天然氣長(zhǎng)輸管道焊接裂紋及防范措施研究

任建志(中石化河南油建工程有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

焊接裂紋是天然氣管道安全的致命缺陷。近年來(lái)天然氣需求量增大，天然氣管道建設(shè)越來(lái)越多，管道安全關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全，建設(shè)期間一定保證天然氣運(yùn)輸?shù)陌踩?。研究管道焊接裂紋形成機(jī)理，總結(jié)出更有效的防范措施，制定縝密的防范方案，科學(xué)施工尤為重要。

1 長(zhǎng)輸管道焊接裂紋出現(xiàn)原因

焊接裂紋分為熱裂紋、冷裂紋、延遲裂紋等，要想解決天然氣長(zhǎng)輸管道焊接裂紋問(wèn)題，必須掌握長(zhǎng)輸管道焊縫裂紋出現(xiàn)的原因，確定裂紋癥結(jié)才能夠?qū)ΠY下藥。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐和分析研究，發(fā)現(xiàn)形成裂紋的原因主要有以下五點(diǎn)：首先是熱影響區(qū)低塑性淬硬組織，這主要出現(xiàn)在焊接接頭韌性與基體匹配方面，管線鋼焊接過(guò)程焊縫熱影響區(qū)受焊接熱循環(huán)影響，溫度會(huì)上升到母材熔點(diǎn)附近，焊縫兩側(cè)會(huì)分布晶粒粗大組織區(qū)，即焊接熱影響區(qū)，熱影響區(qū)與母材原始性能相比，韌性損失較大，是裂紋的開(kāi)裂源或沿焊道方向長(zhǎng)程擴(kuò)展的通道；其次是焊接過(guò)程的溫差方面，一次不能完成全部焊道形成焊接過(guò)程的隔夜焊口，由于溫差變化較大再焊接冷熱不均勻，若不能及時(shí)處理，必然會(huì)增加長(zhǎng)輸管道焊接性能脆性；第三是擴(kuò)散氫影響，擴(kuò)散氫主要來(lái)源是焊材中的水分和坡口表面的油污、鐵銹、水以及大氣中的水汽等，尤其是堿性焊條烘干不規(guī)范、焊口周圍除濕除潮措施落實(shí)不到位會(huì)形成更多的擴(kuò)散氫，氫超過(guò)臨近壓力界點(diǎn)后，管道承受壓力值變?yōu)樽畲螅赡軙?huì)裂變繼而引發(fā)裂紋[1]，管道裂變愈加嚴(yán)重，裂縫數(shù)量增多；第四是拘束應(yīng)力方面，由于現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)候安裝組對(duì)精度受限制，如：管道變形、錯(cuò)位等，在焊口的組裝過(guò)程中總會(huì)存在或多或少的強(qiáng)力組對(duì)，這樣在組裝完成后便存在著內(nèi)應(yīng)力，這種應(yīng)力即便進(jìn)行熱處理也不可能完全消除，還有就是管道焊接實(shí)際就是一個(gè)局部加熱與冷卻的過(guò)程，焊接過(guò)程會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力與應(yīng)變循環(huán)，必然會(huì)存在殘余應(yīng)力；第五是焊接工藝執(zhí)行方面，焊接電流不按規(guī)程要求隨意增大必定會(huì)對(duì)焊縫結(jié)晶過(guò)程造成較大的影響，晶粒粗大沖擊韌性不足，長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行必定會(huì)造成焊接裂紋。

長(zhǎng)輸管道焊接施工期間，施工工藝操作不到位或者是細(xì)節(jié)處理不到位，焊接專業(yè)性不夠等，都會(huì)影響到天然氣長(zhǎng)輸管道的焊接質(zhì)量，增加裂紋出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)[2]。此外若焊接施工中焊縫內(nèi)部應(yīng)力大或者是材料質(zhì)量密實(shí)性不足，材料均勻性差等，同樣會(huì)影響到焊接管道的性能潛力，無(wú)法達(dá)到理想的焊接目的。長(zhǎng)輸管道若存在裂紋隱患，長(zhǎng)輸管道應(yīng)用中頻繁振動(dòng)或者是缺陷處理不及時(shí)等，都會(huì)加劇裂紋現(xiàn)象[3]。對(duì)天然氣長(zhǎng)輸管道焊接的影響因素較多，如施工條件特殊等情況，需要深層次研究管道焊接流程，科學(xué)選擇焊接材料。

2 管材、焊材選擇

天然氣長(zhǎng)輸管道一般都是設(shè)計(jì)壓力越大、鋼級(jí)越高，裂紋傾向就會(huì)越大，所以管道材料選擇非常關(guān)鍵。當(dāng)前常用天然氣長(zhǎng)輸管道制管方式通常都是熱軋無(wú)縫鋼管、直縫管線鋼鋼管、螺旋縫管線鋼鋼管。國(guó)際上通常都是選擇按照API標(biāo)準(zhǔn)制造的鋼管，國(guó)內(nèi)參照API標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)制定了GB 9711.1—2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)鋼種應(yīng)用進(jìn)行明確，設(shè)計(jì)時(shí)為確保管道運(yùn)行本質(zhì)安全一定要按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)天然氣長(zhǎng)輸管道材料進(jìn)行科學(xué)選擇[4]。施工時(shí)候要按照焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接工藝進(jìn)行評(píng)定，并根據(jù)評(píng)定合格的焊接工藝編制焊接工藝規(guī)程。

國(guó)內(nèi)外API和GB 9711.1—2017常見(jiàn)的天然氣長(zhǎng)輸管道常見(jiàn)主要鋼種等級(jí)對(duì)應(yīng)如表1所示。常見(jiàn)管線鋼鋼管材料化學(xué)成分、力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

表1 天然氣長(zhǎng)輸管道主要鋼種等級(jí)對(duì)應(yīng)表

表2 部分鋼管材料化學(xué)成分、力學(xué)性能參數(shù)

長(zhǎng)輸管道常見(jiàn)焊材有以下幾種：纖維素焊條、堿性焊條、藥芯自保護(hù)焊絲、實(shí)芯焊絲。為得到高質(zhì)量的焊接接頭，一定要合理選擇焊接材料。由于焊接部件在運(yùn)行中的工況有很大差異，母材的材質(zhì)性能、成分千差萬(wàn)別，部件的制造工藝錯(cuò)綜復(fù)雜，因此需要從各方面綜合考慮確定對(duì)應(yīng)的焊接材料。選擇焊接材料應(yīng)遵循以下原則：滿足焊接接頭使用性能的要求原則、滿足焊接接頭制造工藝性能原則、滿足焊接工藝性能要求原則、滿足科學(xué)合理經(jīng)濟(jì)適用性原則、滿足等強(qiáng)性和等韌性要求原則。

3 天然氣長(zhǎng)輸管道焊接裂紋改善策略

3.1 做好焊接策劃和焊接工藝評(píng)定

焊接策劃和施工準(zhǔn)備工作是長(zhǎng)輸管道焊接質(zhì)量保證的前提條件，若焊接策劃和準(zhǔn)備不到位，后續(xù)焊接工作必然會(huì)受到影響，導(dǎo)致焊接流程出現(xiàn)問(wèn)題等，加大天然氣長(zhǎng)輸管道焊接裂紋出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)[5]。策劃過(guò)程的焊接工藝評(píng)定是重點(diǎn)中的重點(diǎn)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)合格的焊接工藝評(píng)定，沒(méi)有經(jīng)過(guò)審批的焊接工藝規(guī)程就不能開(kāi)始施工。綜合天然氣長(zhǎng)輸管道焊接情況，根據(jù)天然氣管道焊接標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)選擇管材材質(zhì)，對(duì)材料進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)合管材類型選擇接頭，全面清理施焊處，提前對(duì)焊接區(qū)域預(yù)熱。焊接之前再次檢查施焊區(qū)域表面整潔度，以施焊處為中心，兩側(cè)25 mm范圍內(nèi)不能存在油污、泥沙或者是鐵銹等，還要檢查氣割熔渣與毛刺等，處理好加工操作后續(xù)整理工作，在此基礎(chǔ)上，徹底清除氧化皮[6]，根據(jù)焊接工藝規(guī)程完成所有焊接準(zhǔn)備任務(wù)。

3.2 加強(qiáng)天然氣管道焊接管理，規(guī)范焊材庫(kù)和焊材存放機(jī)具

加強(qiáng)天然氣管道焊接管理，是從人為的角度上，降低裂紋的形成。首先，要保證焊工具有國(guó)家認(rèn)證的相關(guān)資質(zhì)，具有豐富的操作焊接經(jīng)驗(yàn)，能夠掌握關(guān)鍵技術(shù)要領(lǐng)；其次焊接人員需要具備高度的責(zé)任心，保證長(zhǎng)輸天然氣管道焊接每一步的高質(zhì)量操作。

焊材選擇是降低焊接裂紋的關(guān)鍵點(diǎn)，當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的焊條類型分為兩種，其一是纖維素型焊條；其二是堿性焊條。傳統(tǒng)長(zhǎng)輸管道以打底焊焊接選擇纖維素焊條打底，堿性焊條主要應(yīng)用于蓋面和返修。焊條使用前首先需要關(guān)注的是受潮與否，焊接時(shí)焊縫有氫進(jìn)入，熔敷金屬中有超氫存在，必將出現(xiàn)管道裂紋[7]。所以焊前必須妥善處理焊條，堿性低氫型焊條必須有效烘干，確保焊縫熔敷金屬氫含量有效降低。焊條烘干溫度最佳范圍需控制在350～450 ℃，烘干期間嚴(yán)格控制烘干升溫速度，理論上必須＜150 ℃/h，烘干時(shí)間要求控制在2 h之內(nèi)。待焊條烘干完畢，需將焊條轉(zhuǎn)移至恒溫箱中，恒溫箱要求溫度設(shè)定為150 ℃。

焊條電弧焊操作人員必須以保溫焊條筒作為攜帶工具，同時(shí)焊接操作期間必須做好防潮處理，隨用隨取，規(guī)定時(shí)間內(nèi)用不完必須重新烘干，再烘干次數(shù)只能1次。焊前應(yīng)對(duì)溫度、濕度、風(fēng)速等進(jìn)行檢測(cè)，若溫差大或者是濕度變化大等，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況搭設(shè)擋風(fēng)棚，為焊接施工提供理想環(huán)境。

3.3 優(yōu)化焊接技術(shù)規(guī)范長(zhǎng)輸管道焊接程序

管道焊接施工時(shí)焊縫周圍環(huán)境溫濕度不當(dāng)、焊工操作空間狹窄、施工人員技能水平低下等都會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響，不合理的疊加必定會(huì)增加焊接裂紋產(chǎn)生的可能性。選用焊接方法時(shí)候，對(duì)于風(fēng)力較大、自然環(huán)境較為惡劣的施工地區(qū)，應(yīng)該采用藥芯焊絲焊接技術(shù)，半自動(dòng)下向焊接方式來(lái)對(duì)管道進(jìn)行焊接。對(duì)大口徑高強(qiáng)級(jí)管線鋼焊接原則上都應(yīng)該采用全自動(dòng)焊接。采用焊條電弧焊時(shí)候的實(shí)際焊接過(guò)程應(yīng)該適度的提升對(duì)堿性焊條的烘干溫度，制定出完善的防風(fēng)保溫辦法，可以避免由于含氫量較大產(chǎn)生的氫聚集形成的裂紋。

管道焊接程序合理規(guī)劃是提高焊接效率與改善管道裂紋的有效措施。合理焊接程序能夠?qū)⒑附討?yīng)力有效減少，有效控制管道焊接變形。天然氣長(zhǎng)輸管道焊接操作，管道向下焊所選擇的作業(yè)形式以流水作業(yè)為主，兩名操作人員可以同一焊道同時(shí)開(kāi)展焊接工作。如施工操作人員為1號(hào)焊工與2號(hào)焊工，那么在同一管道焊接施工，1號(hào)焊工從管道0點(diǎn)位置向左開(kāi)始施焊，2號(hào)焊工從管道0點(diǎn)位置向右開(kāi)始施焊，同步施焊并同時(shí)到達(dá)焊口底部。焊接施工中一定要提高對(duì)0點(diǎn)、6點(diǎn)接頭部位處理的重視，根據(jù)長(zhǎng)輸管道直徑情況對(duì)焊接操作人員適當(dāng)增加，如長(zhǎng)輸管道的直徑≥711 mm，兩名焊工無(wú)法順利完成焊接任務(wù)，需增加一名焊工，從管道對(duì)稱性的角度出發(fā)，以順時(shí)針?lè)较蛲瓿珊附印：附硬僮髦幸箅娏鞅仨殗?yán)格控制，不能過(guò)大或過(guò)小，焊接類型以電弧焊、半自動(dòng)焊接為主。

3.4 管口預(yù)熱及相關(guān)參數(shù)整理

必須保證焊接層間溫度，高強(qiáng)鋼要求預(yù)熱時(shí)，預(yù)熱溫度和層間溫度嚴(yán)格以焊接工藝規(guī)程為準(zhǔn)，具體預(yù)熱參數(shù)如表3所示。提高焊件溫度能有效改善天然氣長(zhǎng)輸管道焊接期間焊接熱循環(huán)情況，控制冷卻速度可有效規(guī)避淬硬組織。東北地區(qū)因?yàn)闇夭钭兓螅貏e是冬季溫度比較低，可以適當(dāng)擴(kuò)大預(yù)熱范圍。常見(jiàn)裂紋傾向較大的低氫型焊條焊接參數(shù)如表4所示。

表3 天然氣長(zhǎng)輸管道焊接預(yù)熱參數(shù)

表4 低氫型焊條焊接參數(shù)

3.5 長(zhǎng)輸管道管口組對(duì)和拘束力控制

若天然氣長(zhǎng)輸管道管口組對(duì)拘束度比較大，那么受其影響焊接接頭位置焊接必然會(huì)出現(xiàn)拘束應(yīng)力變大的情況，這樣就會(huì)增加管道裂紋風(fēng)險(xiǎn)。還有就是殘余應(yīng)力也會(huì)變大，對(duì)裂紋預(yù)防也十分不利。長(zhǎng)輸管道強(qiáng)力組對(duì)加上管壁厚度大，拘束應(yīng)力隨之增加，抗裂紋性能降低。結(jié)合天然氣長(zhǎng)輸管道裂紋研究與焊接經(jīng)驗(yàn)總結(jié)等發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)輸管道焊接中裂紋出現(xiàn)最多的區(qū)域集中在裝配定位焊位置。裝配定位焊相對(duì)來(lái)講冷卻速度比較快，加上比較容易出現(xiàn)淬硬脆化，再者拘束應(yīng)力也比較大，因此為長(zhǎng)輸管道裂紋預(yù)防帶來(lái)不利?；诖?，裝配定位焊處理期間，一定要及時(shí)對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行除銹去污，隨時(shí)檢查焊縫情況，保證其飽滿達(dá)標(biāo)基礎(chǔ)上，積極完成焊接工藝對(duì)接。長(zhǎng)輸管道管口組對(duì)處理中，尺寸的調(diào)整參數(shù)必須嚴(yán)格根據(jù)焊接工藝規(guī)程加以明確，具體如表5所示。

表5 管道下向焊接管口組對(duì)參數(shù)整理

3.6 清理與打磨長(zhǎng)輸管道焊縫根部

焊縫根部的清理非常關(guān)鍵，待焊接完畢必須及時(shí)對(duì)焊縫根部進(jìn)行清理與打磨?？梢杂行宄附悠陂g熔合線位置存在的缺陷，還能夠保證定位焊區(qū)域整潔。焊接縫隙均勻過(guò)渡，無(wú)氣泡與裂紋。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于天然氣長(zhǎng)輸管道來(lái)講，焊接裂紋不僅威脅長(zhǎng)輸管道的安全，同時(shí)也是天然氣運(yùn)輸應(yīng)用的安全隱患。裂紋的科學(xué)預(yù)防對(duì)天然氣長(zhǎng)輸管道來(lái)講尤為重要。裂紋的產(chǎn)生原因多元化，如溫度變化、水分影響或者是焊接工藝等。明確裂紋出現(xiàn)具體原因的基礎(chǔ)上，積極對(duì)癥下藥的制定解決措施，通過(guò)對(duì)焊接流程的梳理與注意細(xì)節(jié)的分析，多方面去改善天然氣長(zhǎng)輸管道焊接條件，降低裂紋出現(xiàn)率，提高長(zhǎng)輸管道焊接質(zhì)量。明確長(zhǎng)輸管道焊接各方面參數(shù)，嚴(yán)格按照焊接標(biāo)準(zhǔn)完成焊接操作，以此總結(jié)天然氣長(zhǎng)輸管道焊接與裂紋預(yù)防經(jīng)驗(yàn)，為后期焊接工作的開(kāi)展與管道焊接水平的提高提供參考。