高強鋼管道在線焊接工藝規程評定關鍵技術點分析

姚學軍，蔡培培，劉少柱，吳凱旋，曹 燕，劉 冰，稅碧垣

1.中國石油管道科技研究中心（河北廊坊065000）

2.中國石油管道公司科技處（河北廊坊065000）

3.中國石油管道公司管道處（河北廊坊065000）

4.中國石油管道公司人事處（河北廊坊065000）

高強鋼管道在線焊接工藝規程評定關鍵技術點分析

姚學軍1，蔡培培2，劉少柱3，吳凱旋4，曹 燕1，劉 冰1，稅碧垣1

1.中國石油管道科技研究中心（河北廊坊065000）

2.中國石油管道公司科技處（河北廊坊065000）

3.中國石油管道公司管道處（河北廊坊065000）

4.中國石油管道公司人事處（河北廊坊065000）

高強鋼管道在線焊接對管道搶修質量和安全服役有重要影響。分析了高強鋼管道在線焊接存在的燒穿和氫致開裂等問題，梳理了影響高強鋼焊接工藝評定的關鍵技術點，重點研究了環境、碳當量、壁厚、壓力、介質流速、焊條選型等9個關鍵技術點對焊接工藝評定的影響，提出了針對高強鋼管道焊接工藝評定的研究建議，為制定高強鋼管道焊接工藝評定提供參考。

高強鋼管道；在線焊接；焊接工藝評定；關鍵技術點

高強鋼管道在線焊接是在管道處于運行狀態或管內存在管輸介質情況下的焊接。隨著長輸管道不斷發展，X70、X80等高鋼級管道規模逐漸擴大，其大口徑、高壁厚、高壓力、高強度等特點對在線焊接提出了新的挑戰。目前國內外對于X80焊接工藝規程的研究還不夠成熟。因此，結合高強鋼特點系統分析高強鋼管道焊接工藝評定關鍵技術點對焊接質量的影響，對于高強鋼管道焊接工藝規程的評定有重要作用。

1 概述

燒穿和氫致裂紋是在線焊接的兩大主要問題。燒穿受管道壁厚影響較大，API 1104指出當管道壁厚超過6.4mm時燒穿基本不會發生[1]，現役主要長輸管道壁厚基本上均超過了6.4mm。因此燒穿不再是關注的主要問題。

焊接氫致裂紋是由于管輸介質流動條件下焊縫冷卻速率過快造成焊縫硬度過高和氫聚集而產生，氫致裂紋的主要條件包括3個[1]，即焊縫中存在氫、焊縫中形成開裂敏感性微觀結構、焊縫中存在拉應力。因此可通過消除3個條件之一以防止氫致裂紋產生。

1）焊縫中氫含量主要受環境因素、焊接工藝、焊條類型影響。

2）敏感性微觀結構主要與碳當量、焊縫冷卻速度、焊后熱處理有關，高碳當量、焊縫冷卻速度快容易形成敏感性結構，焊后熱處理有助于消除焊接敏感組織。

3）應力包括外加應力及焊接殘余應力，外加應力可通過合理的支撐等現場操作降低或消除，焊接殘余應力主要與焊接順序、焊接工藝有關，焊接后熱處理也可有效降低或消除焊接殘余應力。

通過分析，高強鋼管道焊接工藝評定關鍵技術點如表1所示。

表1 焊接工藝評定關鍵技術點

2 關鍵影響因素分析

2.1 環境要求

環境濕度較大易在管道表面凝結成水汽，在焊接過程中產生過多的氫；環境風速較大影響焊接區保護并提高焊縫冷卻速度；環境溫度較低會提高冷卻速率。因此應對允許焊接的環境濕度、風速、溫度等條件。實際操作中，可以通過預熱、搭建擋風棚、保溫等方式進行受控焊接，一定程度上可放寬允許焊接的環境條件。

2.2 碳當量

碳當量（C.E.）不同對裂紋的敏感性也不同。一般認為C.E.≤0.4%焊接性好；C.E.為0.4%～0.6%時焊接性稍差，焊前需適當預熱；當C.E.≥0.6%焊接性較差，屬難焊材料，需采用較高的預熱溫度和嚴格的工藝。隨著鋼級提高碳當量相應提高，如X65碳當量為0.28%～0.33%，X70碳當量為0.36%～0.39%，X80碳當量為0.40%～0.43%。研究指出隨著碳當量的提高，發生裂紋的臨界硬度也相應增加，碳當量小于0.35%或大于0.5%時，臨界硬度保持不變[2]。因此，X80焊縫檢測的臨界硬度指標相比X70及以下鋼級可以相應提高，或者說相比X70，X80可獲得更大的硬度裕量。

2.3 壁厚

高鋼級管道由于輸送壓力較大，壁厚往往也較厚，如X70管道壁厚21mm左右（二級地區），X80管道壁厚26.4mm左右（二級地區）。壁厚的影響主要表現在2個方面：

1）隨管道壁厚增加管輸介質對焊接冷卻速率的影響降低。研究指出管道壁厚小于6.4mm時，流動介質對焊接冷卻速率有顯著影響；當管道壁厚大于12.7mm時，影響則較小。

2）隨管道壁厚增加焊接冷卻速率降低或冷卻時間增長。研究表明壁厚對管道吸熱能力有較大影響，如表2所示[3]。隨壁厚增加，冷卻速率降低或冷卻時間增長，有利于焊縫中的氫充分擴散，降低裂紋敏感性。

隨著鋼級提高壁厚增加對于在線焊接會產生有利影響。

表2 壁厚對管道吸熱能力的影響

2.4 壓力

管道壓力對焊接操作的影響不大，在可能發生燒穿時較高壓力會對焊接安全造成影響。因此國內管道企業出于安全考慮一般會進行降壓，降壓幅度一般按照GB/T 28055-2011的允許帶壓施焊公式進行計算確定[4]。國外某管道公司關于焊接的規定“壁厚≥6.35mm時，內壓可達到100%最大額定屈服強度”。前文指出壁厚超過6.4mm時一般不會發生燒穿。相比之下國內管道企業對于壓力限制略顯嚴格。尤其針對高強鋼如X80壁厚甚至超過了20mm，燒穿的可能性大大降低。因此合理的降壓限值有待于進一步研究確定。

2.5 介質流速

介質流速的影響在于吸收焊接熱量提高冷卻速率進而造成較高的焊縫硬度，因此在線焊接時需要對介質流速進行限制。國外常通過模擬計算確定合理流速，常用模型為Battelle熱分析模型和EWI模型。Battelle熱分析模型使用熱傳導方程模擬焊縫冷卻速度。EWI模型是將管道上直徑為50mm的區域快速加熱到300～325℃，使用數字接觸式溫度計和秒表記錄被加熱部分溫度從250℃冷卻到100℃所需時間，取平均值作為管線散熱能力的參考值，依據經驗公式來預測焊接冷卻速度[5]。

介質流速也可降低燒穿風險進而降低最小可焊壁厚。ASME B31.4規定了不同介質流速下的最小可焊壁厚，如表3所示，可以看出隨流速增加發生燒穿的臨界壁厚降低[6]。

表3 發生燒穿的管壁臨界壁厚

因此在考慮介質流速的影響時應綜合考慮以確定合理的流速。

2.6 管道表面處理

焊前處理主要包括管道焊接部位表面處理和預熱。對于管道焊接部位表面處理主要包括消除磨損、鐵銹、渣垢、油脂等，對此國內外管道企業均要求對表面處理至顯出金屬光澤。

預熱對于焊縫質量有重要影響。盡管某些情況下不預熱也可獲得合格的焊縫，但需要熟練的焊接工藝和技巧及其他條件相配合才能實現。預熱則會大大降低焊接難度。預熱的主要作用表現為：①可去除表面濕氣和其他污染物，尤其是環境溫度低于水露點時；②可降低冷卻速率，降低HAZ硬度進而降低開裂敏感性；③可降低焊接熱輸入要求，如EWI的研究表明93℃的預熱相當于熱輸入增加1.6倍。

經過分析，高強鋼管道焊前應進行預熱，且隨鋼級提高應提高預熱要求[5]。

2.7 焊條選型

高強鋼管道在線焊接時一般選用低氫焊條以降低氫致裂紋發生的可能性。氫含量越低開裂敏感性也越低。目前國際上廣泛采用AWS E××××系列低氫焊條，AWS A5.1～A5.32系列標準對各種鋼材配套焊條進行了全面的規定。國內管道企業在線焊接也多用AWS E××××系列焊條。根據國內管道企業搶修經驗，對于X70及以上材質管道進行在線焊接時均采用低氫焊條。

焊條選型時熔結強度應與管道屈服強度相匹配，如E50、E55、E60、E70、E75、E80、E85、E90、E100等焊條熔敷金屬強度逐漸提高，可作為不同鋼級管道選擇焊條的參考依據。國內外管道企業在選擇焊條時做法存在一定差異，部分企業采用等強度或高強度匹配，部分企業則采用高強度等級匹配。但從預防開裂角度來說，等韌性匹配更好。因此，對于高強鋼管道焊條選型仍需進一步研究。

2.8 焊條直徑

給定焊接熱輸入條件下焊條直接越小允許的最小可焊壁厚越高。研究表明，采用直徑為3.2mm的焊條，焊接電流為110A時，管道最小可焊厚度為4.0mm；采用直徑為2.4mm的焊條，最小可焊壁厚可達3.2mm。另有研究表明壁厚小于6.4mm管道，根焊應使用2.4mm或更小直徑的焊條來限制熱輸入量，若壁厚不超過12.7mm，隨后的焊道焊接應使用3.2mm或更小直徑，若壁厚超過12.7mm可使用較大直徑的焊條，以提高焊接效率[5]。因此對于高強鋼管道確定焊條直徑時應考慮管道壁厚、焊道順序等因素。

2.9 焊接順序

焊接順序對于焊接質量有重要影響。API 1104、API 1107、GB/T 28055-2011和SY/T 4103-2006等標準對不同焊接附件的焊接順序進行了規定，其中SY/T 4103-2006采標自API 1107。通過分析發現對于焊接順序的確定原則國內外基本一致[7-9]。但這幾項標準條款對于X80管道的適用性需要進行工藝評定后確定。

2.10 焊后保溫

焊后保溫有兩個目的：一是消除殘余焊接應力；二是促進氫的擴散。一般情況下加熱至一定溫度如加熱至預熱溫度保溫15min對一般壁厚管道而言是較為合理的。更厚的管道或更低的溫度，應考慮更長的保溫時間。針對高強鋼管道具體加熱溫度和保溫時間國內外尚無統一做法，需進行工藝評定后確定[2]。

3 展望

高強鋼管道是長輸管道發展的趨勢，隨著X80應用規模的不斷擴大，應盡早研究制定配套管道在線焊接工藝規程。鑒于X80壁厚較厚，應重點研究關鍵技術參數對管道氫致裂紋形成的影響，根據碳當量、壁厚等管道特性，優化安全壓力、安全流速、預熱溫度、焊條匹配性等參數選擇，保證搶修焊接的質量和管道安全服役。

[1]American Petroleum Institute.Welding of Pipeline and Relat?ed Facilities：API 1104[S].Washington,D.C.:American Pe?troleum Institute,2005.

[2]Lee Stewart.Pipeline Repair Manual[R].Houston:Pipeline Research Council International,2006.

[3]William A.Bruce.Refinement of Cooling Rate Prediction Methods for In-Service Welds[R].Houston:Pipeline Re?search Council International,2003.

[4]全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會壓力管道分技術委員會.鋼制管道帶壓封堵技術規范：GB/T 28055-2011[S].北京：中國標準出版社,2011.

[5]Mark Yunovich,Neil G.Thompson.Evaluation of Preheat Re?quirements for In-Service Welding[R].Houston:Pipeline Re?search Council International,2005.

[6]The American Society of Mechanical Engineers.Gas Trans?mission and Distribution Piping Systems：ASME B31.8[S]. New York:The American Society of Mechanical Engineers, 2012.

[7]石油工業安全專業標準化技術委員會.石油工業帶壓開孔作業安全規范：SY/T 6554-2003[S].北京：石油工業出版社,2003.

[8]石油工業建設專業標準化委員會.鋼質管道焊接及驗收；SY/T 4103-2006[S].北京：石油工業出版社,2006.

[9]American Petroleum Institute.Pipeline Maintenance Welding Practices：API 1107[S].Washington,D.C.:American Petro?leum Institute,1991.

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路萍

2016-01-15

姚學軍（1985-），男，工程師，主要從事管道技術標準研究工作。