長輸天然氣管道焊接裂紋成因及控制措施研究

陳強，孫洪葉，楊鎖軍，鄭云堂

(河北華北石油工程建設有限公司培訓鑒定中心，河北任丘062552)

長輸天然氣管道焊接裂紋成因及控制措施研究

陳強，孫洪葉，楊鎖軍，鄭云堂

(河北華北石油工程建設有限公司培訓鑒定中心，河北任丘062552)

天然氣作為自然界中的氣體，已經得到開發與利用，成為一種關鍵性的能源。近年來，隨著能源的供應緊張以及能源使用需求的增加，天然氣管道的建設已經在緊鑼密鼓的進行中，但為了滿足天然氣管道的遠距離能源傳輸需求，管道焊接裂紋的工藝優化顯得十分必要。結合工作經驗，找出長輸天然氣管道焊接裂紋產生的成因，并針對性地提出控制措施，優化長輸天然氣管道焊接裂紋工藝，為天然氣能源的開發與利用提供保障。

長輸天然氣管道；焊接裂紋；成因；控制措施

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.088

1 引言

煤、石油與天然氣并稱為3種化石燃料，而天然氣在環保方面具有先天性的優勢，無污染、綠色環保、經濟實惠等標簽使得天然氣的價值得到直觀呈現。在現階段生態社會發展的前提下，天然氣顯然已經成為重要的能源。例如我國的重點工程“西氣東輸”，依賴于長輸天然氣管道完成天然氣輸送，這就對焊接裂縫技術提出較高要求[1]。

2 長輸天然氣管道焊接裂紋成因

長輸天然氣管道焊接裂紋的產生，制約著整個運輸管道的質量，還會影響焊接安全件使用質量，屬于一種非常危險的工藝缺陷。焊接裂紋不僅產生于焊接過程中以及工藝操作的基礎環節，更具有一定的潛伏期。長輸天然氣管道焊接裂縫的成因分析，首要問題是提出焊接裂縫根據部位、尺寸、形成原因以及機理方面的差異分為哪幾種類型，按照裂紋形成的基本條件，可以具體地被劃分為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋以及層狀撕裂等。下面對這些焊接裂紋的產生成因進行具體分析。

2.1 長輸天然氣管道焊接熱裂紋產生成因

長輸天然氣管道熱裂紋多產生于焊縫金屬凝固或高溫時，裂紋大都在焊縫金屬內沿著樹狀結晶的交界處形成，實質上是一種晶間斷裂的形態。這種裂縫的成因為：管道焊接的過程是通過不均勻加熱及冷卻過程完成焊接，熔池結晶過程中受到拉應力的影響較大，這就導致結晶時間段的不同結晶雜質含量也存在較大差異。具體表現在先結晶的金屬純度較高，后結晶的金屬純度較低，雜質較多。由于雜質的積累，往往會形成較多的低熔點共晶物。熔池金屬結晶過程會對低熔點共晶物產生影響，形成“晶界薄膜”，出現一個極差的薄弱地帶，最終導致焊接裂紋的產生。

2.2 長輸天然氣管道焊接冷裂紋產生成因

長輸天然氣管道冷裂紋多產生于熱影響區與焊合線處，多層焊接時多產生于焊縫處。受到焊接接頭淬硬組織的影響，致使應能脆化，在出現焊接缺陷的位置聚集了大量的氫分子，從而產生冷裂紋。這種裂紋產生的原因為：管道焊接冷卻過程中，馬氏體轉變點附近或200℃～300℃以下的溫度區間發生反應[2]。從焊接的宏觀角度上來看，冷裂紋的產生有縱向與橫向之分。如果從微觀的角度來看，冷裂紋的產生有穿晶型、晶間型，還包括二者混合型。冷裂紋如果未在焊接之后立即出現，這種裂紋被稱之為延遲裂紋，危害性較大。

2.3 長輸天然氣管道焊接再熱裂紋產生成因

長輸天然氣管道焊接再熱裂紋多產生于焊接之后受到高溫影響時，一般發生在焊接接頭的熱影響區融合線附近的粗晶中。該裂紋發生的起始點主要來源于焊接接頭表面的焊趾部位，在粗晶區發展至熱影響區的細晶區停止。熱裂紋在管道上形成明顯的曲折與交叉，產生的根本成因與高溫應力松弛及合金碳化物所處狀態有一定的關聯。并且再熱裂紋之所以產生，也會受到鋼材與焊縫中合金元素以及焊接殘余應力的影響，例如鋼結構當中的Cr、Mo、V、Nb、Ti等基礎元素，會在一定程度上增加鋼的再熱裂紋敏感性。

3 長輸天然氣管道焊接裂紋的控制措施及焊接工藝優化

長輸天然氣管道焊接裂紋的產生是可以通過手段進行規避的，但針對具體控制方法需要做出全新的探索。論文提出了一些長輸天然氣管道焊接裂紋的可行性控制措施。

3.1 各焊接裂紋的控制措施

3.1.1 控制冷裂紋措施

焊接的過程中可以對焊條進行選擇，以堿性焊條為例，這種焊條能夠有效減少管道焊縫金屬中的氫含量，增強焊縫中金屬的塑形，采用規范化的焊接工藝流程，最終完成對焊接的處理。冷裂紋的控制措施：（1）焊接完成之后的熱處理方面應該最大限度上避免應力過于集中；（2）完成管道的焊接之后應該最大限度地降低冷卻速度，在焊接前期階段完成對焊接處的預熱處理，焊接后期緩冷；（3）長輸天然氣管道的焊接過程，需要減少氫的來源，以最大限度上減少裂縫的產生。

3.1.2 控制熱裂紋措施

長輸天然氣管道裂縫在控制中，需要加強對焊接材料質量的把關，避免其中出現硫、磷等物質。還應該在這一過程中降低天然氣管道的鋼材的含碳量；在焊接中，應該適當地提升天然氣管道的焊縫形狀系數，規避管道焊接當中出現的問題，控制并減少熱裂紋的產生。

3.1.3 控制再熱裂紋與層狀撕裂裂紋措施

再熱裂紋的產生成因上文已經進行闡述，針對這一問題應該選擇具備天然氣熱裂紋敏感性的管道材料，適當減少管道焊接過程中的應力因素，這樣將再熱裂紋扼殺與控制在萌芽階段，為管道焊接質量奠定基礎。對層狀撕裂紋而言，要求在焊接金屬的過程中采取相對嚴格的控制措施，減少焊接過程中的雜物數量，避免由于分布過多的雜物而產生裂縫。

3.2 焊接工藝優化措施

3.2.1 組對質量的影響控制

組對質量主要包括：錯邊量、對口間隙、坡口角度等。（1）錯邊量主要是由于管道焊接過程管口不規則和管口厚度壁差所引起的。一旦出現錯邊現象，將造成焊接縫根部的應力過度集中，因此減少錯邊量顯得十分關鍵。（2）對口間隙的大小必將影響整個根焊內部成型、焊接效率以及焊接的材料是否出現損耗。對口間隙過小，使管道焊接的過程中出現填充金屬不易穿透以及背部成型不良等問題，從而導致應力集中。而對層間雜質而言不能在焊接時形成夾渣，應力集中作用下就容易形成裂紋源。如果對口的間隙過大，則會浪費焊接材料，降低功效，并且很容易產生燒穿缺陷。對于長輸天然氣管道焊接問題應該準確掌握好對口間隙，以焊條的直徑為基本衡量標準，通常選擇的焊接對口間隙之間的距離為焊條直徑的0.5～0.8倍。（3）坡口角度的準確掌握同樣十分關鍵，會直接影響母材的散熱、接頭應力分布等。因此，在長輸天然氣管道焊接過程中，應該有效地控制組對質量。焊接工作開展之前也應該積極做好各項準備工作，按照中國石油天然氣總公司管道局企業標準企業標準Q/GDJ0002—91《管道全位置下鄉焊接操作規程》進行。包括鋼材材質的分析與檢驗、接頭選型與組對、施工處的清理與預熱等，保證與國家標準及規范一致。

3.2.2 工藝參數的具體控制

工藝參數方面的具體控制，主要是依據焊接工藝規程規定的，去選擇較大焊接線的能量，即通過（增大電流、電壓以及降低焊速）的方式，可以選擇其他方法去減緩焊接縫隙的冷卻速度，讓氫的擴散效果達到最大化。這一過程也并非要將焊接能量線無限放大，一旦焊接線量過大，將導致整個焊接的熱影響區形成過熱組織，因此，適當地控制顯得十分關鍵與必要，不能無限地增大。工藝參數的具體控制，則是以焊接效果最大化為基礎，保證工藝參數與工藝標準保持高度一致。

3.3 其他控制措施

除上述控制措施之外，經過對該工作流程的總結，提出其他方面的控制措施，具體表現在以下幾個方面：（1）長輸天然氣管道焊接始端與終端應保持良好的質量，始端采用的方法是后退引弧法，終端則應該將弧坑填滿，多層焊接的接頭相互錯開，以保證焊接方法的效果最大化；（2）完成焊接之后在進行工具及卡具拆除過程中，避免對管道本身產生影響。拆除之后使用打磨的方法保持焊接平滑，可運用磁粉或者滲透探傷2種方式對其進行檢查；（3）焊接方式要保持連貫性，避免由于焊接過程的中斷導致裂縫的產生。如果中途出現中斷，需要按照工藝標準當中的相關規定完成預熱處理；（4）后熱消氫處理的方式十分必要，這一過程要在焊接完成之后立即進行，保持加熱溫度及持溫時間；（5）焊接工作完成后，如果焊接處出現氣泡或者裂紋，應該對其進行重新打磨與焊接，依據工藝標準嚴格返修；（6）在長輸天然氣管道補焊的過程中，同一地點位置不宜超過2次，如果超出這一標準，則需要經過單位以及工程部門的批準之后施以可靠的技術彌補缺陷；（7）在進行管道焊接時，應該保證施工人員掌握基本的焊接技能，通過這樣的方式改變焊接工藝，最大限度上在施工工藝層面減少裂紋的產生。焊接工作人員應該具備較高的職業技能，能夠針對裂紋問題第一時間做出反應，解決這一問題，將其控制與預防在萌芽時期。

4 結論

綜上所述，天然氣作為我國一項重要能源，特別是長輸天然氣管道焊接更應該保證質量，為天然氣的傳輸工作奠定基礎。焊接裂紋是管道焊接一種常見的現象，通過針對性的合理控制過程能夠有效避免這一現象的發生。研究提出了管道焊接過程中的4種裂紋，并對每一種裂紋都進行了成因分析與制定控制策略，旨在為長輸天然氣管道的穩定運行提供工藝保障。

【1】唐強，王濤，喻美軍，等.長輸天然氣管道焊接裂紋成因及控制措施[J].科技視界，2015(7):270-272.

【2】李健.長輸天然氣管道焊接裂紋成因及其控制措施[J].石化技術，2015 (6):145-148.

Study on the Causes and Control Measures of Welding Crack in Long Distance Natural Gas Pipelines

CHEN Qiang,SUN Hong-ye,YANG Suo-jun,ZHENG Yun-tang
(Training and Identification Center of North China Petroleum Engineering Construction Co.Ltd.,Renqiu 062552,China)

As one existing gas,natural gas has been developed and utilized,and become a key energy.In recent years,with the short supply and high demand of energy,the construction of natural gas pipelines has carried out in full swing,but in order to meet the long distance energy transmission demand,optimization of the welding crack technique is very necessary.The causes of welding crack of long distance natural gas pipelines are found out based on work experience,and the control measures are put forward,in order to optimize the welding crack technique of long distance natural gas pipeline,and provide guarantees for the development and utilization of natural gas.

long distance natural gas pipeline;welding crack;cause;control measures

TE973.3

A

1007-9467（2016）08-0161-02

2016-07-30

陳強（1976～），男，安徽淮北人，高級焊接技師，從事天然氣管道焊接研究。