長輸天然氣管道焊接裂紋成因及控制措施研究

陳強(qiáng)，孫洪葉，楊鎖軍，鄭云堂

(河北華北石油工程建設(shè)有限公司培訓(xùn)鑒定中心，河北任丘062552)

長輸天然氣管道焊接裂紋成因及控制措施研究

陳強(qiáng)，孫洪葉，楊鎖軍，鄭云堂

(河北華北石油工程建設(shè)有限公司培訓(xùn)鑒定中心，河北任丘062552)

天然氣作為自然界中的氣體，已經(jīng)得到開發(fā)與利用，成為一種關(guān)鍵性的能源。近年來，隨著能源的供應(yīng)緊張以及能源使用需求的增加，天然氣管道的建設(shè)已經(jīng)在緊鑼密鼓的進(jìn)行中，但為了滿足天然氣管道的遠(yuǎn)距離能源傳輸需求，管道焊接裂紋的工藝優(yōu)化顯得十分必要。結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，找出長輸天然氣管道焊接裂紋產(chǎn)生的成因，并針對(duì)性地提出控制措施，優(yōu)化長輸天然氣管道焊接裂紋工藝，為天然氣能源的開發(fā)與利用提供保障。

長輸天然氣管道；焊接裂紋；成因；控制措施

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.088

1 引言

煤、石油與天然氣并稱為3種化石燃料，而天然氣在環(huán)保方面具有先天性的優(yōu)勢，無污染、綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等標(biāo)簽使得天然氣的價(jià)值得到直觀呈現(xiàn)。在現(xiàn)階段生態(tài)社會(huì)發(fā)展的前提下，天然氣顯然已經(jīng)成為重要的能源。例如我國的重點(diǎn)工程“西氣東輸”，依賴于長輸天然氣管道完成天然氣輸送，這就對(duì)焊接裂縫技術(shù)提出較高要求[1]。

2 長輸天然氣管道焊接裂紋成因

長輸天然氣管道焊接裂紋的產(chǎn)生，制約著整個(gè)運(yùn)輸管道的質(zhì)量，還會(huì)影響焊接安全件使用質(zhì)量，屬于一種非常危險(xiǎn)的工藝缺陷。焊接裂紋不僅產(chǎn)生于焊接過程中以及工藝操作的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，更具有一定的潛伏期。長輸天然氣管道焊接裂縫的成因分析，首要問題是提出焊接裂縫根據(jù)部位、尺寸、形成原因以及機(jī)理方面的差異分為哪幾種類型，按照裂紋形成的基本條件，可以具體地被劃分為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋以及層狀撕裂等。下面對(duì)這些焊接裂紋的產(chǎn)生成因進(jìn)行具體分析。

2.1 長輸天然氣管道焊接熱裂紋產(chǎn)生成因

長輸天然氣管道熱裂紋多產(chǎn)生于焊縫金屬凝固或高溫時(shí)，裂紋大都在焊縫金屬內(nèi)沿著樹狀結(jié)晶的交界處形成，實(shí)質(zhì)上是一種晶間斷裂的形態(tài)。這種裂縫的成因?yàn)椋汗艿篮附拥倪^程是通過不均勻加熱及冷卻過程完成焊接，熔池結(jié)晶過程中受到拉應(yīng)力的影響較大，這就導(dǎo)致結(jié)晶時(shí)間段的不同結(jié)晶雜質(zhì)含量也存在較大差異。具體表現(xiàn)在先結(jié)晶的金屬純度較高，后結(jié)晶的金屬純度較低，雜質(zhì)較多。由于雜質(zhì)的積累，往往會(huì)形成較多的低熔點(diǎn)共晶物。熔池金屬結(jié)晶過程會(huì)對(duì)低熔點(diǎn)共晶物產(chǎn)生影響，形成“晶界薄膜”，出現(xiàn)一個(gè)極差的薄弱地帶，最終導(dǎo)致焊接裂紋的產(chǎn)生。

2.2 長輸天然氣管道焊接冷裂紋產(chǎn)生成因

長輸天然氣管道冷裂紋多產(chǎn)生于熱影響區(qū)與焊合線處，多層焊接時(shí)多產(chǎn)生于焊縫處。受到焊接接頭淬硬組織的影響，致使應(yīng)能脆化，在出現(xiàn)焊接缺陷的位置聚集了大量的氫分子，從而產(chǎn)生冷裂紋。這種裂紋產(chǎn)生的原因?yàn)椋汗艿篮附永鋮s過程中，馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)附近或200℃～300℃以下的溫度區(qū)間發(fā)生反應(yīng)[2]。從焊接的宏觀角度上來看，冷裂紋的產(chǎn)生有縱向與橫向之分。如果從微觀的角度來看，冷裂紋的產(chǎn)生有穿晶型、晶間型，還包括二者混合型。冷裂紋如果未在焊接之后立即出現(xiàn)，這種裂紋被稱之為延遲裂紋，危害性較大。

2.3 長輸天然氣管道焊接再熱裂紋產(chǎn)生成因

長輸天然氣管道焊接再熱裂紋多產(chǎn)生于焊接之后受到高溫影響時(shí)，一般發(fā)生在焊接接頭的熱影響區(qū)融合線附近的粗晶中。該裂紋發(fā)生的起始點(diǎn)主要來源于焊接接頭表面的焊趾部位，在粗晶區(qū)發(fā)展至熱影響區(qū)的細(xì)晶區(qū)停止。熱裂紋在管道上形成明顯的曲折與交叉，產(chǎn)生的根本成因與高溫應(yīng)力松弛及合金碳化物所處狀態(tài)有一定的關(guān)聯(lián)。并且再熱裂紋之所以產(chǎn)生，也會(huì)受到鋼材與焊縫中合金元素以及焊接殘余應(yīng)力的影響，例如鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)中的Cr、Mo、V、Nb、Ti等基礎(chǔ)元素，會(huì)在一定程度上增加鋼的再熱裂紋敏感性。

3 長輸天然氣管道焊接裂紋的控制措施及焊接工藝優(yōu)化

長輸天然氣管道焊接裂紋的產(chǎn)生是可以通過手段進(jìn)行規(guī)避的，但針對(duì)具體控制方法需要做出全新的探索。論文提出了一些長輸天然氣管道焊接裂紋的可行性控制措施。

3.1 各焊接裂紋的控制措施

3.1.1 控制冷裂紋措施

焊接的過程中可以對(duì)焊條進(jìn)行選擇，以堿性焊條為例，這種焊條能夠有效減少管道焊縫金屬中的氫含量，增強(qiáng)焊縫中金屬的塑形，采用規(guī)范化的焊接工藝流程，最終完成對(duì)焊接的處理。冷裂紋的控制措施：（1）焊接完成之后的熱處理方面應(yīng)該最大限度上避免應(yīng)力過于集中；（2）完成管道的焊接之后應(yīng)該最大限度地降低冷卻速度，在焊接前期階段完成對(duì)焊接處的預(yù)熱處理，焊接后期緩冷；（3）長輸天然氣管道的焊接過程，需要減少氫的來源，以最大限度上減少裂縫的產(chǎn)生。

3.1.2 控制熱裂紋措施

長輸天然氣管道裂縫在控制中，需要加強(qiáng)對(duì)焊接材料質(zhì)量的把關(guān)，避免其中出現(xiàn)硫、磷等物質(zhì)。還應(yīng)該在這一過程中降低天然氣管道的鋼材的含碳量；在焊接中，應(yīng)該適當(dāng)?shù)靥嵘烊粴夤艿赖暮缚p形狀系數(shù)，規(guī)避管道焊接當(dāng)中出現(xiàn)的問題，控制并減少熱裂紋的產(chǎn)生。

3.1.3 控制再熱裂紋與層狀撕裂裂紋措施

再熱裂紋的產(chǎn)生成因上文已經(jīng)進(jìn)行闡述，針對(duì)這一問題應(yīng)該選擇具備天然氣熱裂紋敏感性的管道材料，適當(dāng)減少管道焊接過程中的應(yīng)力因素，這樣將再熱裂紋扼殺與控制在萌芽階段，為管道焊接質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。對(duì)層狀撕裂紋而言，要求在焊接金屬的過程中采取相對(duì)嚴(yán)格的控制措施，減少焊接過程中的雜物數(shù)量，避免由于分布過多的雜物而產(chǎn)生裂縫。

3.2 焊接工藝優(yōu)化措施

3.2.1 組對(duì)質(zhì)量的影響控制

組對(duì)質(zhì)量主要包括：錯(cuò)邊量、對(duì)口間隙、坡口角度等。（1）錯(cuò)邊量主要是由于管道焊接過程管口不規(guī)則和管口厚度壁差所引起的。一旦出現(xiàn)錯(cuò)邊現(xiàn)象，將造成焊接縫根部的應(yīng)力過度集中，因此減少錯(cuò)邊量顯得十分關(guān)鍵。（2）對(duì)口間隙的大小必將影響整個(gè)根焊內(nèi)部成型、焊接效率以及焊接的材料是否出現(xiàn)損耗。對(duì)口間隙過小，使管道焊接的過程中出現(xiàn)填充金屬不易穿透以及背部成型不良等問題，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中。而對(duì)層間雜質(zhì)而言不能在焊接時(shí)形成夾渣，應(yīng)力集中作用下就容易形成裂紋源。如果對(duì)口的間隙過大，則會(huì)浪費(fèi)焊接材料，降低功效，并且很容易產(chǎn)生燒穿缺陷。對(duì)于長輸天然氣管道焊接問題應(yīng)該準(zhǔn)確掌握好對(duì)口間隙，以焊條的直徑為基本衡量標(biāo)準(zhǔn)，通常選擇的焊接對(duì)口間隙之間的距離為焊條直徑的0.5～0.8倍。（3）坡口角度的準(zhǔn)確掌握同樣十分關(guān)鍵，會(huì)直接影響母材的散熱、接頭應(yīng)力分布等。因此，在長輸天然氣管道焊接過程中，應(yīng)該有效地控制組對(duì)質(zhì)量。焊接工作開展之前也應(yīng)該積極做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，按照中國石油天然氣總公司管道局企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDJ0002—91《管道全位置下鄉(xiāng)焊接操作規(guī)程》進(jìn)行。包括鋼材材質(zhì)的分析與檢驗(yàn)、接頭選型與組對(duì)、施工處的清理與預(yù)熱等，保證與國家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范一致。

3.2.2 工藝參數(shù)的具體控制

工藝參數(shù)方面的具體控制，主要是依據(jù)焊接工藝規(guī)程規(guī)定的，去選擇較大焊接線的能量，即通過（增大電流、電壓以及降低焊速）的方式，可以選擇其他方法去減緩焊接縫隙的冷卻速度，讓氫的擴(kuò)散效果達(dá)到最大化。這一過程也并非要將焊接能量線無限放大，一旦焊接線量過大，將導(dǎo)致整個(gè)焊接的熱影響區(qū)形成過熱組織，因此，適當(dāng)?shù)乜刂骑@得十分關(guān)鍵與必要，不能無限地增大。工藝參數(shù)的具體控制，則是以焊接效果最大化為基礎(chǔ)，保證工藝參數(shù)與工藝標(biāo)準(zhǔn)保持高度一致。

3.3 其他控制措施

除上述控制措施之外，經(jīng)過對(duì)該工作流程的總結(jié)，提出其他方面的控制措施，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）長輸天然氣管道焊接始端與終端應(yīng)保持良好的質(zhì)量，始端采用的方法是后退引弧法，終端則應(yīng)該將弧坑填滿，多層焊接的接頭相互錯(cuò)開，以保證焊接方法的效果最大化；（2）完成焊接之后在進(jìn)行工具及卡具拆除過程中，避免對(duì)管道本身產(chǎn)生影響。拆除之后使用打磨的方法保持焊接平滑，可運(yùn)用磁粉或者滲透探傷2種方式對(duì)其進(jìn)行檢查；（3）焊接方式要保持連貫性，避免由于焊接過程的中斷導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。如果中途出現(xiàn)中斷，需要按照工藝標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中的相關(guān)規(guī)定完成預(yù)熱處理；（4）后熱消氫處理的方式十分必要，這一過程要在焊接完成之后立即進(jìn)行，保持加熱溫度及持溫時(shí)間；（5）焊接工作完成后，如果焊接處出現(xiàn)氣泡或者裂紋，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行重新打磨與焊接，依據(jù)工藝標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格返修；（6）在長輸天然氣管道補(bǔ)焊的過程中，同一地點(diǎn)位置不宜超過2次，如果超出這一標(biāo)準(zhǔn)，則需要經(jīng)過單位以及工程部門的批準(zhǔn)之后施以可靠的技術(shù)彌補(bǔ)缺陷；（7）在進(jìn)行管道焊接時(shí)，應(yīng)該保證施工人員掌握基本的焊接技能，通過這樣的方式改變焊接工藝，最大限度上在施工工藝層面減少裂紋的產(chǎn)生。焊接工作人員應(yīng)該具備較高的職業(yè)技能，能夠針對(duì)裂紋問題第一時(shí)間做出反應(yīng)，解決這一問題，將其控制與預(yù)防在萌芽時(shí)期。

4 結(jié)論

綜上所述，天然氣作為我國一項(xiàng)重要能源，特別是長輸天然氣管道焊接更應(yīng)該保證質(zhì)量，為天然氣的傳輸工作奠定基礎(chǔ)。焊接裂紋是管道焊接一種常見的現(xiàn)象，通過針對(duì)性的合理控制過程能夠有效避免這一現(xiàn)象的發(fā)生。研究提出了管道焊接過程中的4種裂紋，并對(duì)每一種裂紋都進(jìn)行了成因分析與制定控制策略，旨在為長輸天然氣管道的穩(wěn)定運(yùn)行提供工藝保障。

【1】唐強(qiáng)，王濤，喻美軍，等.長輸天然氣管道焊接裂紋成因及控制措施[J].科技視界，2015(7):270-272.

【2】李健.長輸天然氣管道焊接裂紋成因及其控制措施[J].石化技術(shù)，2015 (6):145-148.

Study on the Causes and Control Measures of Welding Crack in Long Distance Natural Gas Pipelines

CHEN Qiang,SUN Hong-ye,YANG Suo-jun,ZHENG Yun-tang
(Training and Identification Center of North China Petroleum Engineering Construction Co.Ltd.,Renqiu 062552,China)

As one existing gas,natural gas has been developed and utilized,and become a key energy.In recent years,with the short supply and high demand of energy,the construction of natural gas pipelines has carried out in full swing,but in order to meet the long distance energy transmission demand,optimization of the welding crack technique is very necessary.The causes of welding crack of long distance natural gas pipelines are found out based on work experience,and the control measures are put forward,in order to optimize the welding crack technique of long distance natural gas pipeline,and provide guarantees for the development and utilization of natural gas.

long distance natural gas pipeline;welding crack;cause;control measures

TE973.3

A

1007-9467（2016）08-0161-02

2016-07-30

陳強(qiáng)（1976～），男，安徽淮北人，高級(jí)焊接技師，從事天然氣管道焊接研究。