城鎮(zhèn)燃?xì)怃撡|(zhì)管道帶壓焊接工藝研究

(中石油昆侖燃?xì)庥邢薰救細(xì)饧夹g(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱150016)

0 前言

作為城市基礎(chǔ)設(shè)施之一，燃?xì)夤艿莱休d著輸送高效低碳能源的功能。燃?xì)夤驹趯?shí)際的運(yùn)營管理中，承擔(dān)著新建管道與運(yùn)行管道的連接及運(yùn)行管道的維修與改造等工作。這些工作在停氣的狀態(tài)下施工是相對(duì)安全的，但這樣必然會(huì)影響用戶正常用氣。燃?xì)夤緫?yīng)在不影響客戶用氣的前提下，采用帶氣作業(yè)技術(shù)完成管網(wǎng)的維修、改造及擴(kuò)容[1]。鋼管帶壓焊接是帶氣作業(yè)的一種，該工藝是指在運(yùn)行的鋼質(zhì)管道上焊接作業(yè)，此時(shí)管道內(nèi)有一定壓力的燃?xì)狻?/p>

目前帶壓焊接主要面臨兩個(gè)困難[2]：一是要避免“燒穿”，也就是焊接電弧灼傷管壁，造成鋼管破裂；另一方面是防止氫致裂紋的產(chǎn)生，由于管道內(nèi)流動(dòng)的燃?xì)鈴墓鼙趲ё吡溯^多的熱量，使在運(yùn)行管道上焊接的焊縫加速冷卻，導(dǎo)致了淬硬組織的形成，而容易產(chǎn)生氫致裂紋。

為了防止產(chǎn)生氫致裂紋，通常的做法有兩種：一是帶壓焊接時(shí)，使用低氫焊條或低氫工藝方法，降低焊縫中的含氫量；二是當(dāng)不能保證低氫水平時(shí)，使用碳當(dāng)量值低的鋼材和采用足夠熱輸入量的方法減少淬硬組織的形成。但是,此時(shí)的熱輸入量一定不能高于防止管壁“燒穿”的最大許用熱輸入量。此外，采用預(yù)熱或回火焊道熔敷順序的方法也可以減少氫致裂紋的產(chǎn)生。

為防止氫致裂紋的產(chǎn)生，試驗(yàn)對(duì)Q235B中低壓燃?xì)怃撡|(zhì)管道的帶壓焊接工藝進(jìn)行研究，并對(duì)其實(shí)施提出合理化建議。

1 帶壓焊接氫致裂紋的探究及試驗(yàn)

由于無法在運(yùn)行的燃?xì)怃撡|(zhì)管道上進(jìn)行帶壓焊接試驗(yàn)，因此試驗(yàn)采用水代替燃?xì)?，保證水流動(dòng)的熱條件與燃?xì)饬鲃?dòng)的熱條件相同，在此條件下進(jìn)行帶壓焊接試驗(yàn)。只有模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)焊接條件的焊接工藝才能應(yīng)用于實(shí)際帶壓焊接作業(yè)中。

采用材質(zhì)為Q235B，規(guī)格為D426 mm × 7 mm的鋼管，鋼管兩側(cè)用鋼板焊接密封制成管筒。在兩側(cè)鋼板上下分別焊接一個(gè)進(jìn)水口和一個(gè)出水口，在管筒上部焊接一個(gè)測(cè)壓口，它們分別由閥門控制開關(guān)。焊接補(bǔ)板的材質(zhì)為Q235B，厚度為7 mm，焊接時(shí)管筒內(nèi)充滿水，且水流過試驗(yàn)截面時(shí)的熱條件與燃?xì)夤艿缹?shí)際運(yùn)行相同。試驗(yàn)裝置示意如圖1 所示。

圖1 鋼質(zhì)管道貫穿孔示意圖

1.1 焊接工藝中規(guī)范參數(shù)的確定

按照現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 4103—2006《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》附錄B中防止帶壓焊接時(shí)產(chǎn)生氫致裂紋的相關(guān)要求，帶壓焊接工藝規(guī)程應(yīng)明確如下規(guī)范參數(shù)[2]：帶壓焊接時(shí)，除了指明材料的名義屈服強(qiáng)度外，還應(yīng)該指明材料的碳當(dāng)量；應(yīng)該指明焊接工藝適用的管道運(yùn)行條件(如管子輸送介質(zhì)、流量等)；采用足夠高的熱輸入量來克服流動(dòng)介質(zhì)影響時(shí)(熱輸入量控制工藝)，應(yīng)該規(guī)定要求的熱輸入量范圍；采用合理的焊縫熔敷順序以改善流動(dòng)介質(zhì)影響時(shí)(回火焊道熔敷順序方法)，應(yīng)該規(guī)定要求的焊縫熔敷順序；運(yùn)行管道角焊縫的焊接，名義屈服強(qiáng)度、壁厚不是基本要素。

試驗(yàn)?zāi)M運(yùn)行管道中的天然氣：壓力不大于0.4 MPa，工作溫度20 ℃，流速為15 m/s。

1.1.1鋼材化學(xué)成份分析

委托有資質(zhì)的檢驗(yàn)單位對(duì)試驗(yàn)用鋼材(Q235B)進(jìn)行化學(xué)成份檢驗(yàn)分析，檢驗(yàn)后的具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 Q235B碳素鋼化學(xué)成份(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.1.2碳當(dāng)量的計(jì)算

鋼材的化學(xué)成份對(duì)帶壓焊接時(shí)管道的安全至關(guān)重要，特別是鋼材的碳當(dāng)量和有害成份將直接影響焊接工藝和焊接作業(yè)安全。碳當(dāng)量的計(jì)算式為：

Ceq=[ωC+ωMn/6+(ωCr+ωMo+ωV)/5+(ωNi+ωCu)/15]×100%

(1)

式中：Ceq為碳當(dāng)量；ωC，ωMn，ωCr，ωMo，ωV，ωNi，ωCu分別為鋼中碳元素、錳元素、鉻元素、鉬元素、釩元素、鎳元素、銅元素含量。

模擬焊接試驗(yàn)用的管筒和補(bǔ)板材質(zhì)均為Q235B，將表1中相關(guān)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(1)，得到Q235B碳素鋼的碳當(dāng)量Ceq= 0.26%。板材厚度小于20 mm：Ceq< 0.4%時(shí)，鋼材淬硬傾向不大，焊接性良好，不需預(yù)熱；Ceq= 0.4% ～ 0.6%，特別是當(dāng)碳當(dāng)量大于0.5%時(shí)，鋼材易于淬硬，焊接前需預(yù)熱。從計(jì)算結(jié)果可以看出，Q235B碳素鋼材淬硬傾向不大，焊接性好，焊前無需預(yù)熱。

1.1.3模擬天然氣管道實(shí)際運(yùn)行，確定水的流量

(1)天然氣在管道中的流量

q氣=AV氣

(2)

式中：q氣為天然氣的體積流量，m3/s；A為管道內(nèi)壁截面積，m2；V氣為天然氣的流速，m/s；

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(2)，得到天然氣在管道中的流量q氣=2.0 m3/s。

(2)天然氣單位時(shí)間的換熱量

天然氣是混合氣體，其主要成分為甲烷，因此本試驗(yàn)中天然氣的換熱量按甲烷換熱量近似計(jì)算，天然氣單位時(shí)間換熱量的計(jì)算式為：

Q氣=c氣·ρ氣·p氣·Δt氣

(3)

式中：Q氣為天然氣單位時(shí)間的換熱量，kJ/s；c氣為天然氣(甲烷)的比熱容，甲烷在20 ℃/0.4 MPa條件下的比熱容為2.261 kJ/(kg·℃)；ρ氣為天然氣(甲烷)的密度，甲烷在20 ℃,0.4 MPa條件下的密度為3.342 kg/m3；q氣為天然氣在管道中的流量，m3/s；Δt氣為天然氣從環(huán)境溫度到焊接溫度的溫度差，℃。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3)，得到天然氣單位時(shí)間的換熱量Q氣=15.11ΔtkJ/s。

(3)水單位時(shí)間的換熱量

Q水=c水ρ水q水Δt水

(4)

式中：Q水為水單位時(shí)間的換熱量，kJ/s；c水為水的比熱容，水在20 ℃條件下的比熱容為4.2 kJ/(kg·℃)；q水為水在管道中的流量，m3/s；ρ水為水的密度，水在20 ℃條件下的密度為1 000 kg/m3；Δt水為水從環(huán)境溫度到焊接溫度的溫度差，℃。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(4)，得到水單位時(shí)間的換熱量Q水=4 200q水ΔtkJ/s。

(4)水在管筒中的流量

假設(shè)焊接時(shí)水在管筒內(nèi)流動(dòng)與天然氣在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)熱交換情況及升溫均相同，即：Q氣=Q水，Δt氣=Δt水。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入，得到水在管道中的流量q水= 3.6×10-3m3/s。

1.1.4熱輸入量的確定

試驗(yàn)選用直流電焊機(jī)，焊接電流為110 ～130 A，電弧電壓為20 ～ 23 V，焊接速度為9～ 10 cm/min。由于之前計(jì)算獲得母材的碳當(dāng)量較小，因此無需預(yù)熱。

焊接熱輸入的計(jì)算式為：

E=ηIU/v

(5)

式中：E為焊接熱輸入，kJ/cm；η為功率有效系數(shù)，焊條電弧焊的功率有效系數(shù)為0.7～0.8；I為焊接電流，A；U為電弧電壓，V；v為焊接速度，cm/s。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(5)，得到焊接熱輸入E=12～14 kJ/cm。焊接熱輸入小于14 kJ/cm，在天然氣壓力小于0.4 MPa，材質(zhì)為Q235B，規(guī)格為D426 mm× 7 mm的鋼管上焊接，不會(huì)發(fā)生“燒穿”問題[3]。

1.1.5完成焊接

為改善焊接接頭的力學(xué)性能，緩解接頭氫致裂紋傾向，可采用回火焊道熔敷順序方法[2]，先用窄焊道堆焊熔敷金屬隔離層，后續(xù)焊道采用較高熱輸入工藝，可以細(xì)化和回火第一層焊道的熱影響區(qū)；同時(shí)，為了減少焊接應(yīng)力，在安裝時(shí)應(yīng)該注意合理裝配，以減小焊縫根部的應(yīng)力集中。

1.2 焊接工藝參數(shù)

采用ZX7 300型直流電焊機(jī)進(jìn)行焊條電弧焊。采用直徑為3.2 mm的E4303焊條，焊接電流為110～130 A，電弧電壓為20～23 V，焊接速度為9～10 cm/min，焊接層數(shù)為2層。焊接熱輸入控制在12～14 kJ/cm，焊接位置為水平固定全位置，焊接方向?yàn)橄蛏?，焊道之間的時(shí)間間隔為5～10 min。

1.3 模擬焊接

(1) 焊接的準(zhǔn)備。在管筒上裝配補(bǔ)板時(shí)，要相互對(duì)正，貼緊配合，管筒焊接處四周20 mm范圍內(nèi)，打磨清理，露出金屬光澤。

(2) 管筒進(jìn)水口連接水源，出水口連接水表后接入排水管道中。開啟水源，依次打開出水口、測(cè)壓口和進(jìn)水口的閥門，當(dāng)水從出水口流出時(shí)，關(guān)閉出水口閥門；水從測(cè)壓口流出時(shí)，安裝壓力表，此時(shí)管筒內(nèi)充滿水，觀察壓力表數(shù)值。

(3) 緩慢開啟出水口閥門，保持壓力穩(wěn)定，將水的流量控制在4.86×10-4m3/s左右(觀察水表)。

(4)按照預(yù)先擬定的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接。為改善焊接接頭的力學(xué)性能，降低接頭氫致裂紋傾向，可采用回火焊道熔敷順序方法[2]，先用窄焊道堆焊熔敷金屬隔離層，后續(xù)焊道采用高熱輸入工藝，可以細(xì)化第一層焊道的晶粒，并相當(dāng)于為第一層焊道提供了回火熱處理；同時(shí)，為了減少焊接應(yīng)力，在安裝時(shí)應(yīng)該注意合理裝配，以減小焊縫根部的應(yīng)力集中。

1.4 焊接接頭檢驗(yàn)

按照SY/T 4103—2006《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》附錄B.2的規(guī)定，將試樣送至國家焊接材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行彎曲性能、刻槽錘斷和宏觀觀察等試驗(yàn)。通過宏觀觀察可知，試件無表面裂紋、氣孔、咬邊和夾渣等缺陷。彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明，試件的彎曲角均達(dá)到180°。通過對(duì)接試件的刻槽錘斷試驗(yàn)(試驗(yàn)件尺寸為5 mm×10 mm×55 mm)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)接頭焊縫處的沖擊吸收能量的平均值為22 J，熱影響區(qū)的沖擊吸收能量為 60 J；通過對(duì)角接接頭的刻槽錘斷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)每個(gè)角焊試樣的斷裂表面完全焊透和熔合，無氣孔和夾渣。圖2為角接接頭刻槽錘斷后的試件形貌。

圖2 角接接頭斷后形貌圖

2 結(jié)論

(1)在材質(zhì)為Q235B，規(guī)格為D426 mm×7 mm，壓力不大于0.4 MPa的城鎮(zhèn)燃?xì)?天然氣)鋼質(zhì)管道上，按照預(yù)先擬定的焊接工藝進(jìn)行帶壓焊接，不會(huì)產(chǎn)生氫致裂紋。

(2)帶壓焊接工藝規(guī)程應(yīng)經(jīng)過評(píng)定合格，工藝規(guī)程中的要素發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)重新進(jìn)行評(píng)定。帶壓焊接工藝既要避免“燒穿”，也要防止氫致裂紋的產(chǎn)生，二者要兼顧。 帶壓焊接作業(yè)后，巡檢人員要對(duì)管道監(jiān)控運(yùn)行一段時(shí)間，確保管道安全。