油氣管道環(huán)焊縫新型修復(fù)技術(shù)研究

張永弟，常維純，郭 旭，陳洪民，陳海鵬，賈 康，孫寶鈺，陳佳興

(1.河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.國家管網(wǎng)集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院分公司，河北廊坊 065000；3.國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道公司，河北廊坊 065000)

管道是目前油氣運(yùn)輸最安全、最經(jīng)濟(jì)的方式。為了滿足社會和工業(yè)生產(chǎn)對能源的需求，進(jìn)一步提升油氣運(yùn)輸能力，近40年來，能夠適應(yīng)高壓、薄壁、大口徑長輸油氣管道性能要求的高強(qiáng)度管線鋼得到了持續(xù)研發(fā)和推廣應(yīng)用，工業(yè)化應(yīng)用鋼級已由X70鋼提升至X80鋼，試驗(yàn)性鋼級已提升至X120鋼[1-5]。X80管線鋼是采用微合金控軋技術(shù)研制，強(qiáng)度高，韌性好，是目前中國使用的高強(qiáng)度級別的管線鋼，已大量鋪設(shè)在“西氣東輸”工程中。管道敷設(shè)距離跨度大，經(jīng)過的地形地貌復(fù)雜，土壤介質(zhì)成分復(fù)雜，由于焊接區(qū)存在較大的組織性能的不均勻性和殘余應(yīng)力，加之受土體移動(dòng)等附加載荷的影響，由于環(huán)焊縫缺陷而引起的事故時(shí)有發(fā)生。自2008 年以來，以西氣東輸二線、 漠大線、陜京三線等為代表的高鋼級(X70，X80)、大口徑(Ф1 016 mm，Ф1 219 mm)管道建設(shè)現(xiàn)場，由于焊接工藝難度增大、缺陷漏檢率較高，在管道建成試壓和投產(chǎn)運(yùn)行初期，由于環(huán)焊縫缺陷引起的事故在70%以上。

油氣管道環(huán)焊縫的傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)有打磨、堆焊、B型套筒、環(huán)氧鋼套筒、機(jī)械夾具、換管等。在堆焊、B型套筒以及換管屬于焊接修復(fù)技術(shù)，其中B型套筒是高鋼級管道環(huán)焊縫缺陷的首選修復(fù)技術(shù)，但修復(fù)過程中由于焊接時(shí)間長、預(yù)熱不良、冷卻慢等原因，會導(dǎo)致角焊縫出現(xiàn)橫向和縱向裂紋[6]，而且套筒預(yù)制成本較高，如B型套筒修復(fù)1422管徑的X80管道，套筒加焊接，修復(fù)一次花費(fèi)幾十萬元；換管修復(fù)需要停輸，修復(fù)周期長、成本高，以中俄東線為例，天然氣輸量為380億m3/a，每年輸送時(shí)長不低于350 d，停1 d，就少輸1億m3，損失巨大；而低成本的堆焊修復(fù)方式在服役管道上焊接時(shí)，存在氫脆和冷脆的危險(xiǎn)，國外禁用[7]。打磨、環(huán)氧鋼套筒和機(jī)械夾具屬于非焊接修復(fù)技術(shù)，對一般的環(huán)向裂紋或環(huán)焊縫缺陷還有可能繼續(xù)發(fā)展的內(nèi)部缺陷，不推薦使用該類修復(fù)技術(shù)[8]。

在高鋼級環(huán)焊縫缺陷頻發(fā)的情況下，為了提高管道安全性能，需采取及時(shí)有效的手段對管道缺陷進(jìn)行修復(fù)。隨著冷噴涂、激光熔覆和電弧增材等新型修復(fù)技術(shù)的發(fā)展，在當(dāng)前大口徑高鋼級環(huán)焊縫缺陷頻發(fā)的情況下，嘗試把新型修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于環(huán)焊縫修復(fù)，研究其可行性和經(jīng)濟(jì)性具有重要的實(shí)際意義，本文對X80管線鋼環(huán)焊縫缺陷展開新型修復(fù)技術(shù)研究。

1 修復(fù)技術(shù)對比

1.1 傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)

環(huán)焊縫缺陷指由于工藝、技術(shù)或操作環(huán)境等原因產(chǎn)生的缺陷，主要包括裂紋、氣孔、咬邊、夾渣、未熔合和未焊透等[9]。國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)推薦了管道環(huán)焊縫缺陷的傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)及適用管材等級如表1所示。美國、俄羅斯、加拿大等國際著名管道公司(如BP，TRANSCANADA，ENBRIDGE和Gazprom等)，修復(fù)油氣管道均參照美國管道研究委員會頒布的《管道修復(fù)手冊》進(jìn)行管道維修[10]。中國油氣管道標(biāo)準(zhǔn)的制定主要借鑒國外的PRCI，ASME PCC-2《壓力設(shè)備和管道維修》[11]，針對環(huán)焊縫缺陷修復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T 36701—2018，SY/T 6649—2018等。各公司制定的標(biāo)準(zhǔn)之間推薦的修復(fù)方法存在一定差異，目前尚無統(tǒng)一的管道環(huán)焊縫缺陷修復(fù)方法行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[12]。

1.2 新型修復(fù)技術(shù)

隨著科技的發(fā)展，近些年出現(xiàn)了激光熔覆、冷噴涂和電弧增材制造等先進(jìn)的增材修復(fù)技術(shù)，通過逐層堆疊材料來恢復(fù)零件失效部分的形狀、尺寸和性能，并可根據(jù)需要添加微量元素來提高零件的服役壽命。

表1 管道環(huán)焊縫缺陷傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)

1)激光熔覆(laser cladding，LC)又稱激光熔敷或激光包覆，是在基板表面添加熔覆材料，并使用高能激光束將其與基板表面薄層熔合的一種方法，激光束移除后自動(dòng)冷卻而形成修復(fù)層的技術(shù)。與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有以下優(yōu)點(diǎn)：冷卻速度快，熔覆層與基底之間冶金結(jié)合，可選擇熔覆粉末的范圍廣(鐵基，鈷基，金屬陶瓷材料等)，熔覆層厚度范圍廣，被用于重載、大尺寸損傷件的再制造修復(fù)[13]。

激光熔覆技術(shù)目前尚存在以下幾方面問題：①熔覆過程中工藝參數(shù)的不可控因素。激光熔覆的技術(shù)參數(shù)如激光能量、光斑尺寸、熔覆速度、送粉方式和送粉速度等對熔覆層的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)起著決定性的作用，而且許多技術(shù)參數(shù)仍相互影響制約。目前各類科研及生產(chǎn)機(jī)構(gòu)所使用的參數(shù)仍以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為主[14]，缺乏理論依據(jù)；②激光熔覆用于修復(fù)應(yīng)用，目前以金屬粉材居多，修復(fù)力學(xué)性能滿足要求，但修復(fù)效率低(4 000 W激光器掃描速度10～15 mm/s)、成本高，粉末利用率低(20%～70%)，熔覆過程需要惰性氣體(一般為氬氣)保護(hù)，金屬粉末直徑在48～150 μm，粉末需要干燥，對修復(fù)工況要求高。

2)冷噴涂(cold gas dynamic spray，CGDS，冷空氣動(dòng)力噴涂)，通過低溫(<600 ℃)、高速(300～1 200 m/s)的小顆粒(1～50 μm)氣流撞擊金屬或絕緣基板表面時(shí)，顆粒在整個(gè)過程中不會熔化而是保持固體，并且這些顆粒經(jīng)過純塑性變形并聚合形成涂層[15]。冷噴涂具有低溫(<150 ℃)、無氧化、可制備復(fù)合涂層、對基材的熱效應(yīng)小、涂層的孔隙率低、成型涂層的壓應(yīng)力和殘余應(yīng)力低、沉積速率高，并且可以保留原始粉末材料等特性。在航空航天零部件修復(fù)中可以避免因熱輸入過大、溫度過高導(dǎo)致的修復(fù)部分產(chǎn)生氧化夾雜、熱變形和開裂等缺陷[16]。

冷噴涂修復(fù)技術(shù)目前尚存在以下幾方面問題：①冷噴涂修復(fù)最大厚度僅10 mm；②冷噴涂結(jié)合強(qiáng)度低，結(jié)合力在30～100 MPa，鑒于此，目前多用于保護(hù)涂層和功能涂層；③冷噴涂工藝常使用氦氣來提高噴涂質(zhì)量，尤其是在噴涂鋼、鎳或高溫合金時(shí)，這會增加工藝成本[17]；④冷噴涂不能沉積在相對于噴涂方向小于約45°的表面上。

3)電弧增材制造技術(shù)(wire arc additive manufacture，WAAM)是一種利用逐層熔覆原理，利用熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)、鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)和等離子體弧焊(PAW)等焊機(jī)產(chǎn)生的電弧為熱源，通過金屬絲材的添加，在由缺陷數(shù)據(jù)模型生成的路徑規(guī)劃程序驅(qū)動(dòng)下由點(diǎn)—線—面—體逐漸成形，使缺陷零件恢復(fù)形貌和性能的先進(jìn)增材修復(fù)技術(shù)[18]。電弧增材為失效或缺陷零件的修復(fù)提供了高效、低成本的解決方案，在航空航天、能源化工、管道運(yùn)輸?shù)雀叨搜b備領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

電弧增材制造技術(shù)具有如下特點(diǎn)：①電弧增材制造采用電弧熔化絲材，單根絲材熔化效率可達(dá)到3～6 kg/h，成形效率高、成本低[19]；②電弧增材制造的驅(qū)動(dòng)裝備是多軸機(jī)器人，自由度較高，易于對大型構(gòu)件任意局部位置進(jìn)行修復(fù)；③電弧增材制造可外加導(dǎo)軌，增加機(jī)器人移動(dòng)范圍，適合大型復(fù)雜構(gòu)件的成形；④電弧增材制造適用材料廣泛，比如不銹鋼、鎳基高溫合金、鈦合金、鋁合金、30CrMnSiA高強(qiáng)鋼等[20]。

1.3 油氣管道環(huán)焊縫缺陷新型修復(fù)技術(shù)的可行性分析

目前3種新型修復(fù)技術(shù)中冷噴涂的結(jié)合力弱，涂層厚度有局限性；激光熔覆成本高，粉末利用率低，對工況環(huán)境要求較高；電弧增材修復(fù)效率高、成本低、可對大型構(gòu)件的任意局部位置進(jìn)行堆積。對3種新型修復(fù)技術(shù)進(jìn)行對比分析，采用電弧增材制造技術(shù)用于油氣管道環(huán)焊縫修復(fù)的可行性較高，因此對電弧增材修復(fù)技術(shù)展開實(shí)驗(yàn)研究。

2 電弧增材修復(fù)環(huán)焊縫實(shí)驗(yàn)

寬板拉伸試驗(yàn)方法是管道環(huán)焊縫缺陷評估的重要手段[21]。與常規(guī)環(huán)焊縫缺陷評估方法相比，寬板拉伸試驗(yàn)具有其獨(dú)特的優(yōu)越性[22]。本研究采用X80管線鋼管外徑為1 422 mm,壁厚為22 mm。 X80管線鋼基材試樣3件，編號為0，1和2號試樣，其中0號試樣是傳統(tǒng)焊接工藝修復(fù)的試件，人為對1號和2號試樣的環(huán)焊縫處制造深度11 mm，坡口60°的環(huán)焊縫缺陷，采用CMT工藝，送絲速度4.4 m/min，直徑為1.2 mm的ER50-6 的焊絲對其進(jìn)行修復(fù)。對修復(fù)后試件機(jī)加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件，采用WE-60液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，對修復(fù)后的拉伸性能和斷面形貌進(jìn)行分析。

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

垂直于X80油氣管道焊縫軸線處截取試樣，如圖1 a)所示，依據(jù) Q/SYGJX 0110—2007 《西氣東輸二線管道工程線路焊接技術(shù)規(guī)范》和 GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》的要求將拉伸試樣加工成如圖1 b)所示的全壁厚矩形試樣。

從性別差異視角出發(fā)，即新媒體對工作匹配的影響是否會突出地表現(xiàn)在女性農(nóng)民工身上(模型三)的具體回歸結(jié)果則如表4所示：

圖1 拉伸試樣取樣Fig.1 Sampling of tensile specimens

按照 GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》、GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法》的要求，通過計(jì)算將拉伸試樣進(jìn)行加工。機(jī)加工時(shí)不去除焊縫余高，并確保試樣兩端足夠夾持住，加工完成的標(biāo)準(zhǔn)件如圖2所示。

圖2 拉伸試樣Fig.2 Tensile specimen

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

1)人為制造環(huán)焊縫缺陷

在試件1和試件2環(huán)焊縫處人為制造V型坡口缺陷，如圖3所示。該坡口的關(guān)鍵參數(shù)是坡口角度(a)和坡口深度(h)。設(shè)計(jì)的V型坡口角度為60°，坡口深度為11 mm。坡口角度不宜過小，否則焊接過程中產(chǎn)生的熔渣和一氧化碳?xì)怏w不能翻滾、浮出，導(dǎo)致氣孔、夾渣缺陷發(fā)生率的增加。

圖3 環(huán)焊縫V型坡口缺陷Fig.3 V-shaped defect of girth weld

2)電弧增材修復(fù)環(huán)焊縫缺陷實(shí)驗(yàn)

采用1.2 mm直徑的ER50-6焊絲，對試件1和試件2的V型坡口缺陷進(jìn)行修復(fù)，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)參見 GB/T 8110—2008《氣體保護(hù)電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》。在進(jìn)行擺動(dòng)焊接實(shí)驗(yàn)時(shí)，除了常規(guī)焊接參數(shù)，例如焊接電流、焊接電壓等對焊縫成形產(chǎn)生影響外，擺動(dòng)模式、擺動(dòng)長度以及擺動(dòng)寬度也會產(chǎn)生影響[23]。經(jīng)過常規(guī)焊接參數(shù)對焊縫成形影響規(guī)律的研究，最終采用冷金屬過渡工藝(CMT)進(jìn)行修復(fù)，具體工藝參數(shù)如表2所示。修復(fù)過程中用FLUKE(福祿克)紅外熱像儀進(jìn)行溫度檢測，顯示最高溫度583 ℃，修復(fù)完后立刻離線檢測：修復(fù)面背面溫度小于240 ℃。修復(fù)后的試件如圖4所示。

圖4 WAAM修復(fù)后的試件Fig.4 Specimens after WAAM repair

表2 WAAM工藝參數(shù)

3)拉伸試驗(yàn)

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖5 斷面形貌Fig.5 Cross-sectional shape

3 結(jié) 語

本研究是新型修復(fù)技術(shù)在石油天然氣領(lǐng)域油氣管道環(huán)焊縫缺陷修復(fù)中的開拓性創(chuàng)新研究，通過理論分析和初步試驗(yàn)證明其進(jìn)一步研究的方向和可行性，通過對高鋼級油氣管道環(huán)焊縫缺陷的修復(fù)需求，對比并分析了激光熔覆、冷噴涂和電弧增材3種新型修復(fù)技術(shù)，研究結(jié)論如下。

1)根據(jù)目前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，激光熔覆金屬粉末利用率低，對修復(fù)工況要求較高；冷噴涂修復(fù)界面結(jié)合力低，力學(xué)強(qiáng)度不滿足要求；電弧增材制造沉積效率高、成本低，力學(xué)性能可滿足要求，CMT工藝溫度低，可行性較好。

2)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電弧增材修復(fù)的環(huán)焊縫拉伸試件抗拉強(qiáng)度最高達(dá)639 MPa，與母材的抗拉強(qiáng)度幾乎一致，與管體基材強(qiáng)度匹配。

研究結(jié)果得出了電弧增材制造技術(shù)離線修復(fù)油氣管道環(huán)焊縫缺陷的可行性，力學(xué)性能滿足修復(fù)要求。本研究目前尚存在以下不足：試驗(yàn)樣本數(shù)較少且人為制造的環(huán)焊縫缺陷比較深、焊絲直徑偏大，關(guān)于環(huán)焊縫修復(fù)的普遍變化規(guī)律未能給出一定的量化分析。后期研究可增加試驗(yàn)數(shù)量，對管道缺陷進(jìn)行光學(xué)掃描，建立三維修復(fù)模型，生成修復(fù)路徑，進(jìn)行數(shù)字化修復(fù)，并進(jìn)一步對修復(fù)工藝參數(shù)和材料等進(jìn)行深入研究。