王帥1  李文濤2  崔嘉1  顏力1  羅偉1

1 西南油氣田公司輸氣管理處成都管道搶險維修中心；2 石油天然氣建設(shè)工程有限責任公司

 

1  施工概況

某輸氣干線管道設(shè)計壓力6.13 MPa，材質(zhì)為X70螺旋縫鋼管,規(guī)格Φ813 ×10 mm。年末經(jīng)管道缺陷漏磁智能檢測后，立即對存在的6處缺陷位置進行停氣連頭換管作業(yè)，在無損檢測中發(fā)現(xiàn)4道焊口存在根焊裂紋現(xiàn)象（見表1），返修1次后合格。

表1 根焊裂紋狀況統(tǒng)計

施工點	裂紋產(chǎn)生位置 （時鐘位置）	裂紋長度 /mm	裂紋位置內(nèi) 錯邊狀況/mm	裂紋位置根焊背面 焊縫寬度/mm
A B C D E F	6 1 / 5 5 /	7 9 / 20 13 /	/ / / 1 / /	7 7 / 6 9 /

2  停氣連頭施工的特殊性

管道停氣連頭（以下簡稱連頭）是指：輸送介質(zhì)為天然氣的在役管道遇特殊情況需停止輸送，并在空載狀態(tài)下，用盡可能短的時間完成局部管道設(shè)施更換的施工作業(yè)。停氣連頭作業(yè)有兩個明顯特點：一是時間緊，施工用時在24h以內(nèi)，并要求一次性完成。二是與長輸管道建設(shè)相比，施工條件差，常受到管道組對、應(yīng)力、磁場、內(nèi)腐蝕等因素影響，作業(yè)難度大，對作業(yè)人員技術(shù)水平要求高。 

3  根焊裂紋原因分析

裂紋在焊縫和熱影響區(qū)都會出現(xiàn)，在變化應(yīng)力的作用下會不斷增長，直至焊道失效斷裂。裂紋分宏觀裂紋和顯微裂紋，有熱裂紋、冷裂紋等類型，連頭作業(yè)中的根焊裂紋屬于顯微裂紋中的冷裂紋，不易發(fā)現(xiàn)，危害更大。淬硬組織、擴散氫含量、殘余應(yīng)力是產(chǎn)生焊接冷裂紋的三個要素[1]，其作用是相互聯(lián)系，相互制約的，不同條件下所起的主要作用不同。

3.1  淬硬組織 

母材的碳當量越高其淬硬傾向越大，延遲裂紋敏感性就越強。雖然X70鋼的碳當量不高（低于0.10％），但由于合金元素含量較高（見表2所示），在提高強度等級的同時，鋼的淬硬性也增加，在快速冷卻過程中，鐵素體析出后剩下的富碳奧氏體來不及轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，最終轉(zhuǎn)變?yōu)楹�碳量較高的貝氏體和馬氏體，且得到馬氏體的臨界速度要低，因而易產(chǎn)生淬硬組織[2] ，從而使延遲裂紋敏感性增強。

表2  X70管線鋼材質(zhì)化學成分                  質(zhì)量分數(shù)%

3.2  擴散氫作用

焊接接頭中的氫主要來源于焊材中的水分和坡口表面的油污、鐵銹、水及大氣中的水汽等，其含量增加會導(dǎo)致焊縫金屬及熱影響區(qū)的力學性能降低，尤其是韌性降低，使高強度管材的冷裂紋危險性增大。首先，本次連頭作業(yè)采用E6010焊條根焊+E7lT8-Nil焊絲填充、蓋面焊接。由于根焊采用纖維素焊條焊接，焊縫的含氫量較高，焊縫擴散氫含量為12～18mL/100g，在快速冷卻過程中（此次連頭作業(yè)在冬季），氫的溶解度急劇下降，焊縫金屬中的過飽和氫就很快由焊縫穿過熔合區(qū)向尚未分解的熱影響區(qū)擴散，而氫在熱影響區(qū)的擴散速度相對較小，因此在熔合區(qū)附近形成了一小的富氫帶。其次，原天然氣管道內(nèi)壁長期受H2S腐蝕，S2-離子的存在使管道母材中的擴散氫含量為無H2S時的10倍[3]，焊縫組織的氫含量也隨之增高。此外，連頭作業(yè)過程中因受潮濕環(huán)境、管內(nèi)氣流、管道磁場（如圖1所示）等的影響，焊條電弧的保護效果減弱，焊縫中擴散氫含量增高。

 

圖1  管道被磁化后的焊口

3.3殘余應(yīng)力

焊接接頭主要存在熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和拘束力。受連頭作業(yè)條件影響，一是原管道兩端在長度方向的熱脹冷縮較明顯且不在同一直線上，造成焊接過程中焊口11-1點鐘,5-7點鐘位置受到拉應(yīng)力或壓應(yīng)力[4]。二是管道變形、錯位等，使組對精度受到限制，在焊口的組裝過程中總會存在或多或少的強力組對，造成在組裝完成后會存在內(nèi)應(yīng)力，這種應(yīng)力在焊后進行熱處理時不可能完全消除。三是管道焊接是一個局部加熱與冷卻的過程，在焊接中會產(chǎn)生應(yīng)力與應(yīng)變的循環(huán)，因此管道焊后必然存在殘余應(yīng)力。

4  連頭返修工藝

4.1作業(yè)準備

確保返修焊機、焊條烤筒等設(shè)備完好，焊條按照相關(guān)規(guī)定進行烘烤保溫。用千斤頂對管道底部進行附加支撐，減少管道因沉降產(chǎn)生的應(yīng)力影響。根據(jù)檢測結(jié)果，分析和確定返修的準確位置。

4.2焊縫打磨

打磨坡口角度為60±5°，間隙3～4 mm，打磨長度盡量控制在100 mm內(nèi)，若缺陷過長，應(yīng)分段修復(fù)，先從中間打磨，，避免一次打磨過長，導(dǎo)致剩下焊縫單位面積上的受力增大而引發(fā)焊縫拉裂現(xiàn)象。確定打磨位置是否內(nèi)錯口，若焊縫返修處存在管內(nèi)錯邊，且未徹底打磨原根焊焊縫，在根焊焊縫熱收縮影響下，焊縫薄弱位置受到的拉應(yīng)力大于其最大承載強度時，根焊邊緣焊縫就會拉裂形成根焊焊趾裂紋（如圖2所示）。打磨完成后，用鋸片、棉紗清理坡口內(nèi)卷邊及兩側(cè)污物。

圖2  原焊縫錯邊時容易出現(xiàn)焊趾裂紋處的打磨示意圖

返修時，應(yīng)根據(jù)探傷照片及實際缺陷分析情況，合理選擇返修打磨狀態(tài)，以防止未焊透、未熔合、夾渣等缺陷產(chǎn)生。

4.3溫度控制

返修過程中必須使用紅外線測溫儀對預(yù)熱、層間溫度、焊后保溫等工序嚴格監(jiān)控。X70鋼在施焊環(huán)境溫度為0℃左右時，其預(yù)熱溫度約為120℃，返修焊口焊縫兩側(cè)加熱寬度應(yīng)大于100 mm，預(yù)熱時要對整個焊口均勻加熱，并根據(jù)母材厚度嚴格控制管壁升溫速度，減小區(qū)域、厚度上的溫度差，降低焊縫的熱應(yīng)力影響。嚴格控制層間溫度（層間溫度不低于預(yù)熱溫度），在完成一層焊縫的返修后5 min內(nèi)進行下一層焊縫焊接。返修焊接完成后可采用保溫棉包裹焊口的保溫緩冷措施，防止焊口冷卻速度過快，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生淬硬組織。必要時可進行后熱處理或高溫回火處理。

4.4.注意事項

返修焊接是在已完成的整個焊口上進行打磨后的局部焊接，散熱速度比正常焊接要快，焊接熱輸入量也略大。在焊接根部時，坡口兩側(cè)必須保持一個可見的小熔孔，沒有熔孔或熔孔太小，易造成根部背面熔合不良；熔孔過大，則易產(chǎn)生內(nèi)咬邊或燒穿缺陷。焊接過程應(yīng)仔細觀察熔孔兩側(cè)熔池鐵水流動狀況，將焊條在兩側(cè)作輕微擺動，確保坡口兩側(cè)均勻熔合；在4-6點鐘位置焊接時，必須壓縮電弧，盡量把鐵水往熔池背面送，且熔池溫度不能太高，才能保證根部不內(nèi)凹。有內(nèi)坡口焊口返修時，要注意內(nèi)坡口面的熔合，當內(nèi)坡口一側(cè)被打磨傷及原內(nèi)坡口時，其補焊焊縫存在內(nèi)錯邊現(xiàn)象（如圖3所示）。修復(fù)時應(yīng)通過觀察錯邊量及坡口間隙大小，來調(diào)整焊條或焊槍角度（如圖4所示）及焊接操作手法，使熔池呈斜拉狀（如圖5所示），確保根焊背面兩側(cè)熔合良好。還應(yīng)注意在選擇大的焊接電流，尤其是大的吹力電流時，造成電弧吹力過大，熔化焊條金屬在強大電弧吹力的作用下呈“噴泉狀”噴落在未熔化的焊縫根部背面母材上，形成特殊未熔缺陷[5]（如圖6所示）。纖維素根焊焊縫根部背面未熔合會產(chǎn)生根部尖角效應(yīng)形成應(yīng)力集中,是造成X70鋼在連頭作業(yè)中產(chǎn)生冷裂紋的重要原因。

 

 

圖3 內(nèi)錯邊現(xiàn)象

 

圖4 焊槍（焊條）角度

 

圖5 根焊熔池狀態(tài)

圖6 焊縫根焊特殊未熔合缺陷位置

填蓋層使用低氫型焊條返修時，要控制好引弧操作，必要時可將引弧從引弧板上帶入坡口，以降低產(chǎn)生次生缺陷的機率。焊接過程保持短弧操作，采用分段多層、由中間向兩端及輕微錘擊焊縫方式[6]，降低焊接應(yīng)力，每層每道焊縫的起始位置和收尾位置應(yīng)錯開20 mm左右[7]。蓋面時熔池保持橢圓形狀，在焊縫兩側(cè)稍作停留，避免產(chǎn)生咬邊缺陷，且焊縫成形應(yīng)圓滑美觀，焊縫余高應(yīng)控制在2 mm以內(nèi)。

4.5.焊縫表面處理

對返修部位的焊縫表面進行修磨，使之與原焊縫基本一致，焊縫與母材圓滑過渡，以減少應(yīng)力集中，提高焊縫抗裂性能。缺陷返修處應(yīng)符合焊接相關(guān)規(guī)程的驗收標準。

5  結(jié)語

經(jīng)對X70管道連頭作業(yè)返修焊口進行射線與超聲波探傷及焊后4 h與焊后24 h兩次檢查,均未發(fā)現(xiàn)根焊返修裂紋缺陷，證明此次返修焊接中采用的工藝是行之有效的，可為今后X70管道停氣連頭焊縫返修作業(yè)提供借鑒和指導(dǎo)。

參考文獻：

[1] 英若采.熔焊原理及金屬材料焊接[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.5

[2] 呂向陽.X70管線鋼焊接工藝研究[D]. 天津:天津大學，2007.3

[3] 孫小偉.碳鋼設(shè)備與管道脫氫再焊接[J]. 四川化工與腐蝕控制,1998(5):47-49 [4] 王帥,付雪松,崔嘉,等.停氣連頭中X70管線鋼根焊裂紋原因與對策[J]. 科技資訊, 2013(28) :70-73 [5] 黃明國.纖維素根焊特殊根部未熔合缺陷的控制[J].電焊機,  2007, 37(5):75-77 

[6] 楊偉光、劉奇威.核電站大型鋼結(jié)構(gòu)焊縫錘擊法消應(yīng)力[J].電焊機，2013 , 43(12) [7] 張釗.大口徑長輸管道焊口返修方法的應(yīng)用[J].甘肅科技,  2011, 27(22):88-89 

作者：王帥，男，1975.6生，畢業(yè)于航天職業(yè)技術(shù)學院，焊工高級技師，德國DVS焊接指導(dǎo)教師，國際焊接檢驗師。主要從事管道搶險維修焊接工作。

《管道保護》2017年第3期（總第34期）