高钢级管道焊接工艺技术关键问题探讨

施昊彤，何金宝，任远，蒲靓春，郭亮，杨泉泓

（1. 国家管网集团山东输油有限公司，山东 日照 276800）

（2. 廊坊中油朗威工程项目管理有限公司，河北 廊坊 065000）

（3. 中油国际管道公司，北京 100029）

（4. 中国石油青海油田分公司管道处，青海 格尔木 816000）

（5. 国家管网集团北方管道有限责任公司秦皇岛输油气分公司，河北 秦皇岛 066000）

1 管道焊接技术发展趋势

长输管道发展趋势是高钢级、大口径和高压力，对焊接技术安全性、时效性和机械化提出相应要求[1]。国外高钢级、大口径、高压力管道广泛采用熔化极气保护自动焊技术（GMAW），优点是效率高、焊接质量稳定和流水机械化作业，已建成管道约50000km。20世纪70-80年代我国管道建设采用手工下向焊（SMAW），2001年西气东输二线建设引入自保护药芯焊丝半自动焊接技术（FCAW-S）。近年来西气东输三线、陕京四线、漠大原油管道二线和中俄东线采用自动焊技术，我国采用自动焊技术建成管道约4000km。在焊接效率、焊材标准化、设备研制及升级以及高强钢自动焊接技术方面与国外还存在较大差距。针对高钢级管道应用自动焊工艺涉及焊接工艺、焊接材料以及焊接试验等关键环节进行探讨，旨在保障我国新建管道焊接质量和在役管道安全运行。

2 高强钢管道焊接瓶颈问题

X80管线钢在预防管材产生冷裂纹具有优势，但对环焊缝焊接提出更大挑战，高钢级钢管制造过程添加多种合金元素，对焊接过程稳定性、焊缝及热影响区强度和韧性产生影响。特别是半自动焊技术应用在X80钢级管道，焊缝和热影响区是最薄弱区域，在西气东输三线管道、中贵线、中缅油气管道多次发生热影响区软化情形。高强钢焊接应解决问题包括焊缝区软化/脆化，焊缝区局部加速腐蚀和应力开裂；焊缝和热影响区在循环热力作用下组织相变，冷却时晶粒粗大，焊缝和热影响区韧性降低；焊缝金属夏比冲击韧性离散等。

3 高强钢管道焊接质量影响因素

焊接热输入量是影响焊缝机械性能指标的主要因素。较高热输入量增大焊缝和热影响区区域尺寸，降低焊缝针状铁素体含量比例，加速奥氏体晶粒增长。较低热输入量则利于形成稳定奥氏体-马氏体组织。研究表明如焊接线能量小于58kJ/cm，奥氏体组织晶粒尺寸明显减小；在较大线能量下，焊缝冲击韧性分散性较强。

焊接中二次加热作用可能导致热影响区脆化，并影响焊缝和管材机械强度、韧性。以单道焊为例，热影响区靠近熔合界线的奥氏体晶粒尺寸相比母材显著增大、韧性显著降低。针对焊缝粗晶区域，二次加热作用下韧性显著降低且产生局部脆化倾向；针对焊缝细晶区域，二次加热作用下韧性基本保持不变；针对焊缝边缘区域，二次加热作用下相变为马氏体/奥氏体链条状、大尺寸组织，韧性显著降低。如减缓二次加热作用对焊缝金属冲击韧性负面影响，一般做法是冶金工艺中降低铬、铌、钒用以稳定铁素体元素含量，适当改变奥氏体相变温度，以获得较好韧性组织。焊接前预热温度影响冷却速度和焊缝质量稳定性。研究表明，适度提高焊接前预热温度（预热温度至少达到150℃），粗晶区韧性临界断裂值相应提高，在一定程度上提高焊缝抗应力开裂能力。

4 高强钢焊接热影响区脆化机理分析

高强钢在焊接热力阶跃循环联合作用下，焊缝及热影响区发生组织相变/转变，粒晶发生粗化、再结晶、恢复等过程。该过程中如相变/转变温度超过母材冷却过程的相变温度，热影响区将产生组织软化现象。研究表明，采用较高焊接线能量值，热影响区冷却速度降低，粒晶粗化倾向性越高，组织强度软化程度愈严重。以应用于高烈度地震断裂带的抗大变形高强管线钢管为例，如相变温度位于高温回火区（600-700℃）范围区间，热影响区产生局部软化区。

高强钢焊接中热影响区脆化有两种形式，分别为粗晶区域脆化和临界粗晶区域脆化。其中前者作用机理是粒晶变粗及生成脆硬性薄弱组织。后者主要发生于大壁厚管道和实施双焊道/多焊道的情形下，统计表明，临界粗晶区域脆化可导致焊缝韧性性能降低约65%。可行措施是焊缝进行部分回火工艺处理，或者在冶金工艺中增加氧、锰元素比例。

分析西气东输二线管道泄漏事故原因，失效环焊缝焊接类型是采用半自动工艺，经认定失效机理是焊缝存在裂纹缺陷，受到持续外力作用下产生应力集中，微裂纹逐步扩展为穿透性裂纹，造成焊缝区泄漏失效。显微镜晶相观察发现，裂纹扩展区晶粒组织尺寸异常增大，测量深度约100μm，不能起到延迟微裂纹扩展作用。焊缝区晶粒粗大原因考虑为采用半自动焊接工艺，不能实施精准控制焊接热输入关键参数所致。

5 高强钢不同类型焊接试验分析

考虑高强钢管道采用半自动焊工艺热输入量不能精准稳定控制，造成焊缝裂纹扩展以及冲击韧性离散。针对半自动焊工艺与焊缝冲击韧性降低离散的关联关系，还需进一步深入研究。焊缝冲击韧性离散性即与管材冶金工艺、化学元素比例、药芯焊丝制造质量及稳定性有关，也受到现场施工环境温度/湿度条件制约影响。为进一步比选不同焊接工艺的优劣，分别选定X80直缝埋弧焊钢管和螺旋埋弧焊钢管，进行不同类型焊接试验。

（1）螺旋埋弧焊钢管焊接工艺评定结论：全自动焊焊缝通过验收；半自动焊焊缝未通过验收；部分手工焊焊缝未通过验收。

（2）直缝埋弧焊钢管工艺评定结论：全自动焊焊缝通过验收；手工焊焊缝通过验收；部分半自动焊焊缝冲击韧性未通过验收（集中在V型坡口焊缝不满足规范要求）。

通过比选X80高钢级管道焊接技术，自动焊可保证焊接过程工艺参数实时准确控制，焊接热输入量严格限制在焊接规范范围内，既保证环焊缝机械性能满足规范要求，焊缝及热影响区冲击韧性也不会产生离散现象。手工焊通过优选焊丝，可保证焊缝机械性能满足规范要求。半自动焊焊缝韧性不合格离散性大，不能通过焊工技能培训和焊材选型实施改进。

6 在役高强钢管道自动焊试验及应用

为进一步验证自动焊工艺对于在役高强钢管道抢修施工的适用性，以天然气管道采用自动焊技术实施B型套筒修复抢修，试验条件为X80钢级、管径1016mm、壁厚16mm，B型修复套筒（材质Q345R、壁厚75mm），模拟密闭管道内充满循环流动水，环境温度10°，焊接前预热采用火焰加热至100℃。见图1。焊接工艺评定执行GB/T 31032-2014《钢质管道焊接及验收》，焊缝机械性能通过验收。

图1 在役高强钢管道自动焊试验示意图

在某输气管道采用自动焊技术实施B型套筒修复抢修作业，管材X80、管径1016mm、主管道壁厚12.8mm，B型修复套筒（材质Q345R、壁厚35mm）。焊接过程中由于主管道存在较大变形，焊缝组对间隙差异较大，在1-10mm不等，实际自动焊工艺在焊接效率、时间方面与手工焊基本一致，但在焊缝外观及质量优于手工焊，焊缝性能满足GB/T 31032要求。

7 结束语

高强钢管道应用半自动焊工艺存在焊缝金属冲击韧性值不合格和离散，无法通过焊工技能培训和焊材选型实施改进，二者关系还处于研究阶段。自动焊技术精准控制焊接热输入量，焊缝机械性能良好，抗冷裂纹和应力集中开裂性能良好，有效避免焊缝金属冲击韧性离散缺陷。天然气管道自动焊焊接B型套筒已成功进行现场应用，焊缝质量满足规范要求，证明长输管道采用自动焊工艺是可行的。随着长输管道高钢级、大口径、高压力的发展方向，自动控制技术、电弧跟踪技术进步，全自动焊接技术将成为我国长输管道建设的主要施工方法。