城鎮燃氣鋼質管道帶壓焊接工藝研究

(中石油昆侖燃氣有限公司燃氣技術研究院，黑龍江 哈爾濱150016)

0 前言

作為城市基礎設施之一，燃氣管道承載著輸送高效低碳能源的功能。燃氣公司在實際的運營管理中，承擔著新建管道與運行管道的連接及運行管道的維修與改造等工作。這些工作在停氣的狀態下施工是相對安全的，但這樣必然會影響用戶正常用氣。燃氣公司應在不影響客戶用氣的前提下，采用帶氣作業技術完成管網的維修、改造及擴容[1]。鋼管帶壓焊接是帶氣作業的一種，該工藝是指在運行的鋼質管道上焊接作業，此時管道內有一定壓力的燃氣。

目前帶壓焊接主要面臨兩個困難[2]：一是要避免“燒穿”，也就是焊接電弧灼傷管壁，造成鋼管破裂；另一方面是防止氫致裂紋的產生，由于管道內流動的燃氣從管壁帶走了較多的熱量，使在運行管道上焊接的焊縫加速冷卻，導致了淬硬組織的形成，而容易產生氫致裂紋。

為了防止產生氫致裂紋，通常的做法有兩種：一是帶壓焊接時，使用低氫焊條或低氫工藝方法，降低焊縫中的含氫量；二是當不能保證低氫水平時，使用碳當量值低的鋼材和采用足夠熱輸入量的方法減少淬硬組織的形成。但是,此時的熱輸入量一定不能高于防止管壁“燒穿”的最大許用熱輸入量。此外，采用預熱或回火焊道熔敷順序的方法也可以減少氫致裂紋的產生。

為防止氫致裂紋的產生，試驗對Q235B中低壓燃氣鋼質管道的帶壓焊接工藝進行研究，并對其實施提出合理化建議。

1 帶壓焊接氫致裂紋的探究及試驗

由于無法在運行的燃氣鋼質管道上進行帶壓焊接試驗，因此試驗采用水代替燃氣，保證水流動的熱條件與燃氣流動的熱條件相同，在此條件下進行帶壓焊接試驗。只有模擬實際現場焊接條件的焊接工藝才能應用于實際帶壓焊接作業中。

采用材質為Q235B，規格為D426 mm × 7 mm的鋼管，鋼管兩側用鋼板焊接密封制成管筒。在兩側鋼板上下分別焊接一個進水口和一個出水口，在管筒上部焊接一個測壓口，它們分別由閥門控制開關。焊接補板的材質為Q235B，厚度為7 mm，焊接時管筒內充滿水，且水流過試驗截面時的熱條件與燃氣管道實際運行相同。試驗裝置示意如圖1 所示。

圖1 鋼質管道貫穿孔示意圖

1.1 焊接工藝中規范參數的確定

按照現行行業標準SY/T 4103—2006《鋼質管道焊接及驗收》附錄B中防止帶壓焊接時產生氫致裂紋的相關要求，帶壓焊接工藝規程應明確如下規范參數[2]：帶壓焊接時，除了指明材料的名義屈服強度外，還應該指明材料的碳當量；應該指明焊接工藝適用的管道運行條件(如管子輸送介質、流量等)；采用足夠高的熱輸入量來克服流動介質影響時(熱輸入量控制工藝)，應該規定要求的熱輸入量范圍；采用合理的焊縫熔敷順序以改善流動介質影響時(回火焊道熔敷順序方法)，應該規定要求的焊縫熔敷順序；運行管道角焊縫的焊接，名義屈服強度、壁厚不是基本要素。

試驗模擬運行管道中的天然氣：壓力不大于0.4 MPa，工作溫度20 ℃，流速為15 m/s。

1.1.1鋼材化學成份分析

委托有資質的檢驗單位對試驗用鋼材(Q235B)進行化學成份檢驗分析，檢驗后的具體數據見表1。

表1 Q235B碳素鋼化學成份(質量分數，%)

1.1.2碳當量的計算

鋼材的化學成份對帶壓焊接時管道的安全至關重要，特別是鋼材的碳當量和有害成份將直接影響焊接工藝和焊接作業安全。碳當量的計算式為：

Ceq=[ωC+ωMn/6+(ωCr+ωMo+ωV)/5+(ωNi+ωCu)/15]×100%

(1)

式中：Ceq為碳當量；ωC，ωMn，ωCr，ωMo，ωV，ωNi，ωCu分別為鋼中碳元素、錳元素、鉻元素、鉬元素、釩元素、鎳元素、銅元素含量。

模擬焊接試驗用的管筒和補板材質均為Q235B，將表1中相關檢驗數據代入式(1)，得到Q235B碳素鋼的碳當量Ceq= 0.26%。板材厚度小于20 mm：Ceq< 0.4%時，鋼材淬硬傾向不大，焊接性良好，不需預熱；Ceq= 0.4% ～ 0.6%，特別是當碳當量大于0.5%時，鋼材易于淬硬，焊接前需預熱。從計算結果可以看出，Q235B碳素鋼材淬硬傾向不大，焊接性好，焊前無需預熱。

1.1.3模擬天然氣管道實際運行，確定水的流量

(1)天然氣在管道中的流量

q氣=AV氣

(2)

式中：q氣為天然氣的體積流量，m3/s；A為管道內壁截面積，m2；V氣為天然氣的流速，m/s；

將相關數據代入式(2)，得到天然氣在管道中的流量q氣=2.0 m3/s。

(2)天然氣單位時間的換熱量

天然氣是混合氣體，其主要成分為甲烷，因此本試驗中天然氣的換熱量按甲烷換熱量近似計算，天然氣單位時間換熱量的計算式為：

Q氣=c氣·ρ氣·p氣·Δt氣

(3)

式中：Q氣為天然氣單位時間的換熱量，kJ/s；c氣為天然氣(甲烷)的比熱容，甲烷在20 ℃/0.4 MPa條件下的比熱容為2.261 kJ/(kg·℃)；ρ氣為天然氣(甲烷)的密度，甲烷在20 ℃,0.4 MPa條件下的密度為3.342 kg/m3；q氣為天然氣在管道中的流量，m3/s；Δt氣為天然氣從環境溫度到焊接溫度的溫度差，℃。

將相關數據代入式(3)，得到天然氣單位時間的換熱量Q氣=15.11ΔtkJ/s。

(3)水單位時間的換熱量

Q水=c水ρ水q水Δt水

(4)

式中：Q水為水單位時間的換熱量，kJ/s；c水為水的比熱容，水在20 ℃條件下的比熱容為4.2 kJ/(kg·℃)；q水為水在管道中的流量，m3/s；ρ水為水的密度，水在20 ℃條件下的密度為1 000 kg/m3；Δt水為水從環境溫度到焊接溫度的溫度差，℃。

將相關數據代入式(4)，得到水單位時間的換熱量Q水=4 200q水ΔtkJ/s。

(4)水在管筒中的流量

假設焊接時水在管筒內流動與天然氣在管道內流動時熱交換情況及升溫均相同，即：Q氣=Q水，Δt氣=Δt水。將相關數據代入，得到水在管道中的流量q水= 3.6×10-3m3/s。

1.1.4熱輸入量的確定

試驗選用直流電焊機，焊接電流為110 ～130 A，電弧電壓為20 ～ 23 V，焊接速度為9～ 10 cm/min。由于之前計算獲得母材的碳當量較小，因此無需預熱。

焊接熱輸入的計算式為：

E=ηIU/v

(5)

式中：E為焊接熱輸入，kJ/cm；η為功率有效系數，焊條電弧焊的功率有效系數為0.7～0.8；I為焊接電流，A；U為電弧電壓，V；v為焊接速度，cm/s。

將相關數據代入式(5)，得到焊接熱輸入E=12～14 kJ/cm。焊接熱輸入小于14 kJ/cm，在天然氣壓力小于0.4 MPa，材質為Q235B，規格為D426 mm× 7 mm的鋼管上焊接，不會發生“燒穿”問題[3]。

1.1.5完成焊接

為改善焊接接頭的力學性能，緩解接頭氫致裂紋傾向，可采用回火焊道熔敷順序方法[2]，先用窄焊道堆焊熔敷金屬隔離層，后續焊道采用較高熱輸入工藝，可以細化和回火第一層焊道的熱影響區；同時，為了減少焊接應力，在安裝時應該注意合理裝配，以減小焊縫根部的應力集中。

1.2 焊接工藝參數

采用ZX7 300型直流電焊機進行焊條電弧焊。采用直徑為3.2 mm的E4303焊條，焊接電流為110～130 A，電弧電壓為20～23 V，焊接速度為9～10 cm/min，焊接層數為2層。焊接熱輸入控制在12～14 kJ/cm，焊接位置為水平固定全位置，焊接方向為向上，焊道之間的時間間隔為5～10 min。

1.3 模擬焊接

(1) 焊接的準備。在管筒上裝配補板時，要相互對正，貼緊配合，管筒焊接處四周20 mm范圍內，打磨清理，露出金屬光澤。

(2) 管筒進水口連接水源，出水口連接水表后接入排水管道中。開啟水源，依次打開出水口、測壓口和進水口的閥門，當水從出水口流出時，關閉出水口閥門；水從測壓口流出時，安裝壓力表，此時管筒內充滿水，觀察壓力表數值。

(3) 緩慢開啟出水口閥門，保持壓力穩定，將水的流量控制在4.86×10-4m3/s左右(觀察水表)。

(4)按照預先擬定的焊接工藝參數進行焊接。為改善焊接接頭的力學性能，降低接頭氫致裂紋傾向，可采用回火焊道熔敷順序方法[2]，先用窄焊道堆焊熔敷金屬隔離層，后續焊道采用高熱輸入工藝，可以細化第一層焊道的晶粒，并相當于為第一層焊道提供了回火熱處理；同時，為了減少焊接應力，在安裝時應該注意合理裝配，以減小焊縫根部的應力集中。

1.4 焊接接頭檢驗

按照SY/T 4103—2006《鋼質管道焊接及驗收》附錄B.2的規定，將試樣送至國家焊接材料質量監督檢驗中心進行彎曲性能、刻槽錘斷和宏觀觀察等試驗。通過宏觀觀察可知，試件無表面裂紋、氣孔、咬邊和夾渣等缺陷。彎曲試驗結果表明，試件的彎曲角均達到180°。通過對接試件的刻槽錘斷試驗(試驗件尺寸為5 mm×10 mm×55 mm)，結果發現接頭焊縫處的沖擊吸收能量的平均值為22 J，熱影響區的沖擊吸收能量為 60 J；通過對角接接頭的刻槽錘斷試驗發現每個角焊試樣的斷裂表面完全焊透和熔合，無氣孔和夾渣。圖2為角接接頭刻槽錘斷后的試件形貌。

圖2 角接接頭斷后形貌圖

2 結論

(1)在材質為Q235B，規格為D426 mm×7 mm，壓力不大于0.4 MPa的城鎮燃氣(天然氣)鋼質管道上，按照預先擬定的焊接工藝進行帶壓焊接，不會產生氫致裂紋。

(2)帶壓焊接工藝規程應經過評定合格，工藝規程中的要素發生變化時，應重新進行評定。帶壓焊接工藝既要避免“燒穿”，也要防止氫致裂紋的產生，二者要兼顧。 帶壓焊接作業后，巡檢人員要對管道監控運行一段時間，確保管道安全。