油氣管道在線焊接質量影響因素分析

劉立雄，姚學軍，劉冰，劉少柱，李兆慈，稅碧垣

1.中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院(北京102249)

2.中國石油管道科技研究中心(河北廊坊065000)

3.中國石油管道公司管道處(河北廊坊065000)

油氣管道在線焊接質量影響因素分析

劉立雄1，2，姚學軍2，劉冰2，劉少柱3，李兆慈1，稅碧垣2

1.中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院(北京102249)

2.中國石油管道科技研究中心(河北廊坊065000)

3.中國石油管道公司管道處(河北廊坊065000)

在線焊接技術廣泛應用于油氣管道投產運行階段維搶修，在應用中經常會出現燒穿和氫致開裂等質量問題。從管道本體、焊前處理、焊接工藝、焊后熱處理等4個角度分析在線焊接質量影響因素，提出通過改變預熱方法、合理控制介質流速、預熱溫度、層間溫度以及熱輸入量，進行后熱和保溫等措施來保證在線焊接質量，為提高在線焊接質量水平提供參考。

管道;在線焊接;燒穿;氫致開裂

在管道投產運行過程中，管道事故時有發生，管道事故的處理涉及維搶修技術，包括在線焊接、帶壓開孔封堵、帶壓堵漏、切割等。在線焊接是應用廣泛的一種維搶修技術，與傳統的先停輸、后焊接的修復方式相比，不僅大幅縮短修復周期，而且不需要管道停輸，經濟效益凸顯。在線焊接應用過程中存在不少質量問題，主要包括燒穿、氫致開裂。影響這些質量問題的因素較多，對其關鍵影響因素的技術指標及做法進行歸納總結，并展開進一步研究，是制定保證在線焊接質量措施的基礎。

1 在線焊接存在的問題

焊接是一項較為復雜的傳熱過程，多種因素均會影響焊接質量，比如環境、介質、管道本體及焊接工藝。如果這些因素控制不好，就會引起各種焊接問題，對保證在線焊接質量不利。其中燒穿與氫致開裂是最常見的2個問題。

1.1 燒穿

在線焊接過程中，由于焊接工藝參數選用不當或操作不當造成電弧焊穿管壁的現象稱為燒穿。造成管道燒穿的因素有壁厚、熱輸入量以及運行狀況，如圖1所示。同時采用低熱輸入量水平焊接與低氫工藝方法能降低熔透深度，如使用低氫焊條(堿性藥皮)電弧焊，以減少燒穿發生的可能性。

圖1 燒穿問題影響因素

1.2 氫致開裂

由于流動介質帶走管壁熱量，導致焊縫以加快的速度冷卻，促使淬硬組織的形成，從而造成氫致開裂。氫致開裂的控制比燒穿要困難得多。氫致開裂的影響因素有3個:①焊縫中存在氫;②開裂敏感性焊接組織的形成;③焊縫中存在殘余應力。具體因素見圖2。防止氫致開裂可以通過控制至少一種影響因素來實現，但焊縫中相當數量的殘余應力是無法避免的。目前采用低氫焊條焊接來降低焊縫中的氫含量，但是低氫水平不能始終受到保障?？刹捎枚嗟篮福幎ㄗ钚☆A熱溫度，規定回火焊道熔敷順序等減緩冷卻速度的方法來減少氫致開裂的發生。

圖2 氫致開裂問題影響因素

2 在線焊接質量影響因素分析

2.1 管道本體

2.1.1 壁厚

一般認為，預防燒穿的管道最小壁厚為6.4mm。國外方面，ASME(美國機械工程師學會)對氣體管道最小壁厚開展過研究，試驗采用20V焊接電壓和100A焊接電流，考慮燒穿因素，研究得出最小壁厚與氣體流速和管內壓有關。在一定管內壓下，管道最小壁厚隨氣體流速的增加而減少;在一定氣體流速下，管道最小壁厚隨管內壓的增加而減少。具體壁厚數據如表1所示［1］，從表1中可知，壓力越大或者流速越大，燒穿發生的可能性越小。

表1 管道在線焊接最小壁厚/mm

SY/T 6554-2003中明確規定，大多數焊接和熱分接所推薦的最小母材厚度是4.8mm。一般在線焊接前需測量缺陷處壁厚，若壁厚低于6.4mm，需格外注意燒穿的風險。

2.1.2 介質流速

介質流速較快會吸收較多焊接產生的熱量，增強了管壁散熱，從而誘發氫致開裂;介質流速較慢會造成熱量集中，從而引起燒穿。

對于介質流速大小的規定，國外沒有在標準層面上規定介質流速，Michael Fox研究后認為:①介質流速較高會更快地帶走熱量，減少燒穿發生的幾率;②合理的介質流速能減少燒穿和氫致開裂發生的可能性。SY/T 6150.1-2011規定封堵管件焊接時，液體流速不應大于5m/s，氣體流速不應大于10m/s［2］。楊景順等人研究后認為在管道上帶壓焊接管件時，應對管道內的介質流速有一定的限制，介質流速必須在焊接工藝規程規定的范圍以內。可見國內外對于介質流速大小定量分析的結果較少，介質流速要合理才能避免在線焊接問題的發生，一般液體介質流速需控制在5m/s內，氣體介質流速需控制在10m/s內［3-5］。

2.2 焊前處理

2.2.1 預熱方法

焊前預熱能降低焊接接頭硬度，促使氫擴散，控制易開裂組織的形成，降低氫致開裂發生幾率。Mark Yunovich總結了輻射加熱、傳導加熱和中頻感應加熱等3種預熱方法的特點，中頻感應加熱比傳導加熱更有熱效率的優勢，在氫致開裂試驗上，以上3種預熱方法能避免產生裂紋的是中頻感應加熱［6］。國內總結常用的預熱方式有中頻感應預熱和火焰預熱，由于使用中頻感應預熱的施工成本較高，因此選擇火焰預熱［7］。繆羽祥總結管口預熱的方式有環形火焰加熱、中頻感應加熱、單把火焰加熱等［8］。

油氣管道的預熱方法包括輻射加熱(火焰加熱)、傳導加熱(電阻加熱)以及中頻感應加熱。輻射加熱主要優勢是成本低和攜帶方便，但這種加熱方式難以保持焊接接頭溫度均勻，研究表明在輻射加熱時，管道上下左右4個點溫度差最高達到了55℃。傳導加熱時管道表面溫度較為均勻，研究表明在傳導加熱時，管道上下左右4個點溫度差僅為10℃左右。感應加熱相比傳導加熱其加熱效率更高，這是由于減少了熱量傳遞環節，并且感應渦電流不會在防腐層中產生，因此不會損傷防腐層。這3種預熱方法的比較見表2。

通過比較可以看出，感應加熱是最有優勢的預熱方法。在實際維搶修現場中，需根據在線焊接類型、焊接面積大小等實際情況選擇預熱方法。對于腐蝕坑、補板等可采用火焰加熱或電阻加熱等局部預熱方式;對于全包圍套袖、支管、三通等焊接可采用電阻加熱或感應加熱等預熱方式。國外RHS公司的感應加熱裝置(包括控制系統、加熱系統及水冷系統)能較快地達到在線焊接預熱溫度，并且人機交互界面友好、裝卸方便。

表2 預熱方法比較

2.2.2 預熱溫度

Lincoln Electric(林肯電氣)認為冷管至少預熱到21℃，X80管道預熱到177℃比較合理［9］。PRCI(國際管道研究協會)研究指出為了促使氫擴散，預熱溫度在93～121℃范圍內，高于最小預熱溫度56℃左右是可接受的，為了不使母材發生屈服強度降低，204～232℃是預熱溫度的上限。國外標準沒有管道預熱溫度的推薦值。國內吳冰通過小鐵研試驗來預測X80管線鋼焊接的預熱溫度，試驗結果表明焊前預熱至100℃，可以避免裂紋出現。SY/T 4125-2013規定常用鋼材推薦的預熱溫度，但只是預熱溫度的下限值，沒有確定一個合理的預熱溫度范圍［4］。SH 3501-2011規定當焊接環境溫度低于0℃或焊件溫度低于-18℃，應對焊件進行預熱，預熱溫度不低于15℃［5］。

一般情況下，不需要精確控制油氣管道預熱溫度，但需要注意的是防止管道過熱而產生燒穿等危險。當溫度超過315℃時，管線鋼的屈服強度就會嚴重降低。因此推薦預熱溫度安全限值為204～232℃，不同鋼級管道在線焊接預熱溫度范圍可根據焊接工藝評定進一步確定。

2.3 焊接工藝

2.3.1 焊條直徑

焊條直徑的選擇取決于母材厚度、焊縫位置、焊縫形式等因素。

Lincoln Electric研究機構通過對60°V形坡口下向焊和上向焊的研究發現，下向焊的根焊和熱焊道采用Φ4.0mmE××10型焊條，填充焊和蓋面焊采用Φ5.0mmE××10型焊條;上向焊根焊采用Φ3.2mm E××10型焊條，填充蓋面焊采用Φ4.0mmE××10型焊條或Φ3.2mmE××18型焊條，得到了較高質量的焊接接頭［9］。國內SY/T 6554-2011對在線焊接焊條有規定。對于管道壁厚小于6.4mm，首條焊道應使用至多2.4mm直徑的焊條來限制熱輸入量;若管道壁厚不超過12.7mm，隨后的焊道應使用至多3.2mm直徑的焊條;若管道壁厚超過12.7mm，可以使用較大直徑的焊條，燒穿發生的可能性大大降低。由上述可見壁厚較高的管道應選用直徑較大的焊條。國外對不同焊接方法不同焊道所采用的焊條直徑研究較為深入，而國內在這方面研究不足。

2.3.2 層間溫度

Y.C.Lin認為如果沒有特殊說明，層間溫度的下限應該與預熱溫度的下限相等。EN 14163-2001中規定層間溫度的取值為預熱溫度到評定試驗時層間溫度的最大值。薛振奎認為是層間溫度下限應高于預熱溫度下限，但由于實際焊接的焊接工藝不同，因此層間溫度下限值可以規定低于預熱溫度下限值。國內外都比較傾向多道焊層間溫度需高于預熱溫度的下限，在低溫環境下在線焊接時，若焊口的溫度比焊接工藝規定的層間溫度低，宜采用加熱設備進行伴隨加熱，直到溫度達到要求，方可焊接下一層。

2.3.3 熱輸入量

熱輸入量的指標是焊接線能量，隨著焊接線能量的增加，焊接熱影響區的最大硬度降低，有利于降低產生淬硬組織的傾向，對氫致開裂的預防越有利，但是線能量的增加造成焊接熔深的增大，可能會發生燒穿。因此需要平衡焊接熱輸入量，那么在不發生燒穿的前提下，提高焊接熱輸入量。

對于管道在線焊接熱輸入量的預測，BMI研究所提出了熱分析計算模型，通過確定800～500℃的焊縫冷卻時間、碳當量以及管內介質流速來定熱輸入量。EWI研究所采用散熱能力測量的方法，通過測定800～500℃焊縫冷卻時間，50mm直徑區域從250℃降至100℃的時間，碳當量來預測熱輸入量。薛小龍通過研究得出RSF(剩余強度因子)與線能量的關系，根據這兩者的關系可以獲得各種壓力下允許在線焊接的最高線能量。熱輸入量的預測可以為避免燒穿或氫致開裂提供幫助，BMI研究所和EWI研究所提出的預測方法可確定最小熱輸入量以防止氫致開裂，薛小龍提出的預測方法可確定最大熱輸入量以避免燒穿的發生。

對于熱輸入量的計算公式，PRCI在《管道維搶修手冊》(第6版)中推薦的熱輸入量計算式:

式中:H為熱輸入，kJ/mm;V為電壓，V;I為電流，A;S為焊接速度，mm/min。

國內曹崇珍等人總結為:

式中:Hi為熱輸入量，J/mm;K為系數，角焊取值為0.57，對焊取值為0.85;V為焊接電壓，取平均值，V;I為焊接電流，取平均值，A;S為焊接速度，取平均值，mm/s。

國內外對于熱輸入量的計算公式存在不同之處，把國外的公式進行量綱換算，結果表明K值為0.36，但是不同的焊接方法由于其工藝不同，所需要的熱輸入量應有差異，因此國內的熱輸入量計算公式更貼近實際。

2.4 焊后熱處理

對于低溫環境下的在線焊接，有必要對焊接接頭進行一定規范的熱處理，有利于氫擴散和降低殘余應力，并且改善焊縫金屬熱影響區金相組織。

PRCI認為后熱溫度范圍是93～121℃，在氫致裂紋產生之前需要及時后熱。刁鳳東認為在低溫環境下進行管道室外焊接，焊口施焊完畢后，焊口加熱溫度通常為100℃［3］，薛振奎認為焊后后熱包括焊后及時熱處理(保溫溫度控制在150～250℃)和消氫處理(保溫溫度控制在300～400℃)。GB 50236-2011中規定當不能立即對鋼材進行焊后熱處理時，焊后應立即對鋼材均勻加熱至200～350℃，并進行保溫緩冷。

GB 50236-2011中規定后熱時間應根據后熱溫度和焊縫金屬的厚度確定，不應小于30min［7］。SH 3501-2011規定常用鋼材焊接接頭熱處理基本要求，其中恒溫時間為2.4min/mm［5］。一般在低溫環境下，在線焊接完成后應盡快對焊口進行后熱，后熱溫度多為200～350℃，保溫時間至少2h。

對于保溫設備的選用及撤除條件，刁鳳東認為焊口完成后需采用保溫被進行保溫，當焊縫的溫度降至環境溫度，移除保溫被。曾惠林針對冬季焊口的保溫開展過研究，認為焊接完成后應利用耐高溫的保溫帶(被)包裹焊口，保溫帶(被)在使用之前應烘干，待焊縫溫度降至10℃或以下時，才能撤除保溫帶(被)。由此可見國內對于保溫設備的選用及撤除條件缺乏相關標準的規定，一般保溫設備選用保溫被，當焊縫溫度降至環境溫度，撤去保溫被。

3 建議

油氣管道在線焊接常見質量問題主要是燒穿與氫致開裂，這些質量問題的關鍵影響因素包括管道本體、焊前處理、焊接工藝以及焊后熱處理，分析了針對關鍵影響因素的國內外技術指標及做法，基于這些因素，采取控制管內介質流速，改變預熱方式，合理控制預熱溫度、層間溫度以及熱輸入量，進行后熱和保溫等多種措施來避免在線焊接質量問題的產生。但是，管道材質和焊接方法的多樣性對在線焊接質量問題的影響越發復雜，因此針對不同材質管道、不同焊接方法的管道，在線焊接工藝研究很有必要。

［1］SY 6554-2011石油工業帶壓開孔作業安全規范［S］.

［2］SY/T 6150.1-2011鋼制管道封堵技術規程第1部分:塞式、筒式封堵［S］.

［3］刁鳳東，張福強，張春河，等.低溫環境下管道焊接產生冷裂紋的因素及控制措施［J］.焊接技術，2007，36(4):64-65.

［4］SY/T 4125-2013鋼制管道焊接規程［S］.

［5］SH 3501-2011石油化工有毒、可燃介質鋼制管道工程施工及驗收規范［S］.

［6］曹崇珍，賈志方，時春成，等.在役管道不停輸焊接三通工藝試驗［J］.油氣儲運，2003，22(12):47-51.

［7］GB 50236-2011現場設備、工業管道焊接工程施工規范［S］.

［8］陳娟，季峰，劉學彬，等.低溫環境下在役管道焊接氫致裂紋的控制措施［J］.油氣儲運，2014，33(12):1297-1300.

［9］曾惠林，蘇戩朋，黃福祥，等.西氣東輸二線冬季焊接施工技術［J］.電焊機，2009，39(5):59-63，69.

Online welding technology is widely used in the emergency maintenance of oil and gas pipeline，and the regular burningthrough and the hydrogen induced cracking often occur in the construction.The factors of affecting online welding quality of oil and gas pipeline are analyzed from 4 aspects of pipe body，pre-welding treatment，welding technology，post-welding heat treatment，it is put forward to ensure online welding quality of oil and gas pipeline by changing preheating method，reasonably controlling medium flow rate，preheating temperature，interlayer temperature and heat input quantity，and implementing post-heat and heat preservation，in order to improve the quality of online welding.

pipeline;on-line welding;burnthrough;hydrogen induced cracking

學敏

2015-06-22

劉立雄(1990-)，男，碩士研究生，主要從事油氣儲運方面的研究。