油氣管道帶壓焊接燒穿的研究進展*

張萍 閆臣 王飛 尹長華 韓濤

1北京石油化工學院工程師學院

2中國石油天然氣管道局

3中石油煤層氣有限責任公司忻州采氣管理區

由于我國石油和天然氣資源分布不平衡，需要鋪設超長的油氣管道來輸送。長距離、大管徑、高壓力成為陸上油氣輸送管道的發展方向。截至2017 年底，中國油氣長輸管道（主要指三大油公司級省網公司建設的產地、儲存庫、使用單位間用于輸送商品介質的管道）總里程已達13.14×104km，其中天然氣管道約7.26×104 km，原油管道約3.09×104km，成品油管道約2.79×104km[1]。這些管道上游沿線地形地貌復雜，下游則是中國人口稠密、經濟發達的省市。在服役過程中，腐蝕、損傷等會造成管道的局部壁厚減少，導致承載內壓的能力下降，因此需對減薄部位進行焊接修補。傳統的焊接方法是停止運輸，泄壓并吹散、清理管內的殘余油氣，而后進行焊接，這會導致居民用氣受到阻礙，環境受到污染，經濟損失嚴重。帶壓焊接修復技術具有修補速度快、供氣持續、污染小等優點[2]，備受關注。

為了保證焊接過程的安全及焊接的質量，一般認為帶壓焊接中需重點關注兩個因素[3-4]：燒穿和氫致裂紋。也有學者認為還應考慮管壁的滲碳和滲氫、介質的熱分解、腐蝕與疲勞等因素[5-6]。如果燒穿，管道內的油氣會起火燃燒，對管道周圍人員的生命財產帶來巨大威脅，同時泄漏的油氣還會污染周圍的環境，浪費大量資源，因此在這些因素中，必須優先考慮燒穿。目前我國超一半以上的現存管道服役年限超過十年，逐漸老化的管道面臨修復問題，因此研究燒穿機理以及如何預防燒穿意義重大。

1 燒穿機理研究

一般認為燒穿的機理是：帶壓焊時由于管道的局部升溫使得金屬材料熔融，如果焊接時電弧功率過大，溫度過高時，會產生直接燒穿；未熔融的金屬材料在管道內介質壓力的影響下發生塑性變形，產生失穩燒穿[7]（圖1）。

圖1 帶壓焊接中燒穿失效形式Fig.1 Burn-through failure mode in pressure welding

進一步的研究表明：帶壓焊接燒穿是管壁金屬在高溫和拉應力共同作用下，因熔池下方高溫金屬的強度下降，其承載能力低于管道運輸壓力，發生了管道破壞，其本質是一個宏、微觀結合的過程，即含微缺陷的管壁材料，在焊接高溫和內壓的共同作用下，因微觀結構發生了破壞，降低了管壁材料的強度，微裂紋、孔洞等缺陷易于擴展匯集，產生了貫穿性的主裂紋和宏觀裂紋，最后管道失穩、破壞，造成燒穿[8]。

最近有研究者開始從原位高溫試驗及原子層面對其進行微觀機理的研究。WU 等[9-10]通過原位高溫拉伸試驗和原位金相試驗及有限元仿真，研究了管道金屬不同微區的裂紋萌生和擴展機制，指出在熔池下方處焊件徑向變形產生拉應力，在拉應力下易產生分布于徑向變形管壁上的穿透裂紋；融合線處的應變最高，在拉伸載荷作用下，融合線附近的晶界成為微裂紋的起源；熔池下方不同微區的裂紋萌生機制不同（在熔合區，晶界熔化導致晶間脆性斷裂；在粗晶粒區，位錯滑移帶在晶界引起應力集中，裂紋容易出現在晶界和晶界匯交的連接處）。

QIAO 等[11]通過分子動力學模擬，從原子層面揭示了燒穿的微觀機理。其計算結果表明，隨著應變的積累，位錯滑移帶的形成，局部應力的集中，使得許多原子鍵被破壞，形成微缺陷，裂紋快速擴展并發展為貫穿裂紋，最終導致失效；熔合線附近的材料力學性能最差，材料的力學性能下降具有時間效應，即在焊弧通過后的幾秒鐘，熔池下方的區域性能更差，這顛覆了最危險的地方在最大熔深的下方區域這一傳統觀點。

2 燒穿影響因素研究

燒穿的主要因素有：管道因素、焊接工藝與參數、介質因素等（圖2）。

圖2 燒穿的影響因素Fig.2 Influencing factors of burn through

管道因素包括管道的材料性能、管道的直徑和管壁的厚度等。X65、X70 高強管線鋼在國內已經普遍使用，X80 是長輸管道油氣運輸中的主流用鋼。高強度管道鋼燒穿危險比低強度管道鋼低[12]。管道承受內壓時，根據力學理論推導，其軸向應力和徑向應力與管道的直徑成正比，當進行管道帶壓焊時，厚度相同，內壓相同時，隨著管道直徑的增加，管壁承受的拉應力也增加，更容易發生燒穿。

中薄板帶壓焊接修復存在燒穿風險。CISILINO等[13]通過實驗發現安全壁厚與工作壓力及介質流量相關，隨著工作壓力、介質流量的增加，安全壁厚相應的減小。這是由于壁厚增大，改善了管線鋼金屬的熱傳導能力，提高了單位容積的管線在單位時間內的散熱能力，管線的內壁和外壁的最高工作溫度也相應下降。

焊接時的工藝參數直接影響熔池的深度和熔池的寬度。當熔池的深度變大時，已熔融金屬所占的比重增加，且未熔融區域溫度升高，其強度和硬度也會降低，在管內壓力作用下，金屬易因塑性變形而造成燒穿[14]。

帶壓焊接管道內部換熱機制主要為輻射換熱和對流換熱。影響內部的換熱的因素包括管內介質的性質、介質的流速和內壓。當管內運輸的介質是液體時，產生燒穿的可能性隨內壓的增加而上升，但當運輸的介質為氣體時，這一規律并不明顯；當管內介質流速增加時，內壁的熱量也被帶走得更多，因而越不容易燒穿[15]。HUANG 等[16]的研究表明隨著介質的流量、運行壓力和管壁的厚度增加，熱影響區寬度和管道內壁熱循環減小，換熱系數與氣體壓力成線性關系，而與流速的關系則是先呈指數關系迅速增加，然后隨著流速的增加呈線性增加。而郝建斌等[17]研究表明，管道的壁厚和壓力對燒穿的影響大，管道的流速對燒穿的影響小。燒穿是各種因素共同作用的結果，其影響因素作用的規律和機理仍是管道帶壓焊接的研究熱點。

3 燒穿判據研究

近年來，人們對如何確定帶壓焊接燒穿的判斷依據開展了廣泛深入的研究，形成了多種防止帶壓焊接燒穿的判斷依據，包括內壁的最高溫度、管道的最小壁厚、有效的剩余壁厚、徑向變形量以及最大等效應力等。

（1）內壁的最高溫度。美國BMI 和EWI 研究所的研究結果為：為了防止燒穿，帶壓焊需采用低氫焊條進行焊接，同時管道內壁的溫度不得超過982 ℃[18-19]。BRUCE 等[20]發現當內壁溫度高達1 260 ℃時，帶壓焊接實驗中仍沒有發生燒穿。ODDY 等[21]指出，由于高強鋼不斷應用于油氣管道的運輸中，管道壁厚越來越薄，很難保證焊接過程中內壁最高溫度低于982 ℃。研究表明，當介質為水時，管道內壓力會影響內表面最高溫度。隨著材料的應用范圍的擴展，研究的進一步深入，采用內壁的最高溫度不超過982 ℃作為判斷依據不夠準確。

（2）管道的最小壁厚。API 1104 標準指出，采用低氫量焊條及常用焊接工藝規程，當管壁厚度t≥6.4 mm 時，通常并不會發生燒穿，但當壁厚低于該值時，燒穿卻有可能發生。SY/T 6554—2003標準指出，當管壁厚度t＞12.8 mm 時，可以不考慮燒穿問題，當管道壁厚低于該值時，就必須選擇合理的焊接線能量，以免能量過高引起燒穿[22]。LIN等[23]通過多組對比試驗得出焊接線能量為1.2 kJ/mm時，安全壁厚t≥7 mm。用有限元進行計算，結果表明，當壁厚t＜5.5 mm 厚度時容易發生燒穿，當壁厚t＞8 mm 時，幾乎沒有燒穿風險。研究表明最小壁厚與流速和壓力相關。管道的最小壁厚法僅適用于特定的焊接工藝及管線運行條件，對燒穿預測的應用范圍比較小，所以對燒穿預測也僅起到輔助作用[24]。

（3）有效剩余壁厚。焊接時，由于焊縫和管壁外層部分金屬熔化，熔化的金屬喪失了強度，且因熱影響區高溫，材料本身的強度變低，管道承載能力下降。SABAPATHY[25-26]、薛小龍等[27-28]通過將熔池及高溫金屬材料轉化成常溫下的管道缺陷預測可焊內壓，把焊接過程中，局部高溫造成的管壁強度降低量折換成管道常溫下管壁的金屬損失，從而獲得有效的剩余壁厚，然后使用適當的管道剩余強度評價標準，確定可焊內壓，預測帶壓焊接時管道是否會發生燒穿。也有學者將該方法稱之為剩余強度法。目前含體積型缺陷的評定體系可參考ASME B31G、NG -18、API RP579—2000、RSTRENG、DNV RP-F101、SAVP 以及我國的SY/T 10048—2003 等相關標準。

有效剩余壁厚法需要解決的核心問題是如何處理焊接缺陷。MATTHEW 提出了“等效腔”模型，將熔池附近等溫線內的材料強度視為零，將等溫線外的強度視為與在正常溫度下的強度一致。采用計算機模擬計算出管壁材料從高溫到常溫轉化過程中，將三維熔池假定為平面熔池，并沿著最危險路徑對其強度進行積分。壁厚相同、材質相同的管道，如果熔池深度相同，長度或寬度不同，則采用該方法計算的可焊內壓是相同的，與常理不相吻合[29]。

對Q345 鋼的仿真帶壓焊接，采用將最危險路徑的一維積分法進行了可焊壓力的計算，其仿真結果和實驗有較大的誤差；將該方法改進為有效積分區域的三維積分法來計算管壁的剩余強度，結果表明有效積分溫度區間的選擇是保證剩余強度三維積分計算精度的關鍵，對于Q345 鋼而言，有效積分溫度區間取為430 ℃～1 450 ℃，仿真結果與實驗吻合。但是不同材料的有效積分溫度區間存在差異，因此需采用實驗與數值方法相結合的研究方式，以確定合適的有效積分溫度區間。

（4）徑向變形量。焊接時管道會發生徑向變形。當管道內無內壓時，在焊接接頭處會產生向內凹變形；而帶壓焊時，在管內壓力及熱應力作用下，接頭處會出現向外凸的變形[30-31]，當管道內壓超過臨界壓力時，該部位的徑向變形量會急劇上升而產生失穩，所以這部分也是預防焊接燒穿時需要重點關注的部位[32]。

許多研究人員試圖用一個確定的徑向變形閾值來預測帶壓焊接中的燒穿。API 1104 標準指出，當徑向變形量大于被焊板的厚度的10%時，極易產生燒穿[33]。PRCI（國際管道研究委員會）認為0.4 mm 的徑向變形為是否發生燒穿的臨界值，而Sabapathy 等在南澳大利亞阿德萊德大學機械工程系發表的論文中認為徑向變形的臨界值為1 mm，在兩年期國際管道會議中討論的結果則為0.38 mm[34-35]。

然而燒穿發生時的臨界最大徑向變形值與管壁厚度、熔池尺寸有著相當復雜的關系，僅通過徑向變形超過一個定值來判斷是否燒穿具有一定的局限性。郭廣飛、韓濤等深入研究了管內壓力和焊接時間與管道徑向變形之間的關系，研究結果表明，徑向變形量具有時間效應，當焊接進行一段時間后，即使徑向變形量小于板厚的10%，也可能會發生燒穿現象，這就意味著實際帶壓焊接中，在嚴格遵守焊接工藝參數的同時，還必須嚴格控制連續焊接時焊道長度，并盡可能使用中短焊縫，不要使用長焊縫進行連續焊；此外，在預測焊接是否存在燒穿風險時，選用瞬時最大徑向變形量法比選擇內壁最大徑向變形量法更貼近實際情況[36]。盧玉秀探討了管道內部壓力與徑向變形量之間的關系，研究表明：隨著管內壓力的逐漸增加，管道的徑向變形也逐漸增加，并且與介質壓力呈線性關系，當內壓達到一定數值后，徑向變形量會顯著增大，這個內壓值即為帶壓焊接的可焊壓力[37-38]。

（5）最大等效應力。由強度理論可知，當塑性材料的最大等效應力超過材料的屈服強度時，就會發生屈服失效。對于帶壓焊，在仿真時需考慮金屬材料的高溫熱物理性能、高溫力學性能及相變參數，獲得焊接過程中的應力分布，并通過比較von Mises（屈服準則）等效應力和金屬材料的高溫屈服強度，預測帶壓焊接是否燒穿。

董平戰指出，最大熔深處的管材受拉應力作用時，當最大等效應力大于該部位管材屈服強度時，會引起燒穿失穩[39]。當管壁三分之二處的von Mises 等效應力大于材料在相應溫度下的屈服強度時，會有燒穿的風險。最危險的路徑是沿壁厚具有最大塑性失效深度的路徑，當最危險路徑超過管壁三分之二的von Mises 等效應力大于相應溫度下的屈服強度時，燒穿的風險高。

綜上所述，現有的帶壓焊接燒穿判據大多是基于宏觀燒穿現象的經驗判據，是對部分影響因素做出的研究，存在對影響因素考慮不全、過分簡化導致誤差過大等問題。因此，這些燒穿的判斷依據仍需要進一步研究，以確保其預測燒穿的準確性。

4 預防燒穿措施

從以上研究可見影響燒穿的主要因素有三個方面，即管道壁厚、焊接工藝、內壓及管內介質流速等，目前并沒有通用于各種管道、工藝、介質流速壓力的顯式公式將這些因素耦合在一起，帶壓焊接的燒穿問題仍然是該技術的一個熱點研究內容。目前為了降低燒穿風險所采用的措施，大致定性地從以下幾個方面著手。

（1）合理的壁厚。管壁越厚，熱傳導能力越強，在同樣的焊接工藝和管內介質運行前提下，管道內壁的最高溫度越低，剩余管壁越厚，也就更不容易產生燒穿，但成本高。由此可見，在保證安全運行的前提下，需減小管道壁厚度。SY/T 6554—2003 標準中提出的4.8 mm，是大多數帶壓焊規范中所選擇的最小母材管道壁厚。為避免燒穿，實際的母材最小壁厚必需加上一個安全厚度（通常是2.4 mm）。

（2）合理的焊接線能量和焊條直徑。帶壓管道的焊接主要考慮兩方面：燒穿和氫致裂紋。管道帶壓焊時，介質的流動帶走熱量，焊接區域快速冷卻，使得焊接接頭處更易形成淬硬組織，該組織在焊接拉應力和氫的擴散作用下，易形成氫致裂紋。小的線能量和快的冷卻速度雖然能夠降低燒穿的風險，但同時也提高了氫致裂紋的風險。所以，在選擇焊接工藝參數時，在確保不燒穿的前提下，盡可能采用大的線能量。

SY/T 6554—2003 標準指出：在許多情況下，采用低氫焊條可以減少燒穿的風險，當管道壁厚t＜6.4 mm 時，第一焊道最好采用直徑d＜2.4 mm 的焊條（此時需要注意：高碳當量的材料會增加裂紋風險），若管道壁厚t≤12.8 mm 時，后續的焊道焊接則應采用直徑d=3.2 mm 或更小直徑的焊條。當管道壁厚t＞12.8 mm 時，不必優先考慮燒穿，此時可以采用大直徑的焊條。

（3）合理的介質流速和內壓。介質的流速對帶壓焊接質量有兩個方面的影響，一方面更高的介質流速帶走更多的焊接熱量，從而管壁的冷卻速度更快，焊接接頭產生更多的淬硬組織，更易產生氫致開裂；另一方面太慢的介質流速帶走的焊接熱量少，局部容易高溫，進而產生燒穿的可能性上升。所以，管道帶壓焊接時，既要防止介質流速過低導致燒穿，同時也要避免介質流速過高形成裂紋。

一般可通過經驗數據和有限元仿真相結合的方式，根據實驗數據修正數值仿真模型，建立合理的數據庫，最終根據實際工況給出確定合理的可焊內壓，這是一個極具挑戰性的工程。

5 結語

燒穿是管道帶壓焊中需要重點關注的問題之一，從目前燒穿的國內外研究現狀來看，主要結論有：

（1）含微缺陷的管壁材料，在焊接高溫和內壓的共同作用下，產生了貫穿性的主裂紋和宏觀裂紋，最后管道失穩、破壞，造成燒穿；燒穿是壁厚、焊接工藝參數、內壓與運行介質的流速共同作用的結果。

（2）可以通過內壁最高溫度、最小壁厚、有效剩余壁厚、徑向變形量、等效應力等參數進行預測燒穿，各種方法側重點不同，考慮的因素也不全，其預測的準確性仍需進一步研究。

（3）采取控制壁厚、焊接線能量和焊條直徑、介質流速和內壓等方式，可以降低帶壓焊接燒穿的風險。

鑒于管道材料、管內介質的實際運行工況和焊接工藝參數的復雜多樣性，定量地給出準確的控制參數難度較大，可以將理論機理研究、數值模擬仿真和焊評實驗相結合，給出更為合適的避免燒穿方案，從而保障油氣輸送管道的安全運行。