在役管道焊接質(zhì)量控制因素及解決方法

詹一為 蔡 亮 顏本翔 楊雪魁 張 磊

（1. 國家管網(wǎng)集團北方管道有限責(zé)任公司，河北 廊坊 065000；2. 中航油京津冀物流有限公司，天津 300300；3. 吐哈石油勘探開發(fā)有限公司技術(shù)監(jiān)測中心，新疆 鄯善 838202；4. 國家管網(wǎng)集團西南管道有限責(zé)任公司天水輸油氣分公司，甘肅 天水 741002；5. 中國石油青海油田分公司管道處，青海 格爾木 816000）

0 引言

因焊縫缺陷、施工損傷、腐蝕和第三方開挖，管道易發(fā)油氣泄漏事故。焊接是管道缺陷修復(fù)和泄漏搶修的關(guān)鍵程序。在役管道焊接是高效、快速維搶修技術(shù)的典型應(yīng)用，不影響管道正常運行、施工效率高。在役管道焊接風(fēng)險是可能燒穿管道，造成火災(zāi)和人員傷亡事故。隨著新建管道設(shè)計壓力等級提高，X80高等級管線鋼管對焊接熱應(yīng)力非常敏感[1]。本文重點分析了影響在役管道焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，結(jié)合國內(nèi)外焊接技術(shù)研究成果，提出針對性的解決方法，對于保證管道焊接質(zhì)量以及指導(dǎo)管道維搶修工作具有重要意義。

1 在役管道焊接技術(shù)現(xiàn)狀

在役管道焊接與新建管道焊接工藝技術(shù)差異較大。在役管道焊接是在管道介質(zhì)運行以及特定溫度和壓力狀態(tài)下進行。在役管道焊接首要保證焊縫區(qū)域的熱量輸入，防止焊縫產(chǎn)生氫致裂紋，其次防止熱量過高燒穿管壁。如焊接操作不規(guī)范，可能形成高硬度焊接熱影響區(qū)（HAZ，Heat Affect Zone），HAZ對氫致裂紋非常敏感。1986年加拿大TransCanada管道火災(zāi)爆炸事故根本原因是管道焊接修復(fù)時形成一塊硬幣大小的HAZ硬化缺陷區(qū)。美國最先開展在役管道焊接工程應(yīng)用研究，Battelle焊接研究所（Battelle Memoria Institute，BMI）系統(tǒng)開展在役管道焊接數(shù)值模擬。美國標準API Std 1104-2013《管道及相關(guān)設(shè)施的焊接》在附錄B規(guī)定了在役管道焊接工藝評定程序、焊工資格以及推薦操作規(guī)程。

2 在役管道焊接質(zhì)量影響因素及技術(shù)措施

在役管道焊接需要解決兩個關(guān)鍵問題：一是防止“燒穿”，焊接電弧不能灼傷穿透管壁；二是預(yù)防氫致裂紋，管道介質(zhì)快速流動增大管壁換熱作用，導(dǎo)致焊接冷卻速率過快誘發(fā)氫致裂紋。近年來發(fā)生多次由于在役管道焊接接頭質(zhì)量不合格的問題，學(xué)術(shù)界認識到管內(nèi)介質(zhì)的熱擴散、滲碳/滲氫、應(yīng)力腐蝕和疲勞失效也稱為在役管道焊接質(zhì)量重要的影響因素。

2.1 管壁燒穿

（1）管道最小壁厚燒穿控制

一般認為導(dǎo)致焊接燒穿的因素有管道內(nèi)壓力、壁厚、輸送溫度和焊接能量。Cislinoi研究了天然氣管道允許焊接壁厚與管道內(nèi)壓力、流速的關(guān)系，結(jié)論是管道內(nèi)壓力5.9MPa，最小允許焊接壁厚是4.7mm；管道內(nèi)壓力是4.7MPa和3.53MPa，最小允許焊接壁厚是為4.9mm和5.2mm。美國標準API Std 1104-2013《管道及附件設(shè)施焊接》規(guī)定管道最小允許焊接壁厚應(yīng)大于6.4mm，采用低氫含量焊條，正常操作條件下在役管道焊接不會發(fā)生管壁燒穿。如是薄壁管道情形，應(yīng)采取特殊施工監(jiān)測措施，精準控制焊接熱量輸入；

（2）管道內(nèi)壁溫度燒穿控制

Battelle焊接研究所研究結(jié)論是：利用低氫含量焊條實施管道在線焊接，控制管壁溫度不超過980℃可以防止燒穿；利用纖維素型焊條實施管道在線焊接，控制管壁溫度不超過760℃可以防止燒穿。上述結(jié)論僅考慮焊接熱量輸入是影響管壁燒穿的唯一因素，實際上管道內(nèi)壓力、管材超高溫度性能參數(shù)和HAZ熱應(yīng)力循環(huán)也存在一定影響。特別是X80高鋼級管線鋼管壁厚相對更小，焊接熱量輸入管壁溫度至少在900℃以上。該方法雖然過于安全，但仍不失為判定燒穿的簡易方法；

（3）管道有效剩余壁厚預(yù)測燒穿

針對體積型腐蝕缺陷管道，國外管道行業(yè)已制定多項管道安全評價標準，其中較為公認的有美國標準ASME B31G-2012《評價已腐蝕管道剩余強度指南》、英國標準BS 7910-2019《金屬構(gòu)筑物缺陷評價規(guī)范》、DNV-RP-F101《管道腐蝕缺陷評價準則》。Wahabi提出利用管道有效剩余壁厚預(yù)測燒穿的研究路線，將在役管道焊接等同為管道產(chǎn)生體積型腐蝕缺陷，基本思想是認為因焊接局部高溫高壓造成管道承壓能力降低，計算缺陷管段對應(yīng)的管道有效剩余壁厚，再根據(jù)上述管道剩余強度評價技術(shù)標準，預(yù)測管壁燒穿的風(fēng)險概率。

2.2 氫致裂紋

相對預(yù)防管壁燒穿，氫致裂紋預(yù)防、檢測難度更大。較為公認觀點是，在役管道焊接誘發(fā)氫致裂紋應(yīng)滿足三項必要條件，焊縫具備一定氫含量、焊縫性能具有一定淬硬傾向以及焊縫施工安裝中附件載荷應(yīng)力。

（1）焊縫氫含量控制

焊縫中氫組分來源渠道是含氫型焊條、施工環(huán)境水分、管道表面存在鐵銹/油漬，以及碳氫化合物高溫、高壓下分解出氫分子擴散至管材。焊縫氫含量控制方法是焊接物資采購必須選擇低氫含量焊條，焊接前充分烘干焊條，并對管道認真清理雜質(zhì)；

（2）預(yù)防淬硬組織

X80管線鋼級已成為新建管道的首選鋼級，管道工程實踐證明，X65及以上高鋼級管線鋼管焊接組織脆硬傾向敏感。預(yù)防淬硬組織和避免輕質(zhì)裂紋有效手段是嚴格控制HAZ熱影響區(qū)硬度。國外管道工程通行做法是將熱影響區(qū)硬度作為氫致裂紋開裂的評價參數(shù)，輸氣管道HAZ氫致裂紋開裂的臨界指標硬度是HV350。研究表明，焊接冷卻速率是造成HAZ硬度偏高的主要致因因素。因此，在役管道焊接應(yīng)嚴格控制冷卻速率。一般性措施是設(shè)定較高預(yù)熱溫度和層級溫度以減弱溫降過程，大型油氣管道工程流速一般高于10m/s，設(shè)定較高預(yù)熱溫度很難滿足。英國森特理克設(shè)計回火焊道對角焊縫進行回火處理，一定程度上改善了焊縫區(qū)域溫降過程；

（3）應(yīng)力控制

焊縫應(yīng)力類型涵蓋焊接熱應(yīng)力、管材相變應(yīng)力、管道瞬變壓力以及環(huán)境地質(zhì)變化產(chǎn)生的附加應(yīng)力。焊接應(yīng)力危害性除導(dǎo)致氫致裂紋開裂，還可能導(dǎo)致疲勞失效。減少焊接應(yīng)力措施有作業(yè)前充分預(yù)熱、設(shè)定合理焊道順序和坡口管件對口安裝等。

2.3 管壁滲碳

在役管道焊接管壁內(nèi)/外部處于高溫、高壓條件，碳氫化合物中的碳分子在壓力、溫度梯度驅(qū)動下向管壁擴散，在管壁處沉淀為滲碳層。在管道介質(zhì)高速流動和散熱作用下，滲碳層容易相變?yōu)轳R氏體或鐵素體淬硬組織。研究表明，如焊接中局部位置溫度超過1150℃，則形成共晶組織，存在焊接熱應(yīng)力時衍生熱裂紋。

2.4 疲勞斷裂

2002年美國Nova公司輸氣管道發(fā)生管道斷裂事故（鋼級X70），經(jīng)數(shù)值模擬和失效因素分析，原因是在線焊接三通接頭因疲勞失效導(dǎo)致管道斷裂，疲勞失效原因是焊接接頭應(yīng)力集中。在役管道焊接時未熔融管壁在高溫高壓條件下產(chǎn)生彈塑性變形，加以快速冷卻作用下，焊接部位存在較大殘余應(yīng)力。特別是高鋼級管線鋼管疲勞斷裂對殘余應(yīng)力更為敏感，有必要開展在役管道焊接焊縫疲勞時效機理和評估研究。

3 結(jié)語

（1）針對在役管道焊接管壁燒穿以及破壞機理還未形成統(tǒng)一的判定準則，現(xiàn)行評價方法是從管道內(nèi)部溫度、最小壁厚、有效剩余壁厚、徑向變形量等方面定性判斷，該評價準則對于X80高鋼級管道的適用性需要進一步驗證；

（2）數(shù)值模擬是在役管道焊接工藝評定的重要手段，應(yīng)解決的問題包括材料高溫性能參數(shù)、換熱機理以及換熱系數(shù)與管壁溫度變化規(guī)律；

（3）在役管道焊接技術(shù)未來研究重點是輸送介質(zhì)和管壁在高溫高壓條件下的物理化學(xué)反應(yīng)，包括介質(zhì)放熱、管壁滲碳、滲氫和應(yīng)力腐蝕機理問題。高鋼級管道焊接接頭應(yīng)力評估和疲勞失效問題也應(yīng)引起重視；

（4）在役管道焊接施工存在很多不可預(yù)見因素，除制定科學(xué)、合理的焊接工藝規(guī)程，還應(yīng)建立完善的焊接管理體系，確保焊接作業(yè)安全高效進行。