油氣管道帶壓焊接燒穿的研究進(jìn)展*

張萍 閆臣 王飛 尹長華 韓濤

1北京石油化工學(xué)院工程師學(xué)院

2中國石油天然氣管道局

3中石油煤層氣有限責(zé)任公司忻州采氣管理區(qū)

由于我國石油和天然氣資源分布不平衡，需要鋪設(shè)超長的油氣管道來輸送。長距離、大管徑、高壓力成為陸上油氣輸送管道的發(fā)展方向。截至2017 年底，中國油氣長輸管道（主要指三大油公司級省網(wǎng)公司建設(shè)的產(chǎn)地、儲存庫、使用單位間用于輸送商品介質(zhì)的管道）總里程已達(dá)13.14×104km，其中天然氣管道約7.26×104 km，原油管道約3.09×104km，成品油管道約2.79×104km[1]。這些管道上游沿線地形地貌復(fù)雜，下游則是中國人口稠密、經(jīng)濟發(fā)達(dá)的省市。在服役過程中，腐蝕、損傷等會造成管道的局部壁厚減少，導(dǎo)致承載內(nèi)壓的能力下降，因此需對減薄部位進(jìn)行焊接修補。傳統(tǒng)的焊接方法是停止運輸，泄壓并吹散、清理管內(nèi)的殘余油氣，而后進(jìn)行焊接，這會導(dǎo)致居民用氣受到阻礙，環(huán)境受到污染，經(jīng)濟損失嚴(yán)重。帶壓焊接修復(fù)技術(shù)具有修補速度快、供氣持續(xù)、污染小等優(yōu)點[2]，備受關(guān)注。

為了保證焊接過程的安全及焊接的質(zhì)量，一般認(rèn)為帶壓焊接中需重點關(guān)注兩個因素[3-4]：燒穿和氫致裂紋。也有學(xué)者認(rèn)為還應(yīng)考慮管壁的滲碳和滲氫、介質(zhì)的熱分解、腐蝕與疲勞等因素[5-6]。如果燒穿，管道內(nèi)的油氣會起火燃燒，對管道周圍人員的生命財產(chǎn)帶來巨大威脅，同時泄漏的油氣還會污染周圍的環(huán)境，浪費大量資源，因此在這些因素中，必須優(yōu)先考慮燒穿。目前我國超一半以上的現(xiàn)存管道服役年限超過十年，逐漸老化的管道面臨修復(fù)問題，因此研究燒穿機理以及如何預(yù)防燒穿意義重大。

1 燒穿機理研究

一般認(rèn)為燒穿的機理是：帶壓焊時由于管道的局部升溫使得金屬材料熔融，如果焊接時電弧功率過大，溫度過高時，會產(chǎn)生直接燒穿；未熔融的金屬材料在管道內(nèi)介質(zhì)壓力的影響下發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生失穩(wěn)燒穿[7]（圖1）。

圖1 帶壓焊接中燒穿失效形式Fig.1 Burn-through failure mode in pressure welding

進(jìn)一步的研究表明：帶壓焊接燒穿是管壁金屬在高溫和拉應(yīng)力共同作用下，因熔池下方高溫金屬的強度下降，其承載能力低于管道運輸壓力，發(fā)生了管道破壞，其本質(zhì)是一個宏、微觀結(jié)合的過程，即含微缺陷的管壁材料，在焊接高溫和內(nèi)壓的共同作用下，因微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞，降低了管壁材料的強度，微裂紋、孔洞等缺陷易于擴展匯集，產(chǎn)生了貫穿性的主裂紋和宏觀裂紋，最后管道失穩(wěn)、破壞，造成燒穿[8]。

最近有研究者開始從原位高溫試驗及原子層面對其進(jìn)行微觀機理的研究。WU 等[9-10]通過原位高溫拉伸試驗和原位金相試驗及有限元仿真，研究了管道金屬不同微區(qū)的裂紋萌生和擴展機制，指出在熔池下方處焊件徑向變形產(chǎn)生拉應(yīng)力，在拉應(yīng)力下易產(chǎn)生分布于徑向變形管壁上的穿透裂紋；融合線處的應(yīng)變最高，在拉伸載荷作用下，融合線附近的晶界成為微裂紋的起源；熔池下方不同微區(qū)的裂紋萌生機制不同（在熔合區(qū)，晶界熔化導(dǎo)致晶間脆性斷裂；在粗晶粒區(qū)，位錯滑移帶在晶界引起應(yīng)力集中，裂紋容易出現(xiàn)在晶界和晶界匯交的連接處）。

QIAO 等[11]通過分子動力學(xué)模擬，從原子層面揭示了燒穿的微觀機理。其計算結(jié)果表明，隨著應(yīng)變的積累，位錯滑移帶的形成，局部應(yīng)力的集中，使得許多原子鍵被破壞，形成微缺陷，裂紋快速擴展并發(fā)展為貫穿裂紋，最終導(dǎo)致失效；熔合線附近的材料力學(xué)性能最差，材料的力學(xué)性能下降具有時間效應(yīng)，即在焊弧通過后的幾秒鐘，熔池下方的區(qū)域性能更差，這顛覆了最危險的地方在最大熔深的下方區(qū)域這一傳統(tǒng)觀點。

2 燒穿影響因素研究

燒穿的主要因素有：管道因素、焊接工藝與參數(shù)、介質(zhì)因素等（圖2）。

圖2 燒穿的影響因素Fig.2 Influencing factors of burn through

管道因素包括管道的材料性能、管道的直徑和管壁的厚度等。X65、X70 高強管線鋼在國內(nèi)已經(jīng)普遍使用，X80 是長輸管道油氣運輸中的主流用鋼。高強度管道鋼燒穿危險比低強度管道鋼低[12]。管道承受內(nèi)壓時，根據(jù)力學(xué)理論推導(dǎo)，其軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力與管道的直徑成正比，當(dāng)進(jìn)行管道帶壓焊時，厚度相同，內(nèi)壓相同時，隨著管道直徑的增加，管壁承受的拉應(yīng)力也增加，更容易發(fā)生燒穿。

中薄板帶壓焊接修復(fù)存在燒穿風(fēng)險。CISILINO等[13]通過實驗發(fā)現(xiàn)安全壁厚與工作壓力及介質(zhì)流量相關(guān)，隨著工作壓力、介質(zhì)流量的增加，安全壁厚相應(yīng)的減小。這是由于壁厚增大，改善了管線鋼金屬的熱傳導(dǎo)能力，提高了單位容積的管線在單位時間內(nèi)的散熱能力，管線的內(nèi)壁和外壁的最高工作溫度也相應(yīng)下降。

焊接時的工藝參數(shù)直接影響熔池的深度和熔池的寬度。當(dāng)熔池的深度變大時，已熔融金屬所占的比重增加，且未熔融區(qū)域溫度升高，其強度和硬度也會降低，在管內(nèi)壓力作用下，金屬易因塑性變形而造成燒穿[14]。

帶壓焊接管道內(nèi)部換熱機制主要為輻射換熱和對流換熱。影響內(nèi)部的換熱的因素包括管內(nèi)介質(zhì)的性質(zhì)、介質(zhì)的流速和內(nèi)壓。當(dāng)管內(nèi)運輸?shù)慕橘|(zhì)是液體時，產(chǎn)生燒穿的可能性隨內(nèi)壓的增加而上升，但當(dāng)運輸?shù)慕橘|(zhì)為氣體時，這一規(guī)律并不明顯；當(dāng)管內(nèi)介質(zhì)流速增加時，內(nèi)壁的熱量也被帶走得更多，因而越不容易燒穿[15]。HUANG 等[16]的研究表明隨著介質(zhì)的流量、運行壓力和管壁的厚度增加，熱影響區(qū)寬度和管道內(nèi)壁熱循環(huán)減小，換熱系數(shù)與氣體壓力成線性關(guān)系，而與流速的關(guān)系則是先呈指數(shù)關(guān)系迅速增加，然后隨著流速的增加呈線性增加。而郝建斌等[17]研究表明，管道的壁厚和壓力對燒穿的影響大，管道的流速對燒穿的影響小。燒穿是各種因素共同作用的結(jié)果，其影響因素作用的規(guī)律和機理仍是管道帶壓焊接的研究熱點。

3 燒穿判據(jù)研究

近年來，人們對如何確定帶壓焊接燒穿的判斷依據(jù)開展了廣泛深入的研究，形成了多種防止帶壓焊接燒穿的判斷依據(jù)，包括內(nèi)壁的最高溫度、管道的最小壁厚、有效的剩余壁厚、徑向變形量以及最大等效應(yīng)力等。

（1）內(nèi)壁的最高溫度。美國BMI 和EWI 研究所的研究結(jié)果為：為了防止燒穿，帶壓焊需采用低氫焊條進(jìn)行焊接，同時管道內(nèi)壁的溫度不得超過982 ℃[18-19]。BRUCE 等[20]發(fā)現(xiàn)當(dāng)內(nèi)壁溫度高達(dá)1 260 ℃時，帶壓焊接實驗中仍沒有發(fā)生燒穿。ODDY 等[21]指出，由于高強鋼不斷應(yīng)用于油氣管道的運輸中，管道壁厚越來越薄，很難保證焊接過程中內(nèi)壁最高溫度低于982 ℃。研究表明，當(dāng)介質(zhì)為水時，管道內(nèi)壓力會影響內(nèi)表面最高溫度。隨著材料的應(yīng)用范圍的擴展，研究的進(jìn)一步深入，采用內(nèi)壁的最高溫度不超過982 ℃作為判斷依據(jù)不夠準(zhǔn)確。

（2）管道的最小壁厚。API 1104 標(biāo)準(zhǔn)指出，采用低氫量焊條及常用焊接工藝規(guī)程，當(dāng)管壁厚度t≥6.4 mm 時，通常并不會發(fā)生燒穿，但當(dāng)壁厚低于該值時，燒穿卻有可能發(fā)生。SY/T 6554—2003標(biāo)準(zhǔn)指出，當(dāng)管壁厚度t＞12.8 mm 時，可以不考慮燒穿問題，當(dāng)管道壁厚低于該值時，就必須選擇合理的焊接線能量，以免能量過高引起燒穿[22]。LIN等[23]通過多組對比試驗得出焊接線能量為1.2 kJ/mm時，安全壁厚t≥7 mm。用有限元進(jìn)行計算，結(jié)果表明，當(dāng)壁厚t＜5.5 mm 厚度時容易發(fā)生燒穿，當(dāng)壁厚t＞8 mm 時，幾乎沒有燒穿風(fēng)險。研究表明最小壁厚與流速和壓力相關(guān)。管道的最小壁厚法僅適用于特定的焊接工藝及管線運行條件，對燒穿預(yù)測的應(yīng)用范圍比較小，所以對燒穿預(yù)測也僅起到輔助作用[24]。

（3）有效剩余壁厚。焊接時，由于焊縫和管壁外層部分金屬熔化，熔化的金屬喪失了強度，且因熱影響區(qū)高溫，材料本身的強度變低，管道承載能力下降。SABAPATHY[25-26]、薛小龍等[27-28]通過將熔池及高溫金屬材料轉(zhuǎn)化成常溫下的管道缺陷預(yù)測可焊內(nèi)壓，把焊接過程中，局部高溫造成的管壁強度降低量折換成管道常溫下管壁的金屬損失，從而獲得有效的剩余壁厚，然后使用適當(dāng)?shù)墓艿朗Ｓ鄰姸仍u價標(biāo)準(zhǔn)，確定可焊內(nèi)壓，預(yù)測帶壓焊接時管道是否會發(fā)生燒穿。也有學(xué)者將該方法稱之為剩余強度法。目前含體積型缺陷的評定體系可參考ASME B31G、NG -18、API RP579—2000、RSTRENG、DNV RP-F101、SAVP 以及我國的SY/T 10048—2003 等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

有效剩余壁厚法需要解決的核心問題是如何處理焊接缺陷。MATTHEW 提出了“等效腔”模型，將熔池附近等溫線內(nèi)的材料強度視為零，將等溫線外的強度視為與在正常溫度下的強度一致。采用計算機模擬計算出管壁材料從高溫到常溫轉(zhuǎn)化過程中，將三維熔池假定為平面熔池，并沿著最危險路徑對其強度進(jìn)行積分。壁厚相同、材質(zhì)相同的管道，如果熔池深度相同，長度或?qū)挾炔煌瑒t采用該方法計算的可焊內(nèi)壓是相同的，與常理不相吻合[29]。

對Q345 鋼的仿真帶壓焊接，采用將最危險路徑的一維積分法進(jìn)行了可焊壓力的計算，其仿真結(jié)果和實驗有較大的誤差；將該方法改進(jìn)為有效積分區(qū)域的三維積分法來計算管壁的剩余強度，結(jié)果表明有效積分溫度區(qū)間的選擇是保證剩余強度三維積分計算精度的關(guān)鍵，對于Q345 鋼而言，有效積分溫度區(qū)間取為430 ℃～1 450 ℃，仿真結(jié)果與實驗吻合。但是不同材料的有效積分溫度區(qū)間存在差異，因此需采用實驗與數(shù)值方法相結(jié)合的研究方式，以確定合適的有效積分溫度區(qū)間。

（4）徑向變形量。焊接時管道會發(fā)生徑向變形。當(dāng)管道內(nèi)無內(nèi)壓時，在焊接接頭處會產(chǎn)生向內(nèi)凹變形；而帶壓焊時，在管內(nèi)壓力及熱應(yīng)力作用下，接頭處會出現(xiàn)向外凸的變形[30-31]，當(dāng)管道內(nèi)壓超過臨界壓力時，該部位的徑向變形量會急劇上升而產(chǎn)生失穩(wěn)，所以這部分也是預(yù)防焊接燒穿時需要重點關(guān)注的部位[32]。

許多研究人員試圖用一個確定的徑向變形閾值來預(yù)測帶壓焊接中的燒穿。API 1104 標(biāo)準(zhǔn)指出，當(dāng)徑向變形量大于被焊板的厚度的10%時，極易產(chǎn)生燒穿[33]。PRCI（國際管道研究委員會）認(rèn)為0.4 mm 的徑向變形為是否發(fā)生燒穿的臨界值，而Sabapathy 等在南澳大利亞阿德萊德大學(xué)機械工程系發(fā)表的論文中認(rèn)為徑向變形的臨界值為1 mm，在兩年期國際管道會議中討論的結(jié)果則為0.38 mm[34-35]。

然而燒穿發(fā)生時的臨界最大徑向變形值與管壁厚度、熔池尺寸有著相當(dāng)復(fù)雜的關(guān)系，僅通過徑向變形超過一個定值來判斷是否燒穿具有一定的局限性。郭廣飛、韓濤等深入研究了管內(nèi)壓力和焊接時間與管道徑向變形之間的關(guān)系，研究結(jié)果表明，徑向變形量具有時間效應(yīng)，當(dāng)焊接進(jìn)行一段時間后，即使徑向變形量小于板厚的10%，也可能會發(fā)生燒穿現(xiàn)象，這就意味著實際帶壓焊接中，在嚴(yán)格遵守焊接工藝參數(shù)的同時，還必須嚴(yán)格控制連續(xù)焊接時焊道長度，并盡可能使用中短焊縫，不要使用長焊縫進(jìn)行連續(xù)焊；此外，在預(yù)測焊接是否存在燒穿風(fēng)險時，選用瞬時最大徑向變形量法比選擇內(nèi)壁最大徑向變形量法更貼近實際情況[36]。盧玉秀探討了管道內(nèi)部壓力與徑向變形量之間的關(guān)系，研究表明：隨著管內(nèi)壓力的逐漸增加，管道的徑向變形也逐漸增加，并且與介質(zhì)壓力呈線性關(guān)系，當(dāng)內(nèi)壓達(dá)到一定數(shù)值后，徑向變形量會顯著增大，這個內(nèi)壓值即為帶壓焊接的可焊壓力[37-38]。

（5）最大等效應(yīng)力。由強度理論可知，當(dāng)塑性材料的最大等效應(yīng)力超過材料的屈服強度時，就會發(fā)生屈服失效。對于帶壓焊，在仿真時需考慮金屬材料的高溫?zé)嵛锢硇阅?、高溫力學(xué)性能及相變參數(shù)，獲得焊接過程中的應(yīng)力分布，并通過比較von Mises（屈服準(zhǔn)則）等效應(yīng)力和金屬材料的高溫屈服強度，預(yù)測帶壓焊接是否燒穿。

董平戰(zhàn)指出，最大熔深處的管材受拉應(yīng)力作用時，當(dāng)最大等效應(yīng)力大于該部位管材屈服強度時，會引起燒穿失穩(wěn)[39]。當(dāng)管壁三分之二處的von Mises 等效應(yīng)力大于材料在相應(yīng)溫度下的屈服強度時，會有燒穿的風(fēng)險。最危險的路徑是沿壁厚具有最大塑性失效深度的路徑，當(dāng)最危險路徑超過管壁三分之二的von Mises 等效應(yīng)力大于相應(yīng)溫度下的屈服強度時，燒穿的風(fēng)險高。

綜上所述，現(xiàn)有的帶壓焊接燒穿判據(jù)大多是基于宏觀燒穿現(xiàn)象的經(jīng)驗判據(jù)，是對部分影響因素做出的研究，存在對影響因素考慮不全、過分簡化導(dǎo)致誤差過大等問題。因此，這些燒穿的判斷依據(jù)仍需要進(jìn)一步研究，以確保其預(yù)測燒穿的準(zhǔn)確性。

4 預(yù)防燒穿措施

從以上研究可見影響燒穿的主要因素有三個方面，即管道壁厚、焊接工藝、內(nèi)壓及管內(nèi)介質(zhì)流速等，目前并沒有通用于各種管道、工藝、介質(zhì)流速壓力的顯式公式將這些因素耦合在一起，帶壓焊接的燒穿問題仍然是該技術(shù)的一個熱點研究內(nèi)容。目前為了降低燒穿風(fēng)險所采用的措施，大致定性地從以下幾個方面著手。

（1）合理的壁厚。管壁越厚，熱傳導(dǎo)能力越強，在同樣的焊接工藝和管內(nèi)介質(zhì)運行前提下，管道內(nèi)壁的最高溫度越低，剩余管壁越厚，也就更不容易產(chǎn)生燒穿，但成本高。由此可見，在保證安全運行的前提下，需減小管道壁厚度。SY/T 6554—2003 標(biāo)準(zhǔn)中提出的4.8 mm，是大多數(shù)帶壓焊規(guī)范中所選擇的最小母材管道壁厚。為避免燒穿，實際的母材最小壁厚必需加上一個安全厚度（通常是2.4 mm）。

（2）合理的焊接線能量和焊條直徑。帶壓管道的焊接主要考慮兩方面：燒穿和氫致裂紋。管道帶壓焊時，介質(zhì)的流動帶走熱量，焊接區(qū)域快速冷卻，使得焊接接頭處更易形成淬硬組織，該組織在焊接拉應(yīng)力和氫的擴散作用下，易形成氫致裂紋。小的線能量和快的冷卻速度雖然能夠降低燒穿的風(fēng)險，但同時也提高了氫致裂紋的風(fēng)險。所以，在選擇焊接工藝參數(shù)時，在確保不燒穿的前提下，盡可能采用大的線能量。

SY/T 6554—2003 標(biāo)準(zhǔn)指出：在許多情況下，采用低氫焊條可以減少燒穿的風(fēng)險，當(dāng)管道壁厚t＜6.4 mm 時，第一焊道最好采用直徑d＜2.4 mm 的焊條（此時需要注意：高碳當(dāng)量的材料會增加裂紋風(fēng)險），若管道壁厚t≤12.8 mm 時，后續(xù)的焊道焊接則應(yīng)采用直徑d=3.2 mm 或更小直徑的焊條。當(dāng)管道壁厚t＞12.8 mm 時，不必優(yōu)先考慮燒穿，此時可以采用大直徑的焊條。

（3）合理的介質(zhì)流速和內(nèi)壓。介質(zhì)的流速對帶壓焊接質(zhì)量有兩個方面的影響，一方面更高的介質(zhì)流速帶走更多的焊接熱量，從而管壁的冷卻速度更快，焊接接頭產(chǎn)生更多的淬硬組織，更易產(chǎn)生氫致開裂；另一方面太慢的介質(zhì)流速帶走的焊接熱量少，局部容易高溫，進(jìn)而產(chǎn)生燒穿的可能性上升。所以，管道帶壓焊接時，既要防止介質(zhì)流速過低導(dǎo)致燒穿，同時也要避免介質(zhì)流速過高形成裂紋。

一般可通過經(jīng)驗數(shù)據(jù)和有限元仿真相結(jié)合的方式，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)修正數(shù)值仿真模型，建立合理的數(shù)據(jù)庫，最終根據(jù)實際工況給出確定合理的可焊內(nèi)壓，這是一個極具挑戰(zhàn)性的工程。

5 結(jié)語

燒穿是管道帶壓焊中需要重點關(guān)注的問題之一，從目前燒穿的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，主要結(jié)論有：

（1）含微缺陷的管壁材料，在焊接高溫和內(nèi)壓的共同作用下，產(chǎn)生了貫穿性的主裂紋和宏觀裂紋，最后管道失穩(wěn)、破壞，造成燒穿；燒穿是壁厚、焊接工藝參數(shù)、內(nèi)壓與運行介質(zhì)的流速共同作用的結(jié)果。

（2）可以通過內(nèi)壁最高溫度、最小壁厚、有效剩余壁厚、徑向變形量、等效應(yīng)力等參數(shù)進(jìn)行預(yù)測燒穿，各種方法側(cè)重點不同，考慮的因素也不全，其預(yù)測的準(zhǔn)確性仍需進(jìn)一步研究。

（3）采取控制壁厚、焊接線能量和焊條直徑、介質(zhì)流速和內(nèi)壓等方式，可以降低帶壓焊接燒穿的風(fēng)險。

鑒于管道材料、管內(nèi)介質(zhì)的實際運行工況和焊接工藝參數(shù)的復(fù)雜多樣性，定量地給出準(zhǔn)確的控制參數(shù)難度較大，可以將理論機理研究、數(shù)值模擬仿真和焊評實驗相結(jié)合，給出更為合適的避免燒穿方案，從而保障油氣輸送管道的安全運行。