在役管道焊接工藝關鍵技術探討

牛志勇，蔡亮，崔尚琳，張凱靈，呂林林，趙海霆

（1. 中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000）

（2. 中航油京津冀物流有限公司，天津，300300）

（3. 中油國際管道公司中緬油氣管道項目曼德勒管理處，北京 100029）

（4. 中國石油西南油氣田公司輸氣管理處，四川 成都 610000）

（5. 中國石油青海油田分公司管道處，青海 格爾木 816000）

1 前言

長輸管道是我國第五大運輸行業(yè)，具有高效、安全、環(huán)保的優(yōu)點。由于建設施工階段中焊接缺陷、機械損傷以及運行階段中腐蝕、第三方破壞等因素，導致管道缺陷發(fā)生油氣泄漏事故。焊接是管體不可接受缺陷修復的主要方法[1]。在役管道焊接是一種高效、經(jīng)濟的修復方法，具有保證管道運行連續(xù)性、修復時間效率高等優(yōu)點，是管道維搶修技術的發(fā)展方向。在役管道焊接應采用專門安全措施，保證焊接質(zhì)量安全以及操作者人身安全。由于高鋼級管線鋼管和設計壓力提高，對在役管道焊接工藝提出了更高要求。通過調(diào)研國內(nèi)外在役管道焊接技術現(xiàn)狀，分析影響在役管道焊接質(zhì)量因素，提出了在役管道焊接工藝評定要求。研究成果對于保障我國長輸管道安全運行和改進管道維搶修工作具有重要意義。

2 國內(nèi)外在役管道焊接技術現(xiàn)狀

在役管道焊接不同于新建管道焊接作業(yè)，在役管道焊接是在管內(nèi)有介質(zhì)（原油、成品油或天然氣）流動情況下進行。美國最早開始在役管道焊接研究工作并制定了標準規(guī)范，例如美國Battelle焊接研究所系統(tǒng)開展在役管道焊接最小壁厚、溫度、應力等方面研究。美國石油協(xié)會制定API Std 1104-2013《管道及相關設施的焊接》，規(guī)定了在役管道焊接工藝評定規(guī)程以及焊工資質(zhì)認定程序等。

目前較為公認的在役管道焊接安全措施和注意事項：

（1）在役管道焊接過程中，管道內(nèi)必須充滿油品或氮氣，不存在任何蒸汽空間。

（2）在役管道焊接前，應對所焊管道部位進行壁厚檢測。

（3）搶修焊縫離管體環(huán)焊縫的距離不得小于兩個熱影響區(qū)加上20mm的位置進行施焊。

（4）焊接時不允許在主體管道上引弧，焊接過程中不允許焊條停留在一個位置，避免燒穿管道。

（5）焊接加強圈內(nèi)圈和外圈時，應交替焊接，避免應力集中。

（6）搶修焊接應一次完成，中間不應停止

在役管道焊接主要型式是補焊、補板、管道全包圍對開三通焊接、加強套管焊接、管道支管以及加強圈焊接等。原油管道在線焊接，焊接處管內(nèi)壓力宜小于管道允許工作壓力的0.5倍，且原油充滿管道；天然氣或者成品油管道在線焊接，焊接處管內(nèi)壓力宜小于管道允許工作壓力的0.4倍，且成品油充滿管道。上述原則對于大多數(shù)情形較為保守，如在線焊接管道壓力不滿足上述要求，應按照下式確定管道焊接壓力，并進行風險評估。

式中P在線焊接管道壓力，MPa；σs管材最小屈服強度，MPa；t焊接處管道壁厚，mm；c因焊接引起的壁厚修正值，一般取值2.4mm；D管外徑，mm；F安全系數(shù)，原油成品油管道取值0.6，天然氣管道取值0.5。

封堵管件焊接時，管道內(nèi)液體流速不大于5m/s，氣體流速不大于10m/s。國內(nèi)在役管道焊接管內(nèi)介質(zhì)流速推薦值，液體流速不大于2m/s，氣體流速不大于7m/s。

3 影響在役管道焊接質(zhì)量的因素

在役管道焊接主要存在兩方面風險：焊接電弧灼傷穿透管壁造成破裂，也就是燒穿風險；二是產(chǎn)生氫致裂紋風險。

3.1 管壁燒穿

美國Battelle焊接研究所開展焊接數(shù)值模擬研究，管內(nèi)介質(zhì)流速增加時，不發(fā)生燒穿的可焊壁厚也隨之增加。提出6.4mm是防止燒穿的臨界壁厚。該研究成果被美國標準API Std 1104采納，針對X65鋼級及以下管道壁厚大于6.4mm，使用低氫焊條、設定合理的焊接參數(shù)不會產(chǎn)生燒穿問題。

一般認為管道內(nèi)壁溫度超過臨界點，可能增加管壁燒穿的可能性。美國愛迪生焊接研究所（Edison Welding Institute，EWI）研究結(jié)論是：在役管道焊接采用低氫焊條和纖維素焊條，保證焊接處管內(nèi)壁溫度不高于980℃和760℃不會發(fā)生燒穿。該結(jié)論適用范圍有限，特別是特別是X80高鋼級管線鋼管徑厚比更高，焊接時管道溫度均高于1000℃。該方法對于小管徑管道判定燒穿較為適宜。

3.2 氫致裂紋

氫致裂紋危害性在于降低管道機械承壓性能，造成管道延遲失效，具有不可預見性。基本方法是使用低氫焊條，焊接前徹底清理雜質(zhì)、水分和油漬。在役管道焊接易形成較硬的焊接熱影響區(qū)，這類區(qū)域?qū)渲铝鸭y比較敏感。特別是X65以上管線鋼管形成淬硬熱影響區(qū)可能性更大，一般將熱影響區(qū)硬度作為管道氫致裂紋失效的評價指標，API Std1104規(guī)定是在役管道焊接硬度不應超過HV350。通過對焊縫金屬和熱影響區(qū)進行硬度試驗，可以預測是否有氫致裂紋傾向。

4 在役管道焊接工藝評定

針對影響在役管道焊接質(zhì)量的因素，氫致裂紋與流速有關，與壓力無關；管壁燒穿與壓力有關，與流速無關。管道在線焊接工藝評定應分別考慮管壁燒穿和氫致裂紋因素。API Std 1104規(guī)定了推薦采用模擬試驗方法，并指出用計算機數(shù)值模擬不能替代焊接工藝評定；焊接試驗條件應與管道運行條件相同（保證帶壓和一定流速）。在役管道焊接工藝評定方法分為一階段和兩階段模式。

一階段模擬指完全模擬管道壓力和流速，搭建管道回路，配備電機和大功率泵。或者在運行管道跨接試驗管段，使用截斷閥控制開閉，焊接結(jié)束后測試焊接接頭力學性能。該方法可以真實反映在役管道焊接條件，但費用很高，連接試驗管段對管道運行造成風險等。

文獻[2]采用兩階段模擬試驗法，以蘭成渝管道為例，研究了管道在線焊接修復與搶修方法，包括管道上焊接套管、支管和三通等部件，其中動態(tài)試驗模擬管道有流量下的焊接，靜態(tài)試驗模擬管道帶壓情況下的焊接，分別驗證影響管道焊接質(zhì)量的氫致裂紋問題和管壁燒穿問題。該方法減少了在實際運行管道開展焊接試驗的不安全因素和風險，節(jié)約了建設模擬管道及設施的費用，證明兩階段模擬法適用于液體管道在線焊接工藝評定試驗。

以我國運行超過30年的東北管網(wǎng)補焊、補板搶修焊接工藝試驗為例，鋼級16Mn，管徑720×8.9mm，輸送介質(zhì)為原油，最高運行壓力為4.5MPa，在線焊接時壓力降至2MPa以下，流速1-2.15m/s。通過控制焊接工藝參數(shù)，試驗結(jié)果表明，在役管道焊接質(zhì)量及安全是可以保證的，主要結(jié)論如下：

（1）在低流速和低運行壓力情況下，可以不考慮流速和壓力對燒穿和硬度的影響。

（2）對于點腐蝕坑堆焊，采用直徑3.2mm的低氫焊條，采用焊接工藝參數(shù)（焊接電流105A），持續(xù)焊接時間不超過60s，允許焊接腐蝕坑管材的最小剩余厚度為4.9mm。如一次未完成堆焊，需要繼續(xù)填補焊接，等待焊縫金屬冷卻至150℃以下并清除焊渣后進行。

（3）盡量采用較小焊接線能量、多層多道焊接。焊接應從腐蝕坑或腐蝕面的邊緣開始焊接，形成圓形或橢圓形焊道，并逐層向中心推移，最后焊接腐蝕坑或腐蝕面的中心部位。每道圓形或橢圓形焊道的起弧點不應在同一位置。

（4）相鄰點腐蝕坑以及點腐蝕坑與環(huán)焊縫的最小距離為21mm。

（5）對于面腐蝕坑進行多道堆焊焊接，采用焊接工藝參數(shù)（焊接電流小于105A），允許焊接腐蝕坑管材的最小剩余厚度為4.9mm。每條焊道層間溫度應低于150℃，且每層焊道的焊接熔渣清除干凈。

（6）試驗結(jié)果表明，在立焊位置發(fā)生燒穿的可能性相對其他位置較大，應嚴格控制焊接熱量輸入。

（7）采用補弧板進行腐蝕坑補強，補板間最小距離、補板與環(huán)焊縫的距離不小于3倍壁厚且大于20mm?？紤]實際誤差和便于操作，推薦補板間最小距離、補板與環(huán)焊縫的距離不小于100mm。

5 結(jié)束語

在役管道焊接是管道維搶修技術的關鍵環(huán)節(jié)，為降低管道燒穿和氫致裂紋失效，應結(jié)合國內(nèi)外在役管道焊接研究成果制定科學合理的焊接參數(shù)，輔以嚴密的過程監(jiān)控和焊縫檢測技術，保證焊縫質(zhì)量安全可靠。生產(chǎn)實踐證明，在役管道焊接存在不可預見因素和操作人員技能差異影響，除進一步研究高鋼級管道焊接工藝技術外，還應探索建立在役管道焊接安全管理體系，確保焊接組織、物資、技術、監(jiān)督等全過程可控。