高強(qiáng)鋼管道在線焊接工藝規(guī)程評(píng)定關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)分析

姚學(xué)軍，蔡培培，劉少柱，吳凱旋，曹 燕，劉 冰，稅碧垣

1.中國(guó)石油管道科技研究中心（河北廊坊065000）

2.中國(guó)石油管道公司科技處（河北廊坊065000）

3.中國(guó)石油管道公司管道處（河北廊坊065000）

4.中國(guó)石油管道公司人事處（河北廊坊065000）

高強(qiáng)鋼管道在線焊接工藝規(guī)程評(píng)定關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)分析

姚學(xué)軍1，蔡培培2，劉少柱3，吳凱旋4，曹 燕1，劉 冰1，稅碧垣1

1.中國(guó)石油管道科技研究中心（河北廊坊065000）

2.中國(guó)石油管道公司科技處（河北廊坊065000）

3.中國(guó)石油管道公司管道處（河北廊坊065000）

4.中國(guó)石油管道公司人事處（河北廊坊065000）

高強(qiáng)鋼管道在線焊接對(duì)管道搶修質(zhì)量和安全服役有重要影響。分析了高強(qiáng)鋼管道在線焊接存在的燒穿和氫致開(kāi)裂等問(wèn)題，梳理了影響高強(qiáng)鋼焊接工藝評(píng)定的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，重點(diǎn)研究了環(huán)境、碳當(dāng)量、壁厚、壓力、介質(zhì)流速、焊條選型等9個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)對(duì)焊接工藝評(píng)定的影響，提出了針對(duì)高強(qiáng)鋼管道焊接工藝評(píng)定的研究建議，為制定高強(qiáng)鋼管道焊接工藝評(píng)定提供參考。

高強(qiáng)鋼管道；在線焊接；焊接工藝評(píng)定；關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

高強(qiáng)鋼管道在線焊接是在管道處于運(yùn)行狀態(tài)或管內(nèi)存在管輸介質(zhì)情況下的焊接。隨著長(zhǎng)輸管道不斷發(fā)展，X70、X80等高鋼級(jí)管道規(guī)模逐漸擴(kuò)大，其大口徑、高壁厚、高壓力、高強(qiáng)度等特點(diǎn)對(duì)在線焊接提出了新的挑戰(zhàn)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于X80焊接工藝規(guī)程的研究還不夠成熟。因此，結(jié)合高強(qiáng)鋼特點(diǎn)系統(tǒng)分析高強(qiáng)鋼管道焊接工藝評(píng)定關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)對(duì)焊接質(zhì)量的影響，對(duì)于高強(qiáng)鋼管道焊接工藝規(guī)程的評(píng)定有重要作用。

1 概述

燒穿和氫致裂紋是在線焊接的兩大主要問(wèn)題。燒穿受管道壁厚影響較大，API 1104指出當(dāng)管道壁厚超過(guò)6.4mm時(shí)燒穿基本不會(huì)發(fā)生[1]，現(xiàn)役主要長(zhǎng)輸管道壁厚基本上均超過(guò)了6.4mm。因此燒穿不再是關(guān)注的主要問(wèn)題。

焊接氫致裂紋是由于管輸介質(zhì)流動(dòng)條件下焊縫冷卻速率過(guò)快造成焊縫硬度過(guò)高和氫聚集而產(chǎn)生，氫致裂紋的主要條件包括3個(gè)[1]，即焊縫中存在氫、焊縫中形成開(kāi)裂敏感性微觀結(jié)構(gòu)、焊縫中存在拉應(yīng)力。因此可通過(guò)消除3個(gè)條件之一以防止氫致裂紋產(chǎn)生。

1）焊縫中氫含量主要受環(huán)境因素、焊接工藝、焊條類型影響。

2）敏感性微觀結(jié)構(gòu)主要與碳當(dāng)量、焊縫冷卻速度、焊后熱處理有關(guān)，高碳當(dāng)量、焊縫冷卻速度快容易形成敏感性結(jié)構(gòu)，焊后熱處理有助于消除焊接敏感組織。

3）應(yīng)力包括外加應(yīng)力及焊接殘余應(yīng)力，外加應(yīng)力可通過(guò)合理的支撐等現(xiàn)場(chǎng)操作降低或消除，焊接殘余應(yīng)力主要與焊接順序、焊接工藝有關(guān)，焊接后熱處理也可有效降低或消除焊接殘余應(yīng)力。

通過(guò)分析，高強(qiáng)鋼管道焊接工藝評(píng)定關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)如表1所示。

表1 焊接工藝評(píng)定關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

2 關(guān)鍵影響因素分析

2.1 環(huán)境要求

環(huán)境濕度較大易在管道表面凝結(jié)成水汽，在焊接過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)多的氫；環(huán)境風(fēng)速較大影響焊接區(qū)保護(hù)并提高焊縫冷卻速度；環(huán)境溫度較低會(huì)提高冷卻速率。因此應(yīng)對(duì)允許焊接的環(huán)境濕度、風(fēng)速、溫度等條件。實(shí)際操作中，可以通過(guò)預(yù)熱、搭建擋風(fēng)棚、保溫等方式進(jìn)行受控焊接，一定程度上可放寬允許焊接的環(huán)境條件。

2.2 碳當(dāng)量

碳當(dāng)量（C.E.）不同對(duì)裂紋的敏感性也不同。一般認(rèn)為C.E.≤0.4%焊接性好；C.E.為0.4%～0.6%時(shí)焊接性稍差，焊前需適當(dāng)預(yù)熱；當(dāng)C.E.≥0.6%焊接性較差，屬難焊材料，需采用較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝。隨著鋼級(jí)提高碳當(dāng)量相應(yīng)提高，如X65碳當(dāng)量為0.28%～0.33%，X70碳當(dāng)量為0.36%～0.39%，X80碳當(dāng)量為0.40%～0.43%。研究指出隨著碳當(dāng)量的提高，發(fā)生裂紋的臨界硬度也相應(yīng)增加，碳當(dāng)量小于0.35%或大于0.5%時(shí)，臨界硬度保持不變[2]。因此，X80焊縫檢測(cè)的臨界硬度指標(biāo)相比X70及以下鋼級(jí)可以相應(yīng)提高，或者說(shuō)相比X70，X80可獲得更大的硬度裕量。

2.3 壁厚

高鋼級(jí)管道由于輸送壓力較大，壁厚往往也較厚，如X70管道壁厚21mm左右（二級(jí)地區(qū)），X80管道壁厚26.4mm左右（二級(jí)地區(qū)）。壁厚的影響主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：

1）隨管道壁厚增加管輸介質(zhì)對(duì)焊接冷卻速率的影響降低。研究指出管道壁厚小于6.4mm時(shí)，流動(dòng)介質(zhì)對(duì)焊接冷卻速率有顯著影響；當(dāng)管道壁厚大于12.7mm時(shí)，影響則較小。

2）隨管道壁厚增加焊接冷卻速率降低或冷卻時(shí)間增長(zhǎng)。研究表明壁厚對(duì)管道吸熱能力有較大影響，如表2所示[3]。隨壁厚增加，冷卻速率降低或冷卻時(shí)間增長(zhǎng)，有利于焊縫中的氫充分?jǐn)U散，降低裂紋敏感性。

隨著鋼級(jí)提高壁厚增加對(duì)于在線焊接會(huì)產(chǎn)生有利影響。

表2 壁厚對(duì)管道吸熱能力的影響

2.4 壓力

管道壓力對(duì)焊接操作的影響不大，在可能發(fā)生燒穿時(shí)較高壓力會(huì)對(duì)焊接安全造成影響。因此國(guó)內(nèi)管道企業(yè)出于安全考慮一般會(huì)進(jìn)行降壓，降壓幅度一般按照GB/T 28055-2011的允許帶壓施焊公式進(jìn)行計(jì)算確定[4]。國(guó)外某管道公司關(guān)于焊接的規(guī)定“壁厚≥6.35mm時(shí)，內(nèi)壓可達(dá)到100%最大額定屈服強(qiáng)度”。前文指出壁厚超過(guò)6.4mm時(shí)一般不會(huì)發(fā)生燒穿。相比之下國(guó)內(nèi)管道企業(yè)對(duì)于壓力限制略顯嚴(yán)格。尤其針對(duì)高強(qiáng)鋼如X80壁厚甚至超過(guò)了20mm，燒穿的可能性大大降低。因此合理的降壓限值有待于進(jìn)一步研究確定。

2.5 介質(zhì)流速

介質(zhì)流速的影響在于吸收焊接熱量提高冷卻速率進(jìn)而造成較高的焊縫硬度，因此在線焊接時(shí)需要對(duì)介質(zhì)流速進(jìn)行限制。國(guó)外常通過(guò)模擬計(jì)算確定合理流速，常用模型為Battelle熱分析模型和EWI模型。Battelle熱分析模型使用熱傳導(dǎo)方程模擬焊縫冷卻速度。EWI模型是將管道上直徑為50mm的區(qū)域快速加熱到300～325℃，使用數(shù)字接觸式溫度計(jì)和秒表記錄被加熱部分溫度從250℃冷卻到100℃所需時(shí)間，取平均值作為管線散熱能力的參考值，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)預(yù)測(cè)焊接冷卻速度[5]。

介質(zhì)流速也可降低燒穿風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)而降低最小可焊壁厚。ASME B31.4規(guī)定了不同介質(zhì)流速下的最小可焊壁厚，如表3所示，可以看出隨流速增加發(fā)生燒穿的臨界壁厚降低[6]。

表3 發(fā)生燒穿的管壁臨界壁厚

因此在考慮介質(zhì)流速的影響時(shí)應(yīng)綜合考慮以確定合理的流速。

2.6 管道表面處理

焊前處理主要包括管道焊接部位表面處理和預(yù)熱。對(duì)于管道焊接部位表面處理主要包括消除磨損、鐵銹、渣垢、油脂等，對(duì)此國(guó)內(nèi)外管道企業(yè)均要求對(duì)表面處理至顯出金屬光澤。

預(yù)熱對(duì)于焊縫質(zhì)量有重要影響。盡管某些情況下不預(yù)熱也可獲得合格的焊縫，但需要熟練的焊接工藝和技巧及其他條件相配合才能實(shí)現(xiàn)。預(yù)熱則會(huì)大大降低焊接難度。預(yù)熱的主要作用表現(xiàn)為：①可去除表面濕氣和其他污染物，尤其是環(huán)境溫度低于水露點(diǎn)時(shí)；②可降低冷卻速率，降低HAZ硬度進(jìn)而降低開(kāi)裂敏感性；③可降低焊接熱輸入要求，如EWI的研究表明93℃的預(yù)熱相當(dāng)于熱輸入增加1.6倍。

經(jīng)過(guò)分析，高強(qiáng)鋼管道焊前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，且隨鋼級(jí)提高應(yīng)提高預(yù)熱要求[5]。

2.7 焊條選型

高強(qiáng)鋼管道在線焊接時(shí)一般選用低氫焊條以降低氫致裂紋發(fā)生的可能性。氫含量越低開(kāi)裂敏感性也越低。目前國(guó)際上廣泛采用AWS E××××系列低氫焊條，AWS A5.1～A5.32系列標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各種鋼材配套焊條進(jìn)行了全面的規(guī)定。國(guó)內(nèi)管道企業(yè)在線焊接也多用AWS E××××系列焊條。根據(jù)國(guó)內(nèi)管道企業(yè)搶修經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于X70及以上材質(zhì)管道進(jìn)行在線焊接時(shí)均采用低氫焊條。

焊條選型時(shí)熔結(jié)強(qiáng)度應(yīng)與管道屈服強(qiáng)度相匹配，如E50、E55、E60、E70、E75、E80、E85、E90、E100等焊條熔敷金屬?gòu)?qiáng)度逐漸提高，可作為不同鋼級(jí)管道選擇焊條的參考依據(jù)。國(guó)內(nèi)外管道企業(yè)在選擇焊條時(shí)做法存在一定差異，部分企業(yè)采用等強(qiáng)度或高強(qiáng)度匹配，部分企業(yè)則采用高強(qiáng)度等級(jí)匹配。但從預(yù)防開(kāi)裂角度來(lái)說(shuō)，等韌性匹配更好。因此，對(duì)于高強(qiáng)鋼管道焊條選型仍需進(jìn)一步研究。

2.8 焊條直徑

給定焊接熱輸入條件下焊條直接越小允許的最小可焊壁厚越高。研究表明，采用直徑為3.2mm的焊條，焊接電流為110A時(shí)，管道最小可焊厚度為4.0mm；采用直徑為2.4mm的焊條，最小可焊壁厚可達(dá)3.2mm。另有研究表明壁厚小于6.4mm管道，根焊應(yīng)使用2.4mm或更小直徑的焊條來(lái)限制熱輸入量，若壁厚不超過(guò)12.7mm，隨后的焊道焊接應(yīng)使用3.2mm或更小直徑，若壁厚超過(guò)12.7mm可使用較大直徑的焊條，以提高焊接效率[5]。因此對(duì)于高強(qiáng)鋼管道確定焊條直徑時(shí)應(yīng)考慮管道壁厚、焊道順序等因素。

2.9 焊接順序

焊接順序?qū)τ诤附淤|(zhì)量有重要影響。API 1104、API 1107、GB/T 28055-2011和SY/T 4103-2006等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同焊接附件的焊接順序進(jìn)行了規(guī)定，其中SY/T 4103-2006采標(biāo)自API 1107。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)對(duì)于焊接順序的確定原則國(guó)內(nèi)外基本一致[7-9]。但這幾項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)條款對(duì)于X80管道的適用性需要進(jìn)行工藝評(píng)定后確定。

2.10 焊后保溫

焊后保溫有兩個(gè)目的：一是消除殘余焊接應(yīng)力；二是促進(jìn)氫的擴(kuò)散。一般情況下加熱至一定溫度如加熱至預(yù)熱溫度保溫15min對(duì)一般壁厚管道而言是較為合理的。更厚的管道或更低的溫度，應(yīng)考慮更長(zhǎng)的保溫時(shí)間。針對(duì)高強(qiáng)鋼管道具體加熱溫度和保溫時(shí)間國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一做法，需進(jìn)行工藝評(píng)定后確定[2]。

3 展望

高強(qiáng)鋼管道是長(zhǎng)輸管道發(fā)展的趨勢(shì)，隨著X80應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，應(yīng)盡早研究制定配套管道在線焊接工藝規(guī)程。鑒于X80壁厚較厚，應(yīng)重點(diǎn)研究關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)對(duì)管道氫致裂紋形成的影響，根據(jù)碳當(dāng)量、壁厚等管道特性，優(yōu)化安全壓力、安全流速、預(yù)熱溫度、焊條匹配性等參數(shù)選擇，保證搶修焊接的質(zhì)量和管道安全服役。

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[3]William A.Bruce.Refinement of Cooling Rate Prediction Methods for In-Service Welds[R].Houston:Pipeline Re?search Council International,2003.

[4]全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)壓力管道分技術(shù)委員會(huì).鋼制管道帶壓封堵技術(shù)規(guī)范：GB/T 28055-2011[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

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[8]石油工業(yè)建設(shè)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收；SY/T 4103-2006[S].北京：石油工業(yè)出版社,2006.

[9]American Petroleum Institute.Pipeline Maintenance Welding Practices：API 1107[S].Washington,D.C.:American Petro?leum Institute,1991.

On line welding of high strength steel pipeline has important influence on the urgent repair quality and security service of pipeline.Problems such as burning through and hydrogen induced cracking in welding process of high strength steel pipeline are ana?lyzed.The key factors influencing the welding process evaluation of high strength steel are combed,and the effects of 9 key factors,such as the environment,carbon equivalent,wall thickness,pressure,flow rate of the medium and the type of electrode,on the evaluation of the welding process are studied.Some suggestions for the evaluation of welding process of high strength steel pipeline are put forward, which can provide reference for the evaluation of welding process of high strength steel pipeline.

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路萍

2016-01-15

姚學(xué)軍（1985-），男，工程師，主要從事管道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究工作。