低温环境下长输管道焊接裂纹防护策略

倪京华

摘 要：焊接裂纹是焊接件中最常见的一种严重缺陷。在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙。随着油气长输管道的不断发展，在国内外管道工程施工越来越多，中石化在国内近些年相继建设了很多大型工程，例如川气东送、西气东输二线和西气东输三线管道工程等等，管线材质也在不断提高，从X 60、X 70逐渐升高到X 80甚至达到了X 90，壁厚也从11mm、17.5mm 上升到22mm、26.4mm 和33mm ，材质等级越高产生焊接裂纹的倾向越大。尤其在冬季焊接时极易产生致命的焊接裂纹缺陷，对管道的安全运行埋下极大隐患，本文通过冬季施工经验的总结和研究，总结了在极端低温条件下焊接施工预防措施。

关键词：冬季管道施工；焊前预热；层间加热；焊后保温；焊接裂纹

针对国内外很多地区冬季管道施工雪大、风大、温度低、天气寒冷，焊接时需要采取防护措施，本文着重介绍了寒冷天气下采取的冬季焊接裂纹的防护措施，在焊前预热、层间加热、焊后保温等方面做了详细的介绍。

1 管道焊接裂纹产生的原因

管道焊缝裂纹是焊接过程中或焊接完成后在焊接区域中出现的金属局部破裂的表现。焊缝金属从熔化状态到冷却凝固的过程经过热膨胀与冷收缩变化，有较大的冷收缩应力存在，而且显微组织也有从高温到低温的相变过程而产生组织应力，再加上母材非焊接部位处于冷固态状况，与焊接部位存在很大的温差，从而产生热应力等等，这些应力的共同作用超过材料的强度极限则导致开裂。裂纹的存在大大降低了管道焊接接头的强度，并且焊缝裂纹的尖

端也成为管道运行承载后的应力集中点，是导致结构断裂的起源。管道焊接最常见的裂纹主要为冷裂纹和再热裂纹，而冬季施工最容易出现冷裂纹。冷裂纹即焊接完成后冷却到低温或室温时出现的裂纹，或者焊接完成后经过一段时间才出现的裂纹（这种冷裂纹也称为延迟裂纹），冷裂纹多出现在焊道与母材熔合线附近的热影响区中，管道壁厚越大，冷却过快造成冷裂纹可能性越大，其成因主要是与焊道热影响区的低塑性组织承受不了快速冷却时体积变化及组织转变产生的应力而导致开裂。

长输管道绝大多数裂纹发生在冬季环境下施工，通过现场实际调查，在产生的裂纹口中的98% 焊口都在冬季焊接时出现的，甚至还出现了比较少见的横向裂纹。综上所述，在保证焊材、管材本身不出现问题，不受地形因素影响，设备性能保证正常，焊接时参数严格执行焊接工艺评定的情况下，产生管道焊接裂纹的原因主要有以下三个方面：（1）焊前预热措施不到位，很难保证焊缝区域温度；（2）母材厚度较大，冷却太快，过于迅速；（3）施工准备不足，层间伴热和焊后防护措施不到位。

2 冬季焊接裂纹防护措施

根据管道冬季焊接时产生裂纹的原因，为了保证管道焊接质量，避免出现裂纹和其他缺陷，结合西气东输三线西段二标段管道工程的焊接施工经验，总结出了在冬季焊接时预防裂纹产生的预防措施：（1）较低温度下焊前预热措施。在冬季管道焊接时，必须提前预热，在焊接工艺评定允许的情况下提高预热温度，如果管线壁厚比较大，应延长预热时间，使管道整个圆周方向均匀预热。同时，由于环境温度太低，冷却速度较快，在冬季-5℃以下使用火焰加热效果不佳，应采用電加热带或者感应加热的方式对焊口位置进行预热，但能保证预热均匀、预热温度满足工艺要求，确保预热充足，提高根焊焊接质量，避免根部裂纹的出现。（2）层间持续伴热措施。在冬季较低温度下管道焊接，冷却速度快，尤其根焊结束后热焊、填充时层间温度下降较快，即使采用火焰反复加热，对于大口径管道来说，该层还没有焊接完温度已经降到很低。造成施工效率低下且焊口层间温度无法保证，为了保证层间温度，可采用电加热带进行持续伴热焊接，可以有效保证在冬季低温严寒条件下焊口的层间温度。（3）焊后保温缓冷措施。冬季气温低、焊接完成后冷却过快极易产生冷裂纹，采取措施降低焊口冷却速度，采用焊接后立即铺设保温被保温（见图），降低冷却速度。保温被的宽度应比裸露的钢管母材宽度宽0.4m 以上，长度比管道圆周周长长0.2m以上，厚度具体根据管径大小、壁厚大小而定，一般至少要保持在250m m 以上，例如在西三线管道工程中焊后保温被达到了1m 宽、14m 长、0.5m 厚，有效保证了焊接质量。（4）提高焊接周围环境温度措施。

考虑冬季焊接周围环境条件比较恶劣，在极端严寒天气下，制作保温棚，同时在保温棚内增设浴霸、小太阳等辅助加热设施，尽最大可能提高施焊周围环境温度，保证冬季焊口质量。

3 结束语

在冬季进行管道焊接时，为了保证焊接质量，减少裂纹的出现，避免今后管线的运行出现安全事故，为工程提供宝贵的经验。1）使用环形火焰加热器、电加热带或其他感应加热

方式进行预热，适当提高预热温度，保证根部焊接质量。2）采取电加热带伴热的方式保证焊口层间温度符合规范要求。3）焊后立即铺设符合要求的保温被，使焊缝缓慢冷却到室温，特别是壁厚大的管线要注意保温措施，避免冷却过快出现裂纹等缺陷。4）使用焊接保温棚，提高焊接环境温度，充分利用浴霸、小太阳等辅助设施进行加热。

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