長輸管道焊接施工中裂紋的控制方法探究

王趙平，杜 鑫

（1.國家管網集團山東運維中心，山東 濟南 250000；2.國家管網集團山東天然氣管道有限公司，山東 濟南 250000）

中國既是世界原油和天然氣的主要產出大國又是消耗大國，石油資源和天然氣資源的產業鏈中大多使用長輸管線進行運輸，長輸管道的運行過程中，因焊接質量產生的裂紋為油氣資源的遠距離運輸埋藏了巨大的安全隱患，因此，進一步探討長輸管道焊接工藝中產生裂紋的因素以及針對性的控制方法意義重大。油氣資源是支持社會經濟正常運轉的重要基礎能源，在這樣的發展背景下，尤其能源之間的供需矛盾更加突出。長輸管道運輸技術的出現，有效解決了油氣資源分布不均勻，以及遠距離運輸的問題，長輸管道運輸技術是一種具備高級經濟效益的長距離氣體或液體運輸方式，長輸管道運輸技術的出現，一直以來，都依賴于國家管道鋼鐵技術的發展以及焊接施工技術的持續性進展。長輸管道對于油氣資源的傳輸效率以及傳輸性能能夠更加適應目前社會持續性發展，經濟建設以及各行各業對于油氣資源的需求，但由于長輸管道的焊接施工，通常情況下所處的外界條件極不穩定，同時，焊接施工的位置受限，這也導致長輸管道的焊接施工質量受外界環境影響水平較高。而長輸管道的焊接質量關系到了油氣資源等運行安全性以及供應穩定性，因此，研究遠距離長輸管道的焊接裂紋控制措施對于維持長輸管道的運行穩定性來說是至關重要的。

1 長輸管道運輸的特征分析

長輸管道之所以擁有廣泛的適用性在于它做到了安全和保護的，不僅可以實現石油資源的連續運輸，受天氣和地理環境改變的影響很小，并且由于在運輸中沒有形成噪音環境污染，本身對燃料的消耗也很少，考慮到絕大多數遠距離運行管線埋藏于地下深處，受到土層環境以及地形地勢的影響較為顯著，因此，長輸管道焊接施工工藝以及裂紋防治措施的針對性應用，才能避免遠距離油氣資源運輸過程中產生的損耗，極大地節省油氣資源遠距離運輸的成本。除此之外，由于遠距離長輸管道的運輸具備靈活性較差的特性，因此，只有在大批量油氣資源運輸過程中才會考慮遠距離運輸方式，保障對大批量油氣資源的集中性管理，使用同一遠程控制操作后臺實現對遠距離油氣資源的自動化管控。

2 長輸管道焊接工藝裂紋分類裂紋出現的因素

長輸管線焊接施工過程中易受到外界環境因素的影響導致管道焊縫裂紋的存在，通常狀況下，普通的裂紋可以分為冷裂紋、熱裂紋以及再加熱裂紋。冷裂紋的出現主要是由于焊接施工焊口處出現了其他組織的影響，除此之外，焊接過程中產生的大量氫氣也會導致冷裂紋的形成，而焊接過程中，管道材料會產生較大的焊縫拉伸力，這三種力量作用之間相互影響，都可能會導致長輸管道焊接過程中冷裂紋的形成。但這其中，焊接材料產生的大量氫氣是對冷裂紋影響最為顯著的因素。熱裂紋主要是指長輸管道焊接過程中，在熱量影響下產生的裂紋，也就是說，在焊接施工過程中，施工設備產生的高熱量會導致長輸管道表面形成熱片息反應，而高熱量條件下有可能會形成溶點較低的其它結晶體，這種結晶體在高溫狀態下處于液態狀況，并且具有溫度較低的特征，而這種結晶體隨著時間的推移也會逐漸凝固，在這種情況下，如果焊接施工過程中出現了較大的拉伸應力，那么，液態狀況下的其他結晶體或在轉變為固態狀況下的結晶體，就可能會在結構不穩定的狀況下產生裂紋。延遲裂紋也是長輸管道施工過程中最為常見的一種裂紋，延遲裂紋本身屬于冷裂紋的一種類型，這種裂紋通常情況下，在焊接施工過后的幾小時到幾天不等，才會逐漸顯現出來，并且隨著時間的不斷增加，延遲裂紋的數量以及裂紋的深淺程度也會不斷增加。根據對長輸管道焊接施工工藝的調查顯示，導致延遲裂紋出現的主要原因其實是長輸管道焊材質量以及焊接設備接頭給予的管道應力之間相互作用而形成的。具體來說，延遲裂紋產生條件下，如果焊接管道焊材組織中的晶體顆粒越大，在焊接過程中產生延遲裂紋的可能性也就越高，由于晶體顆粒過于粗硬，就會變相的降低焊接過程中產生的高溫，這也在一定程度上增加了冷裂紋產生的可能性。除此之外，在焊接過程中，焊接設備接頭所承受的應力主要包括了焊接時產生的內應力以及外應力，在焊接過程中，受高溫影響會導致，焊接設備與長輸管道金屬材料的接觸區域出現膨脹反應，但是當焊接完成之后，在冷卻收縮的瞬間膨脹反應與冷卻反應之間相互作用就會導致焊接區域的管道出現較大的體積差異，在此條件下，有可能會對焊接口產生相應的相變應力，極容易導致延遲裂紋的產生。除此之外，如果在焊接施工前，不注重將長輸管道表面的其他雜質清理干凈，在焊接過程中受到高溫影響，其他雜質水解后也會產生液態的結晶物，這時，在焊接拉伸應力過大的影響下也可能會出現液態的裂紋。再加熱斷裂紋，主要是指焊接管道的合金材料中，某些金屬元素在循環加熱后，其本身的溫度會再次上升，而隨著溫度不斷的上升，不同熔點的結晶體可能會處在結構斷裂的溫度界限下。通常情況下，在初次加熱過程中，如果加熱飽和度過高，焊接管道中的碳化物質就會被熱氣分解，而從分解出的其他雜質晶體中，可能會在原來的奧氏體表層影響下，形成滑動反應，在這一過程中，由于內部松弛與外部的滑動反應之間產生了相互引力就會形成再加熱裂紋。

3 長輸管道焊接施工工藝標準

3.1 施工過程要嚴格遵守施工設計

在長輸管線焊接施工項目進行之前，首先要對管道的施工設計圖紙進行細致的分析，通過深入的研究加強施工方與設計方雙方之間的相互聯系，避免施工方與設計方之間出現信息不對稱的問題，在準備工作中做好技術交底工作，確保施工流程與施工技術和設計圖紙的適配程度。除此之外，還應該在保障施工材料質量的基礎條件下，確保材料評估以及審核過關，才能為后續長輸管道的焊接施工質量評估提供參考依據。焊接施工評估工作應該交由第三方監理公司進行監管，確保管道連接工作及其相關系統的完善程度符合實際要求。

3.2 長輸管線的施工質量以及工藝規范

為確保長輸管線施工質量符合國家標準規定，保障長輸管線整體結構的使用性能。首先，管道材質在焊接高溫條件下不會出現氣孔或其他破裂問題。除此之外，在焊接施工過程中，施工兩端重疊長度必須要超過0.5 mm，即使是在30 cm長度的連續焊接施工管線中，重疊長度也必須要控制在0.5 mm以下。其次，本文所列舉的工程中長輸管道的焊接施工類型為下向焊接，想要在這種焊接施工條件下，對長輸管道的內部結構以及焊接施工參數進行合理的控制，需要確保傳輸管道的焊接重合長度控制在0.05 m之內，才能保障焊接施工相關參數服務和施工標準。第三，如果是上向焊接施工，需要將管道上方向的焊接重疊高度控制在3 mm以內。最后，在焊接工作完成之后，還需要對長輸管道焊接部位進行無損探測處理，通過探測處理集中了解長輸管道焊接過程中是否存在裂紋或其他質量問題。

4 長輸管道的焊接裂紋的控制

4.1 冷裂紋的防控措施

冷裂紋的防控措施重點在于焊接過程中對于氫氣氣體的控制、降低焊接過程中拉伸應力等方法作為切入點。首先，為了避免在焊接過程中產生大量的氫氣氣體，盡可能地避免選擇氫氣含量較高或堿性較高的焊接化學劑，需要注意的是，如果焊接化學劑儲存時間較長，也可能會從外界空氣中吸收空氣中水分，而在高溫作用下釋放出氫氣，進一步增加焊接過程中的氫氣擴散量。焊接化學劑在使用之前必須要通過特殊的烘干工藝，將其中的水分去除，這樣才能盡可能地減少焊接過程中由于高溫引發的氫氣氣體擴散。除此之外，還需要采用標準化的焊接工藝，在焊接之前，注意對焊接區域的提前預熱以及不同溫度曾的有效控制，這些方法能夠有效地減少裂紋產生的可能性，焊接完成后就必須做好保溫處理。

4.2 熱裂紋的防控措施

在對前面的剖析中我們能夠發現，熱裂紋的形成由于金屬的內部應力的存在的關系，那么對熱裂紋的研究就必須從這兩方面入手。首先，對于板材中的易偏析出的元素的濃度需要更嚴密的管理，特別是硫元素和磷元素的增加都會導致裂紋形成概率的增大，實踐經驗表明，如果將焊縫中的碳的濃度限制在0.1%以下，就能夠降低熱裂縫的形成概率；另外還能夠通過調節焊接中的化學元素的成分，改善焊縫組織以及提高焊條和焊劑之間的高堿度使焊條中的雜質減少。對應力的研究，可細化為鋼材中的細小粒子，可以改善有害物質的散布情況和形態，以減少在焊縫之間的接線距離。

4.3 再熱裂紋的防控措施

可以通過適當提升加熱溫度以及管道焊接處的平滑度，持續性的降低焊接區域產生的應力，并且可以在充分保證長輸管線物理性能的基礎上，盡可能地考慮到長輸管道材料的高溫承受范圍，避免長輸管線在焊接高溫條件下形成裂紋。除此之外，還應該根據長輸管線的木材料選擇強度適當的焊接設備接頭，避免由于高溫情況下應力影響導致長輸管線焊接過程中的碳析顆粒較大。

4.4 對各焊接裂紋區分控制

首先考慮到冷裂紋的影響因素，可以采用以下及類型防范措施。第一，盡可能選擇含堿性較高的焊接化學劑，降低高溫條件下氫氣氣體的擴散程度，有效的提升管道的可塑性。第二，進一步規范施工工藝，注重焊接施工過程中，對于冷熱應力的分散以及焊接施工后的熱處理，避免高低溫瞬間轉換帶來的冷裂紋現象。第三，在管道焊接之前，應該進行提前預熱，看見之后還應該緩解冷卻速度，始終保持焊接區域的干燥性。第四，保障管道焊接區域的接口不存在其他雜質，在焊接完成之后，避免氫氣氣體的擴散。其次，對于熱裂紋產生的因素，應該采取以下裂紋消除措施。第一，合理安排焊接施工順序，盡可能采用堿性較強的焊接化學劑，并且提前處理焊口周邊的雜質。第二，控制焊接施工區域的施工方向，避免焊接過程中焊接設備偏離中心線出現裂紋。除此之外，為了避免再熱裂紋的產生，還應該盡可能選擇對溫度敏感程度較低的焊接材料，可以通過提前預熱以及緩解焊接后的溫度降低時間避免冷熱瞬間應力下產生的裂紋問題。

4.5 優選焊條的工藝參數

選擇合適的焊條工藝參數是避免各類型裂紋出現的有效舉措。對于焊條工藝參數的選擇，首先必須要符合焊接施工工藝的規范流程，同時，還應該選擇具備較強應用性能的焊條，這樣才能夠進一步提升焊條，阻止氫氣氣體擴散的能力，有效的緩沖焊接后焊接區域的冷卻速度。除此之外，在長輸管線焊接區域中，應該保障管道本身的材質以及焊接施工設備的等級達到國家標準規范要求，施工人員施工過程中應該手持施工設備向下進行焊接。

4.6 優化中長輸天然氣軌道焊接工藝條件技術

長輸油氣管道焊接施工中裂紋的產生也會受到周邊氣候條件的影響，在不同的溫度環境下，也應該選擇相應的焊接施工技術，才能夠有效地避免溫度變化，對于焊接質量帶來的影響。例如，如果在風力較大的環境中進行焊接施工時，就需要通過利用藥芯焊絲避免外界風力對于焊接施工質量的影響。除此之外，還可以通過半自動化控制技術進行長輸油氣管道的焊接施工，這樣就能夠有效地避免人力施工受到外界風力影響。在實際施工過程中，還應該注意處理焊接施工區域連接端的施工質量，在終端部分，可以通過科學的填充方式避免裂紋問題的產生。

4.7 加強天然氣管道焊接管理

增加了長輸管道連接控制，從人為的視角上，減少裂紋的形成。并優選出焊接技術參數，掌握了合理焊接方法之后，為了逐步減少管道裂縫的產生，就必須增加對焊工的參與人員的管理。首先，必須使焊工具備國家認可的相應資格，并且有著豐富的操作焊機經歷，可以熟悉技術要點。其次，焊接技術人員也必須具有高度的責任心，以保證長輸管道焊接是一個的高質量操作。唯有強化了對焊接過程的人為控制，才發揮出環境要求控制的效果，也最大限度減少了裂紋發病率。

5 結束語

綜上所述，長輸油氣管道在焊接施工過程中，可能會受到施工順序、高溫條件下氫氣氣體等多種因素的影響而產生多種類型的裂縫，因此，在焊接施工過程中必須要深入探究產生裂紋的各類型因素，采用具備針對性的裂紋控制方法，確保長輸管道焊接施工的質量，有效的提升我國油氣資源運輸的效率。