冬季X70鋼連頭根焊層返修裂紋的控制

王 帥，崔 嘉，付雪松，秦 軍，周 毅

（1.西南油氣田公司輸氣管理處成都管道搶險(xiǎn)維修中心，四川成都610213；2.西南油氣田公司川中油氣礦龍崗凈化廠，四川儀隴637648；3.重慶市渝川燃?xì)庥邢挢?zé)任公司，重慶404000）

冬季X70鋼連頭根焊層返修裂紋的控制

王 帥1，崔 嘉1，付雪松1，秦 軍2，周 毅3

（1.西南油氣田公司輸氣管理處成都管道搶險(xiǎn)維修中心，四川成都610213；2.西南油氣田公司川中油氣礦龍崗凈化廠，四川儀隴637648；3.重慶市渝川燃?xì)庥邢挢?zé)任公司，重慶404000）

X70鋼輸氣干線在冬季停氣連頭施工受到低溫天氣的影響，焊口容易出現(xiàn)焊接缺陷，尤其在根焊層返修過程中裂紋的產(chǎn)生最為明顯。針對(duì)這一實(shí)際問題進(jìn)行裂紋產(chǎn)生原因分析，并提出相應(yīng)的控制措施。

X70鋼；返修裂紋；控制措施

0 前言

目前，在新建或在建的油氣輸送大口徑管線中大量采用X70高強(qiáng)管線鋼（以下簡(jiǎn)稱X70鋼）。這種管材與其他常用管材相比，具有強(qiáng)度高、韌性好的力學(xué)性能特點(diǎn)，同時(shí)能節(jié)約管材，減少投資，是一種理想的管道建設(shè)用管材。但X70鋼在冬季停氣連頭（以下簡(jiǎn)稱連頭）施工的焊口根焊層返修中（指全焊縫厚度返修，即焊縫打穿返修），因環(huán)境、人員操作、焊接工藝控制不妥，易產(chǎn)生返修裂紋。年末對(duì)某輸氣管道（X70鋼，規(guī)格D813mm×10mm)開展安全隱患整改，進(jìn)行管道停氣換管作業(yè)時(shí)，在焊口根焊層的一次返修中出現(xiàn)裂紋缺陷，嚴(yán)重影響連頭施工周期，以至推遲管道恢復(fù)輸送的時(shí)間，影響了下游用戶的生產(chǎn)和生活。

1 焊口返修裂紋產(chǎn)生原因

1.1 冷卻速度對(duì)X70管線鋼返修焊縫的影響

X70鋼屬于微合金化控軋鋼，其含碳量低，為提高鋼材強(qiáng)度，加入大量的固溶和沉淀強(qiáng)化合金元素，原始組織主要為細(xì)小的針狀鐵素體。但在根焊層返修過程中，由于冬季室外溫度相對(duì)較低，加之焊口返修是在管線施工剛性拘束較大的情況下進(jìn)行局部小區(qū)域的槽內(nèi)焊接，其冷卻速度較大，焊縫熱影響區(qū)最終轉(zhuǎn)變?yōu)楹剂枯^高的貝氏體和馬氏體，且得到馬氏體的臨界速度要低，焊縫易產(chǎn)生脆性淬硬組織[1]。

1.2 焊接工藝

通常焊縫金屬是熔敷金屬和母材熔化金屬的混合物，其性能和母材金屬、熔敷金屬有所區(qū)別。在有熔敷金屬填入的多層焊中，同一焊接方法和坡口類型，其焊縫根部是焊接過程中發(fā)生稀釋作業(yè)最大的地方，嚴(yán)重影響焊縫組織穩(wěn)定性。此外在返修焊接時(shí)由于一些連頭狀況的影響，常采用含氫量高的纖維素焊條根焊，以及自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)填蓋焊等線能量小、冷卻速度快的焊接工藝，均會(huì)增加冷裂紋的敏感性。

1.3 連頭施工的特殊性

1.3.1 應(yīng)力現(xiàn)象較突出

連頭施工的焊口由于新舊管線的管材規(guī)格、型號(hào)偏差，造成管壁錯(cuò)邊量較大、對(duì)口間隙不均勻等現(xiàn)象，一般存在借助外力（如千斤頂強(qiáng)頂壓、倒鏈強(qiáng)拉）強(qiáng)力組對(duì)或組對(duì)尺寸超標(biāo)而強(qiáng)行組對(duì)，使焊縫產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。其次，連頭作業(yè)工序時(shí)間一般為上午下料→中午組對(duì)→下午焊接，檢測(cè)報(bào)告出來后，焊口返修時(shí)間段處于外界氣溫的下降階段，熱脹冷縮在長(zhǎng)距離管道長(zhǎng)度方向表現(xiàn)明顯，管線收縮應(yīng)力增加突出。此外返修時(shí)撤除吊裝設(shè)備，往往會(huì)改變管的受力狀況，使返修位置呈現(xiàn)應(yīng)力狀況。

當(dāng)上述應(yīng)力方向?yàn)槔瓚?yīng)力時(shí)，會(huì)與根焊層返修焊縫橫向收縮方向沖突，如圖1所示。根焊層焊縫厚度達(dá)到的最大抗拉強(qiáng)度小于根焊層返修處形成的橫向收縮應(yīng)力與管道拉應(yīng)力共同作用下的應(yīng)力合值，導(dǎo)致根焊層返修處形成的焊縫被拉斷，產(chǎn)生根焊裂紋。當(dāng)共同作用下的應(yīng)力合值略小于根焊層焊縫最大抗拉強(qiáng)度時(shí)，雖然焊口返修處焊縫不會(huì)產(chǎn)生裂紋，但會(huì)使返修處焊縫的內(nèi)部留下較大的內(nèi)應(yīng)力，管道受載運(yùn)行后，在疲勞、應(yīng)力腐蝕等因素影響下，最終導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生開裂。

圖1 返修焊縫應(yīng)力狀況

1.3.2 管內(nèi)氣流和污物

管道內(nèi)部氣體受晝夜溫差、放空管的抽吸現(xiàn)象、控制閥門關(guān)閉不嚴(yán)等因素影響，在根焊層返修時(shí)會(huì)受到氣流的影響，管內(nèi)氣體的流動(dòng)不僅使根焊操作變得更加困難，也增加返修焊縫的冷卻速度，而且原管道管內(nèi)的污物（川渝天然氣管道主要是硫化鐵粉）堆積或附著于打開間隙的管道內(nèi)壁兩側(cè)，返修焊接時(shí)熔入根焊層，硫、磷等雜質(zhì)嚴(yán)重影響根焊層焊縫質(zhì)量，其變形能力極差，使焊縫金屬在厚度方向上的力學(xué)性能，特別是斷面收縮率嚴(yán)重下降。在垂直于厚度方向的焊接拉應(yīng)力作用下，該夾雜處首先開裂并擴(kuò)展。硫、磷等雜質(zhì)還會(huì)影響氫從鋼中的析出，加劇層狀撕裂傾向[3]。

1.4 返修打磨、焊接對(duì)焊縫組織影響

X70管線鋼焊接接頭的脆化問題是引起管線開裂和脆性破壞的主要原因，焊口返修使焊縫組織晶粒粗大、硬度增加，尤其根焊層最為明顯。經(jīng)X70管線鋼焊口與返修焊口根焊層硬度HV10試驗(yàn)（見圖2、表1）得知返修打磨、焊接對(duì)焊縫根焊層硬度影響為：熱影響區(qū)硬度增加約9％，焊縫硬度增加約22％。可見返修打磨與二次焊接嚴(yán)重影響根焊層焊縫組織硬度，增加焊縫脆硬傾向，是促使根焊層返修產(chǎn)生裂紋的最根本因素。

圖2 硬度HV10試驗(yàn)取點(diǎn)狀況

表1 硬度HV10試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.5 內(nèi)錯(cuò)口狀況下，返修焊縫打磨失誤

焊縫返修處存在管內(nèi)錯(cuò)邊狀況，且未徹底打磨原根焊焊縫，在根焊焊縫熱收縮的影響下，焊縫薄弱位置受到拉應(yīng)力大于其最大承載強(qiáng)度時(shí)，根焊邊緣焊縫拉裂形成根焊焊趾裂紋，如圖3所示。

2 防止產(chǎn)生返修裂紋的措施

要防止根焊層返修裂紋的產(chǎn)生就要從連頭施工裂紋產(chǎn)生因素著手——熱裂紋產(chǎn)生因素是低熔共晶體和熱應(yīng)力，冷裂紋產(chǎn)生因素是擴(kuò)散氫、脆硬組織和拘束應(yīng)力，其關(guān)系如圖4所示。

圖3 原焊縫錯(cuò)邊時(shí)，容易引發(fā)根焊處焊趾裂紋的打磨示意

圖4 返修裂紋產(chǎn)生因素與控制措施

2.1 焊接方法和材料

返修時(shí)按相應(yīng)的返修工藝評(píng)定進(jìn)行，除返修處受到氣流和磁場(chǎng)影響，采用電弧挺度高、吹力大的纖維素焊條根焊工藝，其他情況下盡量采用鎢極氬弧焊、低氫焊條等低氫性焊接工藝，降低根焊層焊縫含氫量，有效防止根焊層氫致冷裂紋的產(chǎn)生。

2.2 打磨及管內(nèi)壁清理

結(jié)合返修處管壁外部狀況、RT片的兩側(cè)色度差異等，分析管內(nèi)部錯(cuò)邊狀況，若返修處存在內(nèi)錯(cuò)邊狀況，打磨時(shí)不僅打磨掉返修缺陷，還應(yīng)打磨掉原根焊焊縫，但坡口間隙打磨過寬會(huì)給返修焊接帶來困難，根部背面易成形不良，產(chǎn)生焊穿、內(nèi)凹等缺陷。此外打磨長(zhǎng)度盡量控制在150mm內(nèi)，若缺陷過長(zhǎng)，采取分段修復(fù)，避免一次打磨過長(zhǎng)，導(dǎo)致剩下焊縫單位面積上的受力增大而引發(fā)的焊縫拉裂現(xiàn)象。

打磨后用薄鋸片或?qū)Ｓ霉ぞ咛幚淼羝驴谶叺木磉叄描F絲鉤住浸丙酮棉紗從坡口間隙處清理管坡口兩側(cè)污物，避免硫、磷等污物進(jìn)入焊縫產(chǎn)生低熔共晶體，降低焊縫熱裂紋傾向。鋼材及焊縫處的化學(xué)成分（主要是S、P、C、Si、Mn等元素的含量）是影響熱裂傾向的主要因素。

此外采用一些先進(jìn)的內(nèi)窺技術(shù)讓返修人員充分了解打磨、清理后坡口的內(nèi)面狀況，確定打磨、清理工作是否完善。

2.3 改善返修焊口處應(yīng)力狀況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際管道鋪設(shè)狀況，分析返修時(shí)焊口返修位置受到管道長(zhǎng)度方向上的熱脹冷縮、管道自重等因素影響下的受力方向，通過千斤頂、葫蘆等吊裝支撐設(shè)備改變受力方向或減小受力，如返修處受管道自重引發(fā)的拉應(yīng)力，如圖5所示。

2.4 降低焊縫冷卻速度

返修過程必須使用紅外線測(cè)溫儀嚴(yán)格監(jiān)控預(yù)熱、層間溫度、焊后保溫等工序。預(yù)熱的主要目的是降低焊接接頭的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴(kuò)散氫逸出，并使原焊縫應(yīng)力再次釋放，減小焊接結(jié)構(gòu)的拘束度，改善焊接接頭性能，降低焊縫組織淬硬性。X70鋼在施焊環(huán)境溫度為0℃時(shí)，其預(yù)熱溫度約為120℃，返修焊口焊縫兩側(cè)加熱寬度大于100mm，預(yù)熱要求整個(gè)焊口均勻加熱，并根據(jù)母材厚度嚴(yán)格控制管壁升溫速度，減小區(qū)域、厚度上的溫度差，降低焊縫的熱應(yīng)力影響。嚴(yán)格控制層間溫度（層間溫度不低于預(yù)熱溫度），在完成返修根焊后5min內(nèi)進(jìn)行下一層焊縫焊接。返修焊接完成后可采用保溫棉包裹焊口的保溫緩冷措施，防止焊口冷卻速度過快，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生淬硬組織。

圖5 管道自重引發(fā)的拉應(yīng)力與控制措施

2.5 控制焊縫擴(kuò)散氫含量

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，若出現(xiàn)嚴(yán)重增加焊縫擴(kuò)散氫含量的因素時(shí)，如大風(fēng)、大霧、溝底潮濕等狀況，可在返修焊縫完成后立即進(jìn)行后熱處理，即焊縫溫度尚未冷卻至100℃以下時(shí)，立即將焊件加熱到一定溫度（200℃～350℃），并保持一定時(shí)間后（0.5～6 h，視管壁厚度而定），緩冷至室溫的工藝方法。后熱處理可加快焊縫中的擴(kuò)散氫逸出，降低焊縫氫含量，也能適當(dāng)降低焊接接頭殘余應(yīng)力水平，對(duì)防止產(chǎn)生冷裂紋效果明顯。

2.6 其他因素的控制

2.6.1 操作人員和設(shè)備的因素

加強(qiáng)操作人員技能培訓(xùn)，提升技能素質(zhì)，操作技能差的人員在焊接返修操作過程中出現(xiàn)根焊層裂紋缺陷的機(jī)率較大。采用高素質(zhì)焊接操作人員是提高返修質(zhì)量的關(guān)鍵。先進(jìn)、穩(wěn)定、實(shí)用的焊接設(shè)備也是保證焊接質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

2.6.2 返修次數(shù)

焊縫返修次數(shù)增加使金屬晶粒粗大、硬化、甚至引起裂紋等缺陷，并降低接頭性能，嚴(yán)格執(zhí)行同一部位返修次數(shù)不應(yīng)超過兩次的要求。

2.6.3 返修引弧控制

根焊層返修引弧段相對(duì)于正常焊接時(shí)的引弧段要長(zhǎng)些，約20mm，并將引弧段前端10mm打磨掉，降低溫度瞬升瞬降對(duì)焊縫組織影響。其余每層焊縫引弧錯(cuò)開20mm。返修焊縫相對(duì)較短，盡量減短每層間隔時(shí)間。

2.6.4 錘擊焊縫，降低應(yīng)力

錘擊點(diǎn)要對(duì)準(zhǔn)焊縫及熔合線附近，填充層逐層進(jìn)行錘擊，錘擊溫度控制在100℃～250℃，盡量避免在300℃～400℃進(jìn)行，因?yàn)榇藭r(shí)金屬材料正處于藍(lán)脆階段，錘擊焊縫容易造成焊縫開裂[4]。

3 結(jié)論

隨著X70、X80等高強(qiáng)鋼管線在天然氣輸氣管網(wǎng)建設(shè)中的大量投運(yùn)，不斷完善管道維搶修技術(shù)是保障天然氣管道平穩(wěn)供氣、促進(jìn)管道完整性管理的有效手段。闡述X70鋼在根焊層返修過程中避免裂紋缺陷產(chǎn)生采取的控制措施，并通過近年連頭施工實(shí)踐證明，該措施對(duì)提高焊縫返修一次合格率、保證返修焊縫質(zhì)量具有明顯成效，對(duì)同行業(yè)的同類型焊縫返修具有一定借鑒作用。

[1]呂向陽.X70管線鋼焊接工藝研究[D].天津：天津大學(xué)，2007.

[2]阮鑫，葛愛菊.天然氣長(zhǎng)輸管道焊接裂紋及防范對(duì)策[J].化工設(shè)備與管道，2006，43（6）：58-61.

[3]楊偉光，劉奇威.核電站大型鋼結(jié)構(gòu)焊縫錘擊法消應(yīng)力[J].電焊機(jī)，2013，43（12）：73-77.

Control of X70 steel root even repair welding layer crack in w inter

WANG Shuai1，CUIJia1，F(xiàn)U Xuesong1，QIN Jun2，ZHOU Yi3
（1.Gas management office Pipeline Emergency Repair Center，Southwest Oil and Gas Field Company，Chengdu 610213，China；2.SouthwestOil and Gas Field Company Upper Oil and GasMining Siltstones Longgang Purification Plant，Yilong637648，China；3.Chongqing Chongqing Sichuan GasCo.，Ltd.，Chongqing 404000，China）

X70 steelgas transmission trunk line due to the influence of the cold weather in the mix together construction，itwill lead to welded junction appear defects，especially in the roots welding crack repair.To deal with the practical problems，analyze the causes of cracksand put forward the corresponding controlmeasures.

X70 steel；repair crack；controlmeasure

TG457.6

B

1001-2303（2015）07-0148-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.32

2014-11-21；

2015-01-26

王帥（1975—），男，高級(jí)技師，德國DVS焊接指導(dǎo)教師，主要從事管道搶修維修焊接工作。