長輸天然氣管道焊接裂紋成因及控制措施

唐 強 王 濤 喻美軍 蘭曾強 王付海

（1.中石化中原建設(shè)工程有限公司 河南 濮陽 457001；2.中石化中原油建工程有限公司 河南 濮陽 457001）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，天然氣的開發(fā)規(guī)模不斷擴大，并通過長輸天然氣管道被送到了千家萬戶，大大提高了人們的生活水平和生活質(zhì)量。更嚴(yán)重的便是危及居民的生命安全，所以為了保證長輸天然氣管道的正常運行，管道焊接質(zhì)量是尤為重要的一環(huán)，尤其是不能出現(xiàn)裂紋類缺陷。

1 長輸天然氣管道焊接裂紋常見類型

目前，我國天然氣運輸管道主要是鋼管，有熱軋無縫鋼管、螺旋縫鋼管以及直縫鋼管之分，其中屬螺旋縫埋弧焊鋼管使用居多，廣泛的應(yīng)用于我國天然氣工業(yè)。長輸天然氣管道選材的安全性極為重要，在施工過程其質(zhì)量的保證是必須重視的一大問題。長輸天然氣管道的焊接質(zhì)量直接關(guān)系到天然氣運輸?shù)陌踩裕烊粴忾L輸管道在焊接的過程中很容易由于焊接技術(shù)不到位或在使用的過程中遭遇不同的環(huán)境而產(chǎn)生裂紋。還是韌性亦或者抗腐蝕性都很低，再加上焊接施工過程中組對不精細(xì)、焊接工藝欠佳等原因，使得焊口質(zhì)量難以到達(dá)到理想的標(biāo)準(zhǔn)，不能充分發(fā)揮其應(yīng)有的價值。結(jié)晶裂紋只存在于焊縫中多呈縱向或弧形分布在焊縫中心及兩側(cè)其主要產(chǎn)生原因是由于焊縫凝固時的先后時間順序及組織成分不同，管道焊接施工人員應(yīng)積極采取有效措施，提高管道焊接質(zhì)量，防范管道裂紋的出現(xiàn)，提高天然氣傳輸、使用過程的安全性與穩(wěn)定性。

2 長輸天然氣管道焊接裂紋的影響因素

鑒于長輸天然氣管道安裝過程中焊接質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到天然氣的運輸安全和使用安全，因此，施工人員在焊接之前，應(yīng)做好充分的準(zhǔn)備工作。焊接裂紋不僅會產(chǎn)生于焊接過程中，而且還會在焊后的再次加熱中出現(xiàn)。焊接裂紋根據(jù)其尺寸、部位、機能和形成原因的不同，會有不同的分類方法。

2.1 冷裂紋

裂紋是焊接中危害性最大的一種缺陷由于其均有延伸性在焊道存在內(nèi)應(yīng)力的情況下裂紋會一直延伸擴展直至焊道破壞為止，因此在長輸管道的施工中裂紋缺陷是不允許存在的通常也不允許返修必須割口重焊,長輸天然氣管道安裝過程中，管道焊縫的焊接并非在任何環(huán)境條件下都能進(jìn)行的，具體說來，在施工現(xiàn)場出現(xiàn)某些情況時，焊接人員應(yīng)停止管道焊縫的焊接工作。其焊接接頭存在淬硬組織使其性能脆化、擴散時氫含量較高使的接頭性能脆化、焊接缺陷處形成大量聚集的氫分子造成非常大的局部壓力，這些都是長輸天然氣管道產(chǎn)生冷裂紋的原因。

2.2 熱裂紋

熱裂紋的產(chǎn)生原因主要是由于高溫環(huán)境導(dǎo)致焊縫處的熔池在結(jié)晶的過程中出現(xiàn)偏析，結(jié)晶被拉開，進(jìn)而形成裂紋。焊接熔池在結(jié)晶過程中本身就存在偏析現(xiàn)象，當(dāng)焊接應(yīng)力足夠大時，就會因為結(jié)晶被拉開，形成裂紋。此外，如果鋼材中摻有雜質(zhì)，也會造成在拉應(yīng)力的作用下形成裂紋的現(xiàn)象。其危害性更大焊接過程中溶于焊縫金屬內(nèi)的氫向熱影響區(qū)擴散偏聚，特別在容易啟裂的三軸拉應(yīng)力集中區(qū)富集，引起氫脆，即降低金屬在啟裂位置（或裂紋前端）的臨界應(yīng)力，當(dāng)此處的局部應(yīng)力超過此臨界應(yīng)力時，在垂直于厚度方向的焊接應(yīng)力作用下，該夾雜處首選開裂并擴展，夾雜物會影響氫從鋼中的析出，使層狀撕裂傾向加劇要控制這種缺陷，因為鋼板的內(nèi)部存在有分層的夾雜物，所以在焊接時產(chǎn)生了垂直于軋制方向的應(yīng)力，致使在熱影響區(qū)或稍遠(yuǎn)的地方，形成呈階梯狀的一種裂紋。

3 天然氣長輸管道焊接裂紋防范對策

3.1 焊條的選用及處理

從目前國際上焊接管道的趨勢上看，有的國家焊接打底焊道時采用纖維素型焊條，焊接其他焊道及蓋面焊道時采用堿性焊條 實踐證明，采用這種方案可使焊接，接頭質(zhì)量進(jìn)一步提高焊條中的水分是焊縫中混進(jìn)氫的主要因素，只有嚴(yán)格依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，做好焊前一系列準(zhǔn)備工作，才能提高管道焊接質(zhì)量，大大降低焊接裂紋的產(chǎn)生率。通過實踐證明，焊接打底焊道時采用纖維素型焊條，焊接其他焊道及蓋面焊道時采用堿性焊條，可使焊接接頭質(zhì)量進(jìn)一步提高，減少焊縫中氫的混入。對于鋼管的凈化工作主要是將焊接處鋼管內(nèi)部表面的水分、淤泥、鐵銹以及油污熔渣等雜質(zhì)清除干凈，清除的范圍為焊接處50mm范圍內(nèi)。適當(dāng)?shù)膶A性低氫型焊條的烘干溫度提高，可以有效減少焊縫中氫的含量，進(jìn)而降低長輸管道的裂紋率。管道焊縫焊接工作完成后，還需要進(jìn)行射線探傷。施工單位在開展射線探傷工作時，主要是以《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測》（SY/T4109-2013）和《金屬熔化焊焊接接頭射線照相》（GB/T3323-2005）為標(biāo)準(zhǔn)的。每次使用時，從焊條筒中取出兩根焊條，如果這兩根焊條在兩小時內(nèi)未用完，還要重復(fù)上述烘干工作，但焊條的烘干不能超過兩次。

3.2 選用合理的焊接順序

在焊接工藝規(guī)程規(guī)定的范圍內(nèi)應(yīng)選擇“較大焊接線能量”（規(guī)定范圍內(nèi)的擴大能量并非無限制的增大）來減慢焊縫的冷卻速度，利于氫的擴散。選用合理的焊接順序在一定程度上可以減少焊接應(yīng)力，避免焊接變形，從而大大減少管道裂紋現(xiàn)象的出現(xiàn)。對口間隙的大小直接影響到根焊內(nèi)部成型焊接效率以及焊接材料的消耗等對口間隙過小，必然造成填充金屬不易穿透和背部成型不良，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中，選用正確的焊接順序能夠有效的避免焊接處變形，減少焊接應(yīng)力，進(jìn)而降低長輸管道焊接處發(fā)生裂縫的情況。管道下向焊比較適合的焊接方式是流水作業(yè)式，通常由兩名技術(shù)人員同時進(jìn)行操作，焊接順序為由管道的上焊口向下施焊，另外還要做好焊接前的準(zhǔn)備工作，包括管材材質(zhì)分析與檢驗接頭選型與組對施焊處的清理和預(yù)熱等，均應(yīng)按目前國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范進(jìn)行。采用這種焊接順序?qū)艿朗┖笗r，應(yīng)妥善處理好焊口上下部位的連接問題。一旦管道的直徑超過了711毫米，那么同一焊道就需要三名焊接工人同時施工，焊接順序既要滿足焊接對稱性的要求，焊接的順序既要滿足對稱性，也要滿足平衡性。在施焊時要控制好電流，防止出現(xiàn)電流過大的情況。此外在焊接最后一層鋼管時一定要注意對焊縫余高的控制，要使焊縫達(dá)到足夠飽滿。

3.3 其他控制措施

管道焊縫焊接工作完成后，還需要進(jìn)行射線探傷。施工單位在開展射線探傷工作時，主要是以 《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測》（SY/T4109-2013）和《金屬熔化焊焊接接頭射線照相》（GB/T3323-2005）為標(biāo)準(zhǔn)的宜采用連續(xù)焊焊接每條焊縫,不得隨意中斷,如因故中斷時,應(yīng)根據(jù)工藝要求采用預(yù)熱措施,以防止產(chǎn)生裂紋再進(jìn)行焊接前,確認(rèn)無裂紋后方可按原工藝要求繼續(xù)施焊，因此，為了保證管道安裝質(zhì)量，應(yīng)對焊縫接頭進(jìn)行焊前預(yù)熱。焊前預(yù)熱是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，必須引起焊工的高度重視。預(yù)熱時，首先將預(yù)熱的火焰對準(zhǔn)坡口的中心。預(yù)熱過程中，火焰不宜過大，當(dāng)預(yù)熱達(dá)到規(guī)定的溫度后方可開始正式的焊接工作。焊縫同一部位的焊補次數(shù)不宜超過兩次,如超過,焊補前應(yīng)經(jīng)單位技術(shù)總負(fù)責(zé)人批準(zhǔn),并采取可靠的技術(shù)措施。

4 結(jié)束語

隨著我國天然氣管道的建設(shè)的壯大，廣大人民群眾對于天然氣需求的補給更盛，對天然氣輸送管道施工和建設(shè)將會面臨更大的挑戰(zhàn)，由于管道施工環(huán)境的復(fù)雜，裂紋作為一種最嚴(yán)重的缺陷，要想完全避免其產(chǎn)生，還需要進(jìn)一步的努力，尤其要提高施焊人員的操作技能和責(zé)任心。從而確保天然氣運輸以及使用的安全。

［1］檀才保.長輸天然氣管道焊接裂紋分析與控制[J].廣西輕工業(yè)，2011（6）.

［2］劉成玉.長偷管道焊接方法的選擇與應(yīng)用[J].電焊機，2012（03）.

［3］楊冬.天然氣長輸管道焊接裂紋及防范對策研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)2013（12）.?