高鋼級油氣管道環(huán)焊縫接頭性能及質(zhì)量控制*

何小東，高 琦，李為衛(wèi)，池 強(qiáng)，高雄雄

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院, 石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077；2.中國石油西部管道公司 新疆 烏魯木齊 830013)

0 引 言

以西氣東輸二線為標(biāo)志，近20年來中國的長輸管道取得了長足的發(fā)展，自主研發(fā)了X70、X80鋼級大口徑管線鋼管，并大規(guī)模成功應(yīng)用于西氣東輸、中亞、中緬和中俄等重大管道工程。

眾所周知，長輸油氣輸送管道常穿越沙漠、平原、水域、山地等復(fù)雜地域和人口密集的城鎮(zhèn)，其安全可靠運(yùn)行對于社會(huì)和自然環(huán)境具有重要意義，一旦發(fā)生失效將導(dǎo)致災(zāi)難性事故。而焊接是當(dāng)今油氣長輸管道連接的唯一方式，環(huán)焊縫接頭性能和焊接質(zhì)量對管道本質(zhì)安全具有決定性作用。近年來，國內(nèi)外長輸管道失效事故大部分表現(xiàn)為環(huán)焊縫斷裂[1-3]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅2011年至2019年國內(nèi)至少發(fā)生了15起新建管道的環(huán)焊縫失效，失效原因與環(huán)焊縫接頭力學(xué)性能和焊接缺陷有關(guān)，而且有的管道連續(xù)兩年在同一地段發(fā)生環(huán)焊縫斷裂并造成重大損失。因此，管道環(huán)焊縫失效引起了公眾的廣泛關(guān)注，環(huán)焊縫接頭性能和焊接質(zhì)量控制的重要性日益突出。

本文介紹了環(huán)焊縫接頭特點(diǎn)及其重要性，分析了兩種常用焊接工藝的管道環(huán)焊縫接頭性能，最后著重強(qiáng)調(diào)了環(huán)焊縫焊接質(zhì)量控制關(guān)注的問題。

1 管道環(huán)焊縫特點(diǎn)及重要性

圖1為管道環(huán)焊縫焊接熱循環(huán)及焊接接頭非均勻性對管道本質(zhì)安全的影響示意圖。在焊接熱源作用下，填充材料熔化形成焊縫，焊縫附近的母材局部熔化，并在不同位置經(jīng)歷不同的焊接熱循環(huán)形成了熱影響區(qū)。焊接接頭的化學(xué)成分、微觀組織、力學(xué)性能和耐蝕性能都與母材有較大差異，焊接操作引起的焊接缺陷和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(如不等壁厚焊接)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不連續(xù)。因此，油氣輸送管道環(huán)焊縫接頭是典型的非均勻結(jié)構(gòu)。

環(huán)焊縫斷裂是油氣輸送管道主要失效模式之一。圖2是近年來國內(nèi)外管道環(huán)焊縫失效典型案例。由此可見，非均勻結(jié)構(gòu)的環(huán)焊縫接頭性能及其質(zhì)量控制對管道安全運(yùn)行起著至關(guān)重要作用。

圖1 焊接熱循環(huán)及焊接接頭非均勻性對管道本質(zhì)安全的影響

圖2 近年來國內(nèi)外管道環(huán)焊縫失效典型案例

2 環(huán)焊縫接頭組織性能及質(zhì)量控制關(guān)注的問題

2.1 FCAW-S和GMAW環(huán)焊縫接頭性能

長輸油氣管道常用的焊接方法主要有藥皮焊條電弧焊、手工鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)半自動(dòng)焊、自保護(hù)藥芯焊絲電弧焊、熔化極活性氣體保護(hù)自動(dòng)焊、自動(dòng)埋弧焊和閃光對焊，但環(huán)焊縫填充、蓋面最主要的焊接方法是自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊接(Self-shielded Flux-cored Arc Welding, FCAW-S)和熔化極氣體保護(hù)焊接(Gas Metal Arc Welding, GMAW)。下面分別介紹X80管道采用這兩種焊接方法的環(huán)焊縫接頭組織及關(guān)鍵性能。

2.1.1 FCAW-S環(huán)焊縫接頭組織及性能

FCAW-S所焊接管道的外徑為1 219 mm，壁厚為18.4 mm和22.0 mm，鋼級為X80，有兩種鋼管類型，即直縫埋弧焊接鋼管和螺旋縫埋弧焊接鋼管，其化學(xué)成分見表1。從表1可以看出，雖然所添加的合金元素略有差別，但不管哪種鋼管類型的裂紋敏感指數(shù)均小于0.2%，因此，這兩種類型的鋼管裂紋敏感性較小，具有較好的焊接性。表2為管道現(xiàn)場焊接所采用的焊接工藝，管道環(huán)焊縫焊接根焊采用GMAW內(nèi)焊，熱焊、填充和蓋面均采用自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊接。

對現(xiàn)場抽取的24個(gè)FCAW-S環(huán)焊縫接頭截取試樣進(jìn)行性能試驗(yàn)，圖3為接頭抗拉強(qiáng)度分布情況。從圖3可以看出，在96個(gè)焊接拉伸試樣中，除2個(gè)試樣外，其它環(huán)焊縫接頭試樣的抗拉強(qiáng)度大于X80鋼管最小抗拉強(qiáng)度625 MPa的要求。通過觀察拉伸試樣斷口位置，低于625 MPa的2個(gè)試樣斷裂位置均在母材上。也就是說，低于標(biāo)準(zhǔn)要求625 MPa的焊接接頭其焊縫的抗拉強(qiáng)度高于管體實(shí)際的抗拉強(qiáng)度。雖然另有4個(gè)試樣斷于焊縫，但其抗拉強(qiáng)度分別為705、707、746、742 MPa，均大于標(biāo)準(zhǔn)要求的625 MPa。

表1 外徑1 219 mm X80鋼管化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 X80管道FCAW-S焊接工藝

圖4為FCAW-S焊縫和熱影響區(qū)在-10 ℃時(shí)的夏比沖擊吸收能量。西氣東輸二線環(huán)焊縫焊接驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求環(huán)焊縫接頭焊縫和熱影響區(qū)的夏比沖擊吸收能量單個(gè)值不小于60 J，平均值不小于80 J。從圖4(a)、圖4(b)可以看到， FCAW-S環(huán)焊縫夏比沖擊吸收能量有相當(dāng)一部分低于標(biāo)準(zhǔn)要求，但熱影響區(qū)的夏比沖擊吸收能量只有極少數(shù)低于標(biāo)準(zhǔn)要求值。圖4(c)表明，F(xiàn)CAW-S環(huán)焊縫的夏比沖擊吸收能量離散程度比熱影響區(qū)的離散程度小。一般地，油氣管道環(huán)焊接頭HAZ的沖擊試樣位于壁厚中心，缺口位置為焊縫金屬和熱影響區(qū)母材金屬各占50%。因此，焊縫金屬韌性對熱影響區(qū)的夏比沖擊吸收能量值有很大的影響，從而導(dǎo)致極少數(shù)FCAW-S的熱影響區(qū)夏比沖擊吸收能量低于標(biāo)準(zhǔn)要求，而且較為分散。

圖3 FCAW-S環(huán)焊縫接頭抗拉強(qiáng)度分布

圖4 FCAW-S焊縫和熱影響區(qū)的夏比沖擊吸收能量及分布

管道焊接屬于全位置焊接，在管道頂部(12點(diǎn))或底部(6點(diǎn))位置附近操作困難，如果工藝控制不嚴(yán)格或焊工操作不當(dāng)，F(xiàn)CAW-S容易產(chǎn)生較多的焊接缺陷，主要是夾渣、未熔合、氣孔等缺陷[4]。圖5為FCAW-S環(huán)焊縫典型缺陷。這些焊接缺陷不僅會(huì)影響焊縫的沖擊韌性，而且降低了焊接接頭的承載能力，導(dǎo)致管道環(huán)焊縫失效事故增加。

圖5 FCAW-S環(huán)焊縫典型焊接缺陷

2.1.2 GMAW環(huán)焊縫接頭組織及性能

近年來，隨著管道建設(shè)用管線鋼管強(qiáng)度等級的不斷提高，以及管道建設(shè)長度、管徑和壁厚的不斷增大，為了提高環(huán)焊縫焊接質(zhì)量和效率，管道建設(shè)越來越多地使用熔化極氣保護(hù)自動(dòng)焊技術(shù)(GMAW-Auto)[5]。

以外徑為1 422 mm，壁厚為21.4 mm和25.7 mm，X80鋼級天然氣管道為例。管道采用兩種類型鋼管，即直縫埋弧焊接鋼管和螺旋縫埋弧焊接鋼管，其化學(xué)成分見表3。管道環(huán)焊縫的根焊(內(nèi)焊)、熱焊、填充和蓋面均采用熔化極氣體保護(hù)自動(dòng)焊接(GMAW-Auto)，焊接工藝見表4。

表3 外徑1 422 mm X80鋼管化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表4 X80管道GMAW焊接工藝

圖6為GMAW環(huán)焊縫接頭抗拉強(qiáng)度。從圖6可以看出，X80 管道采用GMAW工藝，匹配ER80S-G焊絲進(jìn)行環(huán)焊縫焊接，其環(huán)焊縫接頭拉伸強(qiáng)度均高于625 MPa，且斷于母材，說明GMAW環(huán)焊縫接頭的抗拉強(qiáng)度高于管體縱向強(qiáng)度。

圖6 GMAW環(huán)焊縫接頭抗拉強(qiáng)度

圖7是不同焊接位置焊縫和熔合線(HAZ)夏比沖擊吸收能量分布。圖7表明，GMAW環(huán)焊縫接頭焊縫和熱影響區(qū)的夏比沖擊吸收能量的單個(gè)最小值和平均值均高于中俄東線管道環(huán)焊縫驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求，即單個(gè)值≥38 J，平均值≥50 J。即使按照西氣東輸二線管道工程環(huán)焊縫夏比沖擊吸收能量單個(gè)值和平均值分別不低于60 J、80 J要求，GMAW環(huán)焊縫接頭的韌性也滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，從圖7(b)也可看出，GMAW環(huán)焊縫的沖擊值分布相對集中，而熔合線處的沖擊值相對分散，但高于焊縫的沖擊值。圖8為GMAW環(huán)焊縫和熔合線處系列溫度下的夏比沖擊吸收能量。從圖8可以得到，GMAW環(huán)焊縫在-40 ℃最小吸收能量為107 J，熔合線最小吸收能量為128 J。因此，GMAW環(huán)焊縫和熔合線具有較高的低溫韌性。

GMAW環(huán)焊縫接頭的力學(xué)性能與焊接質(zhì)量密切相關(guān)。圖9為無缺陷GMAW焊接接頭組織、典型形貌。在工藝參數(shù)合理并嚴(yán)格執(zhí)行時(shí)，GMAW焊道與焊道、焊縫與母材熔合良好。但是，在特殊位置(如仰焊)、焊接工藝不當(dāng)或坡口尺寸不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，GMAW自動(dòng)焊接也會(huì)產(chǎn)生氣孔、未熔合、裂紋等典型焊接缺陷，如圖10。

圖7 GMAW環(huán)焊縫接頭夏比沖擊吸收能量及分布

圖8 GMAW環(huán)焊縫接頭焊縫和HAZ系列溫度的沖擊韌性

圖9 GMAW環(huán)焊縫接頭組織形貌

圖10 GMAW環(huán)焊縫接頭典型焊接缺陷形貌

2.2 環(huán)焊縫質(zhì)量控制需關(guān)注的問題

如前文所述，無論采用FCAW-S還是采用GMAW焊接工藝均有可能產(chǎn)生焊接缺陷，從而影響環(huán)焊縫接頭的性能，需要加強(qiáng)環(huán)焊縫質(zhì)量控制。

國內(nèi)油氣管道環(huán)焊縫焊接質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)有以下四個(gè)層級：第一個(gè)層級是國家管道系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，如GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》；第二個(gè)層級是國家或行業(yè)管道焊接標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 31032—2014《鋼質(zhì)管道焊接驗(yàn)收》；第三個(gè)層級是企業(yè)管道焊接標(biāo)準(zhǔn)，如中油管道標(biāo)準(zhǔn)CDP-G-OGP-OP-081.01—2016-1《油氣管道工程技術(shù)規(guī)定-第1部分 線路焊接》；第四個(gè)層級是針對某個(gè)管道項(xiàng)目的焊接標(biāo)準(zhǔn)，如Q/SY GD 0503.12—2016 《中俄東線天然氣管道工程技術(shù)規(guī)范 第12部分：線路焊接》。

中國管道焊接的國家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要參考或等效采用美國的ASME或API標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合具體項(xiàng)目工程特點(diǎn)，制定了更合適的焊接和施工技術(shù)要求，其總體技術(shù)水平不低于國外標(biāo)準(zhǔn)。因此，管道環(huán)焊縫質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)體系是健全的。但是，焊接工藝評定時(shí)，在管材成分變化、不等壁厚、最小焊接道數(shù)、特殊焊接位置沖擊試驗(yàn)、工藝參數(shù)等方面需要進(jìn)一步完善、優(yōu)化，以適應(yīng)現(xiàn)場焊接質(zhì)量控制需要；另一方面，在現(xiàn)場施工時(shí)需要嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，以提升管道環(huán)焊縫焊接質(zhì)量。

油氣管道環(huán)焊縫焊接質(zhì)量控制需要關(guān)注以下方面。

首先，環(huán)焊縫接頭強(qiáng)度設(shè)計(jì)方面應(yīng)盡可能采用等強(qiáng)或過強(qiáng)匹配接頭設(shè)計(jì)。環(huán)焊縫接頭采用等強(qiáng)或過強(qiáng)匹配，不僅可以允許較大的焊接缺陷容限，而且可以避免焊縫及HAZ應(yīng)變集中導(dǎo)致環(huán)焊縫斷裂。圖11所示是等強(qiáng)匹配GMAW環(huán)焊縫接頭帶缺陷DIC拉伸試驗(yàn)。結(jié)果表明，X80管道環(huán)焊縫采用GMAW焊接并匹配ER80S-G焊絲，焊接接頭在拉伸載荷下，雖然焊縫處缺陷處先產(chǎn)生應(yīng)變集中，但是隨著載荷增加，最大變形在母材上并斷于母材。需要特別強(qiáng)調(diào)的是管道環(huán)焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)是相對于管體縱向的強(qiáng)度，而不是管體橫向強(qiáng)度。

圖11 等強(qiáng)匹配GMAW環(huán)焊縫接頭帶缺陷DIC拉伸試驗(yàn)

其次，焊接工藝評定方面。焊接工藝評定不僅只對相同成分、同一種管型的鋼管進(jìn)行，更應(yīng)關(guān)注不同化學(xué)成分、不同管型、不同壁厚和不同強(qiáng)度等級之間組對的焊接工藝評定，比如：直縫埋弧焊接鋼管-螺旋縫埋弧焊接鋼管、直縫/螺旋埋弧焊接鋼管-彎管/管件、不等壁厚和不同強(qiáng)度等級鋼管組對焊接的工藝評定。另外，當(dāng)壁厚大于12.7 mm時(shí)，側(cè)彎試驗(yàn)?zāi)芊裢耆从澈附咏宇^工藝性能？是否應(yīng)增加背彎試驗(yàn)？壁厚較大時(shí)(比如壁厚大于18.4 mm)，在管體壁厚中心截取焊縫和熔合區(qū)沖擊試樣的試驗(yàn)結(jié)果不能反映根部的韌性，是否考慮增加根部焊縫和熔合區(qū)沖擊試驗(yàn)？這些因素在焊接工藝評定時(shí)都應(yīng)考慮。

最后，現(xiàn)場焊接施工及質(zhì)量管理方面?，F(xiàn)場焊接施工前應(yīng)做好技術(shù)交底，從設(shè)計(jì)、業(yè)主代表、監(jiān)理、施工承包商管理者和焊接操作者，應(yīng)熟悉焊接接頭的缺陷、拉伸強(qiáng)度、韌性、硬度等各項(xiàng)性能指標(biāo)要求；嚴(yán)格執(zhí)行焊接材料存儲(chǔ)和使用管理規(guī)定；改善現(xiàn)場焊接施工條件，嚴(yán)格監(jiān)控環(huán)境溫度和濕度；提升焊接操作者操作技能和責(zé)任意識；以保證焊接質(zhì)量為前提，合理控制費(fèi)用和工期(質(zhì)量控制、費(fèi)用控制、進(jìn)度控制，即“三控”)。

總之，油氣管道環(huán)焊縫焊接為現(xiàn)場野外作業(yè)，具有其特殊性，焊接質(zhì)量控制難度更大，需要各相關(guān)方高度重視管道環(huán)焊縫焊接質(zhì)量，從各個(gè)環(huán)節(jié)加強(qiáng)控制，才能最終提升環(huán)焊縫質(zhì)量，從而保證油氣管道的本質(zhì)安全。

3 結(jié) 論

1)焊接是油氣輸送管道唯一的連接方式，環(huán)焊縫斷裂也是管道失效的主要模式，環(huán)焊接頭的性能和質(zhì)量直接關(guān)系到管道的本質(zhì)安全。

2)對于國內(nèi)典型化學(xué)成分的X80管線鋼管，無論采用FCAW-S還是GMAW方法并匹配相應(yīng)級別焊絲進(jìn)行環(huán)焊縫焊接，其接頭的抗拉強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3)對于FCAW-S 和GMAW環(huán)焊縫接頭，其熱影響區(qū)韌性分散性大于焊縫。但是FCAW-S環(huán)焊接頭焊縫沖擊吸收能量容易出現(xiàn)低值而導(dǎo)致不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；而對于GMAW環(huán)焊接頭，焊縫和熱影響區(qū)具有較好的沖擊韌性。

4)油氣管道環(huán)焊縫質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)基本健全。為了進(jìn)一步提升環(huán)焊縫接頭性能和質(zhì)量，以保證管道運(yùn)行安全，需要重點(diǎn)關(guān)注材料焊接性、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、焊接工藝評定、現(xiàn)場施工焊接質(zhì)量控制等。