高鋼級(jí)管道焊接工藝技術(shù)關(guān)鍵問題探討

施昊彤，何金寶，任遠(yuǎn)，蒲靚春，郭亮，楊泉泓

（1. 國家管網(wǎng)集團(tuán)山東輸油有限公司，山東 日照 276800）

（2. 廊坊中油朗威工程項(xiàng)目管理有限公司，河北 廊坊 065000）

（3. 中油國際管道公司，北京 100029）

（4. 中國石油青海油田分公司管道處，青海 格爾木 816000）

（5. 國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司秦皇島輸油氣分公司，河北 秦皇島 066000）

1 管道焊接技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

長(zhǎng)輸管道發(fā)展趨勢(shì)是高鋼級(jí)、大口徑和高壓力，對(duì)焊接技術(shù)安全性、時(shí)效性和機(jī)械化提出相應(yīng)要求[1]。國外高鋼級(jí)、大口徑、高壓力管道廣泛采用熔化極氣保護(hù)自動(dòng)焊技術(shù)（GMAW），優(yōu)點(diǎn)是效率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定和流水機(jī)械化作業(yè)，已建成管道約50000km。20世紀(jì)70-80年代我國管道建設(shè)采用手工下向焊（SMAW），2001年西氣東輸二線建設(shè)引入自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊接技術(shù)（FCAW-S）。近年來西氣東輸三線、陜京四線、漠大原油管道二線和中俄東線采用自動(dòng)焊技術(shù)，我國采用自動(dòng)焊技術(shù)建成管道約4000km。在焊接效率、焊材標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)備研制及升級(jí)以及高強(qiáng)鋼自動(dòng)焊接技術(shù)方面與國外還存在較大差距。針對(duì)高鋼級(jí)管道應(yīng)用自動(dòng)焊工藝涉及焊接工藝、焊接材料以及焊接試驗(yàn)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行探討，旨在保障我國新建管道焊接質(zhì)量和在役管道安全運(yùn)行。

2 高強(qiáng)鋼管道焊接瓶頸問題

X80管線鋼在預(yù)防管材產(chǎn)生冷裂紋具有優(yōu)勢(shì)，但對(duì)環(huán)焊縫焊接提出更大挑戰(zhàn)，高鋼級(jí)鋼管制造過程添加多種合金元素，對(duì)焊接過程穩(wěn)定性、焊縫及熱影響區(qū)強(qiáng)度和韌性產(chǎn)生影響。特別是半自動(dòng)焊技術(shù)應(yīng)用在X80鋼級(jí)管道，焊縫和熱影響區(qū)是最薄弱區(qū)域，在西氣東輸三線管道、中貴線、中緬油氣管道多次發(fā)生熱影響區(qū)軟化情形。高強(qiáng)鋼焊接應(yīng)解決問題包括焊縫區(qū)軟化/脆化，焊縫區(qū)局部加速腐蝕和應(yīng)力開裂；焊縫和熱影響區(qū)在循環(huán)熱力作用下組織相變，冷卻時(shí)晶粒粗大，焊縫和熱影響區(qū)韌性降低；焊縫金屬夏比沖擊韌性離散等。

3 高強(qiáng)鋼管道焊接質(zhì)量影響因素

焊接熱輸入量是影響焊縫機(jī)械性能指標(biāo)的主要因素。較高熱輸入量增大焊縫和熱影響區(qū)區(qū)域尺寸，降低焊縫針狀鐵素體含量比例，加速奧氏體晶粒增長(zhǎng)。較低熱輸入量則利于形成穩(wěn)定奧氏體-馬氏體組織。研究表明如焊接線能量小于58kJ/cm，奧氏體組織晶粒尺寸明顯減?。辉谳^大線能量下，焊縫沖擊韌性分散性較強(qiáng)。

焊接中二次加熱作用可能導(dǎo)致熱影響區(qū)脆化，并影響焊縫和管材機(jī)械強(qiáng)度、韌性。以單道焊為例，熱影響區(qū)靠近熔合界線的奧氏體晶粒尺寸相比母材顯著增大、韌性顯著降低。針對(duì)焊縫粗晶區(qū)域，二次加熱作用下韌性顯著降低且產(chǎn)生局部脆化傾向；針對(duì)焊縫細(xì)晶區(qū)域，二次加熱作用下韌性基本保持不變；針對(duì)焊縫邊緣區(qū)域，二次加熱作用下相變?yōu)轳R氏體/奧氏體鏈條狀、大尺寸組織，韌性顯著降低。如減緩二次加熱作用對(duì)焊縫金屬?zèng)_擊韌性負(fù)面影響，一般做法是冶金工藝中降低鉻、鈮、釩用以穩(wěn)定鐵素體元素含量，適當(dāng)改變奧氏體相變溫度，以獲得較好韌性組織。焊接前預(yù)熱溫度影響冷卻速度和焊縫質(zhì)量穩(wěn)定性。研究表明，適度提高焊接前預(yù)熱溫度（預(yù)熱溫度至少達(dá)到150℃），粗晶區(qū)韌性臨界斷裂值相應(yīng)提高，在一定程度上提高焊縫抗應(yīng)力開裂能力。

4 高強(qiáng)鋼焊接熱影響區(qū)脆化機(jī)理分析

高強(qiáng)鋼在焊接熱力階躍循環(huán)聯(lián)合作用下，焊縫及熱影響區(qū)發(fā)生組織相變/轉(zhuǎn)變，粒晶發(fā)生粗化、再結(jié)晶、恢復(fù)等過程。該過程中如相變/轉(zhuǎn)變溫度超過母材冷卻過程的相變溫度，熱影響區(qū)將產(chǎn)生組織軟化現(xiàn)象。研究表明，采用較高焊接線能量值，熱影響區(qū)冷卻速度降低，粒晶粗化傾向性越高，組織強(qiáng)度軟化程度愈嚴(yán)重。以應(yīng)用于高烈度地震斷裂帶的抗大變形高強(qiáng)管線鋼管為例，如相變溫度位于高溫回火區(qū)（600-700℃）范圍區(qū)間，熱影響區(qū)產(chǎn)生局部軟化區(qū)。

高強(qiáng)鋼焊接中熱影響區(qū)脆化有兩種形式，分別為粗晶區(qū)域脆化和臨界粗晶區(qū)域脆化。其中前者作用機(jī)理是粒晶變粗及生成脆硬性薄弱組織。后者主要發(fā)生于大壁厚管道和實(shí)施雙焊道/多焊道的情形下，統(tǒng)計(jì)表明，臨界粗晶區(qū)域脆化可導(dǎo)致焊縫韌性性能降低約65%。可行措施是焊縫進(jìn)行部分回火工藝處理，或者在冶金工藝中增加氧、錳元素比例。

分析西氣東輸二線管道泄漏事故原因，失效環(huán)焊縫焊接類型是采用半自動(dòng)工藝，經(jīng)認(rèn)定失效機(jī)理是焊縫存在裂紋缺陷，受到持續(xù)外力作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，微裂紋逐步擴(kuò)展為穿透性裂紋，造成焊縫區(qū)泄漏失效。顯微鏡晶相觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋擴(kuò)展區(qū)晶粒組織尺寸異常增大，測(cè)量深度約100μm，不能起到延遲微裂紋擴(kuò)展作用。焊縫區(qū)晶粒粗大原因考慮為采用半自動(dòng)焊接工藝，不能實(shí)施精準(zhǔn)控制焊接熱輸入關(guān)鍵參數(shù)所致。

5 高強(qiáng)鋼不同類型焊接試驗(yàn)分析

考慮高強(qiáng)鋼管道采用半自動(dòng)焊工藝熱輸入量不能精準(zhǔn)穩(wěn)定控制，造成焊縫裂紋擴(kuò)展以及沖擊韌性離散。針對(duì)半自動(dòng)焊工藝與焊縫沖擊韌性降低離散的關(guān)聯(lián)關(guān)系，還需進(jìn)一步深入研究。焊縫沖擊韌性離散性即與管材冶金工藝、化學(xué)元素比例、藥芯焊絲制造質(zhì)量及穩(wěn)定性有關(guān)，也受到現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境溫度/濕度條件制約影響。為進(jìn)一步比選不同焊接工藝的優(yōu)劣，分別選定X80直縫埋弧焊鋼管和螺旋埋弧焊鋼管，進(jìn)行不同類型焊接試驗(yàn)。

（1）螺旋埋弧焊鋼管焊接工藝評(píng)定結(jié)論：全自動(dòng)焊焊縫通過驗(yàn)收；半自動(dòng)焊焊縫未通過驗(yàn)收；部分手工焊焊縫未通過驗(yàn)收。

（2）直縫埋弧焊鋼管工藝評(píng)定結(jié)論：全自動(dòng)焊焊縫通過驗(yàn)收；手工焊焊縫通過驗(yàn)收；部分半自動(dòng)焊焊縫沖擊韌性未通過驗(yàn)收（集中在V型坡口焊縫不滿足規(guī)范要求）。

通過比選X80高鋼級(jí)管道焊接技術(shù)，自動(dòng)焊可保證焊接過程工藝參數(shù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確控制，焊接熱輸入量嚴(yán)格限制在焊接規(guī)范范圍內(nèi)，既保證環(huán)焊縫機(jī)械性能滿足規(guī)范要求，焊縫及熱影響區(qū)沖擊韌性也不會(huì)產(chǎn)生離散現(xiàn)象。手工焊通過優(yōu)選焊絲，可保證焊縫機(jī)械性能滿足規(guī)范要求。半自動(dòng)焊焊縫韌性不合格離散性大，不能通過焊工技能培訓(xùn)和焊材選型實(shí)施改進(jìn)。

6 在役高強(qiáng)鋼管道自動(dòng)焊試驗(yàn)及應(yīng)用

為進(jìn)一步驗(yàn)證自動(dòng)焊工藝對(duì)于在役高強(qiáng)鋼管道搶修施工的適用性，以天然氣管道采用自動(dòng)焊技術(shù)實(shí)施B型套筒修復(fù)搶修，試驗(yàn)條件為X80鋼級(jí)、管徑1016mm、壁厚16mm，B型修復(fù)套筒（材質(zhì)Q345R、壁厚75mm），模擬密閉管道內(nèi)充滿循環(huán)流動(dòng)水，環(huán)境溫度10°，焊接前預(yù)熱采用火焰加熱至100℃。見圖1。焊接工藝評(píng)定執(zhí)行GB/T 31032-2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》，焊縫機(jī)械性能通過驗(yàn)收。

圖1 在役高強(qiáng)鋼管道自動(dòng)焊試驗(yàn)示意圖

在某輸氣管道采用自動(dòng)焊技術(shù)實(shí)施B型套筒修復(fù)搶修作業(yè)，管材X80、管徑1016mm、主管道壁厚12.8mm，B型修復(fù)套筒（材質(zhì)Q345R、壁厚35mm）。焊接過程中由于主管道存在較大變形，焊縫組對(duì)間隙差異較大，在1-10mm不等，實(shí)際自動(dòng)焊工藝在焊接效率、時(shí)間方面與手工焊基本一致，但在焊縫外觀及質(zhì)量?jī)?yōu)于手工焊，焊縫性能滿足GB/T 31032要求。

7 結(jié)束語

高強(qiáng)鋼管道應(yīng)用半自動(dòng)焊工藝存在焊縫金屬?zèng)_擊韌性值不合格和離散，無法通過焊工技能培訓(xùn)和焊材選型實(shí)施改進(jìn)，二者關(guān)系還處于研究階段。自動(dòng)焊技術(shù)精準(zhǔn)控制焊接熱輸入量，焊縫機(jī)械性能良好，抗冷裂紋和應(yīng)力集中開裂性能良好，有效避免焊縫金屬?zèng)_擊韌性離散缺陷。天然氣管道自動(dòng)焊焊接B型套筒已成功進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，焊縫質(zhì)量滿足規(guī)范要求，證明長(zhǎng)輸管道采用自動(dòng)焊工藝是可行的。隨著長(zhǎng)輸管道高鋼級(jí)、大口徑、高壓力的發(fā)展方向，自動(dòng)控制技術(shù)、電弧跟蹤技術(shù)進(jìn)步，全自動(dòng)焊接技術(shù)將成為我國長(zhǎng)輸管道建設(shè)的主要施工方法。