(huán)境下管道焊接產(chǎn)生冷裂紋的因素及控制措施［J］.焊接技術(shù)，2007，36(4):64-65.

［4］SY/T 4125-2013鋼制管道焊接規(guī)程［S］.

［5］SH 3501-2011石油化工有毒、可燃介質(zhì)鋼制管道工程施工及驗收規(guī)范［S］.

［6］曹崇珍，賈志方，時春成，等.在役管道不停輸焊接三通工藝試驗［J］.油氣儲運，2003，22(12):47-51.

［7］GB 50236-2011現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工規(guī)范［S］.

［8］陳娟，季峰，劉學彬，等.低溫環(huán)境下在役管道焊接氫致裂紋的控制措施［J］.油氣儲運，2014，33(12):1297-1300.

［9］曾惠林，蘇戩朋，黃福祥，等.西氣東輸二線冬季焊接施工技術(shù)［J］.電焊機，2009，39(5):59-63，69.

Online welding technology is widely used in the emergency maintenance of oil and gas pipeline，and the regular burningthrough and the hydrogen induced cracking often occur in the construction.The factors of affecting online welding quality of oil and gas pipeline are analyzed from 4 aspects of pipe body，pre-welding treatment，welding technology，post-welding heat treatment，it is put forward to ensure online welding quality of oil and gas pipeline by changing preheating method，reasonably controlling medium flow rate，preheating temperature，interlayer temperature and heat input quantity，and implementing post-heat and heat preservation，in order to improve the quality of online welding.

pipeline;on-line welding;burnthrough;hydrogen induced cracking

學敏

2015-06-22

劉立雄(1990-)，男，碩士研究生，主要從事油氣儲運方面的研究。