在役管道焊接質量控制因素及解決方法

詹一為 蔡 亮 顏本翔 楊雪魁 張 磊

（1. 國家管網集團北方管道有限責任公司，河北 廊坊 065000；2. 中航油京津冀物流有限公司，天津 300300；3. 吐哈石油勘探開發有限公司技術監測中心，新疆 鄯善 838202；4. 國家管網集團西南管道有限責任公司天水輸油氣分公司，甘肅 天水 741002；5. 中國石油青海油田分公司管道處，青海 格爾木 816000）

0 引言

因焊縫缺陷、施工損傷、腐蝕和第三方開挖，管道易發油氣泄漏事故。焊接是管道缺陷修復和泄漏搶修的關鍵程序。在役管道焊接是高效、快速維搶修技術的典型應用，不影響管道正常運行、施工效率高。在役管道焊接風險是可能燒穿管道，造成火災和人員傷亡事故。隨著新建管道設計壓力等級提高，X80高等級管線鋼管對焊接熱應力非常敏感[1]。本文重點分析了影響在役管道焊接質量的關鍵因素，結合國內外焊接技術研究成果，提出針對性的解決方法，對于保證管道焊接質量以及指導管道維搶修工作具有重要意義。

1 在役管道焊接技術現狀

在役管道焊接與新建管道焊接工藝技術差異較大。在役管道焊接是在管道介質運行以及特定溫度和壓力狀態下進行。在役管道焊接首要保證焊縫區域的熱量輸入，防止焊縫產生氫致裂紋，其次防止熱量過高燒穿管壁。如焊接操作不規范，可能形成高硬度焊接熱影響區（HAZ，Heat Affect Zone），HAZ對氫致裂紋非常敏感。1986年加拿大TransCanada管道火災爆炸事故根本原因是管道焊接修復時形成一塊硬幣大小的HAZ硬化缺陷區。美國最先開展在役管道焊接工程應用研究，Battelle焊接研究所（Battelle Memoria Institute，BMI）系統開展在役管道焊接數值模擬。美國標準API Std 1104-2013《管道及相關設施的焊接》在附錄B規定了在役管道焊接工藝評定程序、焊工資格以及推薦操作規程。

2 在役管道焊接質量影響因素及技術措施

在役管道焊接需要解決兩個關鍵問題：一是防止“燒穿”，焊接電弧不能灼傷穿透管壁；二是預防氫致裂紋，管道介質快速流動增大管壁換熱作用，導致焊接冷卻速率過快誘發氫致裂紋。近年來發生多次由于在役管道焊接接頭質量不合格的問題，學術界認識到管內介質的熱擴散、滲碳/滲氫、應力腐蝕和疲勞失效也稱為在役管道焊接質量重要的影響因素。

2.1 管壁燒穿

（1）管道最小壁厚燒穿控制

一般認為導致焊接燒穿的因素有管道內壓力、壁厚、輸送溫度和焊接能量。Cislinoi研究了天然氣管道允許焊接壁厚與管道內壓力、流速的關系，結論是管道內壓力5.9MPa，最小允許焊接壁厚是4.7mm；管道內壓力是4.7MPa和3.53MPa，最小允許焊接壁厚是為4.9mm和5.2mm。美國標準API Std 1104-2013《管道及附件設施焊接》規定管道最小允許焊接壁厚應大于6.4mm，采用低氫含量焊條，正常操作條件下在役管道焊接不會發生管壁燒穿。如是薄壁管道情形，應采取特殊施工監測措施，精準控制焊接熱量輸入；

（2）管道內壁溫度燒穿控制

Battelle焊接研究所研究結論是：利用低氫含量焊條實施管道在線焊接，控制管壁溫度不超過980℃可以防止燒穿；利用纖維素型焊條實施管道在線焊接，控制管壁溫度不超過760℃可以防止燒穿。上述結論僅考慮焊接熱量輸入是影響管壁燒穿的唯一因素，實際上管道內壓力、管材超高溫度性能參數和HAZ熱應力循環也存在一定影響。特別是X80高鋼級管線鋼管壁厚相對更小，焊接熱量輸入管壁溫度至少在900℃以上。該方法雖然過于安全，但仍不失為判定燒穿的簡易方法；

（3）管道有效剩余壁厚預測燒穿

針對體積型腐蝕缺陷管道，國外管道行業已制定多項管道安全評價標準，其中較為公認的有美國標準ASME B31G-2012《評價已腐蝕管道剩余強度指南》、英國標準BS 7910-2019《金屬構筑物缺陷評價規范》、DNV-RP-F101《管道腐蝕缺陷評價準則》。Wahabi提出利用管道有效剩余壁厚預測燒穿的研究路線，將在役管道焊接等同為管道產生體積型腐蝕缺陷，基本思想是認為因焊接局部高溫高壓造成管道承壓能力降低，計算缺陷管段對應的管道有效剩余壁厚，再根據上述管道剩余強度評價技術標準，預測管壁燒穿的風險概率。

2.2 氫致裂紋

相對預防管壁燒穿，氫致裂紋預防、檢測難度更大。較為公認觀點是，在役管道焊接誘發氫致裂紋應滿足三項必要條件，焊縫具備一定氫含量、焊縫性能具有一定淬硬傾向以及焊縫施工安裝中附件載荷應力。

（1）焊縫氫含量控制

焊縫中氫組分來源渠道是含氫型焊條、施工環境水分、管道表面存在鐵銹/油漬，以及碳氫化合物高溫、高壓下分解出氫分子擴散至管材。焊縫氫含量控制方法是焊接物資采購必須選擇低氫含量焊條，焊接前充分烘干焊條，并對管道認真清理雜質；

（2）預防淬硬組織

X80管線鋼級已成為新建管道的首選鋼級，管道工程實踐證明，X65及以上高鋼級管線鋼管焊接組織脆硬傾向敏感。預防淬硬組織和避免輕質裂紋有效手段是嚴格控制HAZ熱影響區硬度。國外管道工程通行做法是將熱影響區硬度作為氫致裂紋開裂的評價參數，輸氣管道HAZ氫致裂紋開裂的臨界指標硬度是HV350。研究表明，焊接冷卻速率是造成HAZ硬度偏高的主要致因因素。因此，在役管道焊接應嚴格控制冷卻速率。一般性措施是設定較高預熱溫度和層級溫度以減弱溫降過程，大型油氣管道工程流速一般高于10m/s，設定較高預熱溫度很難滿足。英國森特理克設計回火焊道對角焊縫進行回火處理，一定程度上改善了焊縫區域溫降過程；

（3）應力控制

焊縫應力類型涵蓋焊接熱應力、管材相變應力、管道瞬變壓力以及環境地質變化產生的附加應力。焊接應力危害性除導致氫致裂紋開裂，還可能導致疲勞失效。減少焊接應力措施有作業前充分預熱、設定合理焊道順序和坡口管件對口安裝等。

2.3 管壁滲碳

在役管道焊接管壁內/外部處于高溫、高壓條件，碳氫化合物中的碳分子在壓力、溫度梯度驅動下向管壁擴散，在管壁處沉淀為滲碳層。在管道介質高速流動和散熱作用下，滲碳層容易相變為馬氏體或鐵素體淬硬組織。研究表明，如焊接中局部位置溫度超過1150℃，則形成共晶組織，存在焊接熱應力時衍生熱裂紋。

2.4 疲勞斷裂

2002年美國Nova公司輸氣管道發生管道斷裂事故（鋼級X70），經數值模擬和失效因素分析，原因是在線焊接三通接頭因疲勞失效導致管道斷裂，疲勞失效原因是焊接接頭應力集中。在役管道焊接時未熔融管壁在高溫高壓條件下產生彈塑性變形，加以快速冷卻作用下，焊接部位存在較大殘余應力。特別是高鋼級管線鋼管疲勞斷裂對殘余應力更為敏感，有必要開展在役管道焊接焊縫疲勞時效機理和評估研究。

3 結語

（1）針對在役管道焊接管壁燒穿以及破壞機理還未形成統一的判定準則，現行評價方法是從管道內部溫度、最小壁厚、有效剩余壁厚、徑向變形量等方面定性判斷，該評價準則對于X80高鋼級管道的適用性需要進一步驗證；

（2）數值模擬是在役管道焊接工藝評定的重要手段，應解決的問題包括材料高溫性能參數、換熱機理以及換熱系數與管壁溫度變化規律；

（3）在役管道焊接技術未來研究重點是輸送介質和管壁在高溫高壓條件下的物理化學反應，包括介質放熱、管壁滲碳、滲氫和應力腐蝕機理問題。高鋼級管道焊接接頭應力評估和疲勞失效問題也應引起重視；

（4）在役管道焊接施工存在很多不可預見因素，除制定科學、合理的焊接工藝規程，還應建立完善的焊接管理體系，確保焊接作業安全高效進行。