在役管道焊接质量控制因素及解决方法

詹一为 蔡 亮 颜本翔 杨雪魁 张 磊

（1. 国家管网集团北方管道有限责任公司，河北 廊坊 065000；2. 中航油京津冀物流有限公司，天津 300300；3. 吐哈石油勘探开发有限公司技术监测中心，新疆 鄯善 838202；4. 国家管网集团西南管道有限责任公司天水输油气分公司，甘肃 天水 741002；5. 中国石油青海油田分公司管道处，青海 格尔木 816000）

0 引言

因焊缝缺陷、施工损伤、腐蚀和第三方开挖，管道易发油气泄漏事故。焊接是管道缺陷修复和泄漏抢修的关键程序。在役管道焊接是高效、快速维抢修技术的典型应用，不影响管道正常运行、施工效率高。在役管道焊接风险是可能烧穿管道，造成火灾和人员伤亡事故。随着新建管道设计压力等级提高，X80高等级管线钢管对焊接热应力非常敏感[1]。本文重点分析了影响在役管道焊接质量的关键因素，结合国内外焊接技术研究成果，提出针对性的解决方法，对于保证管道焊接质量以及指导管道维抢修工作具有重要意义。

1 在役管道焊接技术现状

在役管道焊接与新建管道焊接工艺技术差异较大。在役管道焊接是在管道介质运行以及特定温度和压力状态下进行。在役管道焊接首要保证焊缝区域的热量输入，防止焊缝产生氢致裂纹，其次防止热量过高烧穿管壁。如焊接操作不规范，可能形成高硬度焊接热影响区（HAZ，Heat Affect Zone），HAZ对氢致裂纹非常敏感。1986年加拿大TransCanada管道火灾爆炸事故根本原因是管道焊接修复时形成一块硬币大小的HAZ硬化缺陷区。美国最先开展在役管道焊接工程应用研究，Battelle焊接研究所（Battelle Memoria Institute，BMI）系统开展在役管道焊接数值模拟。美国标准API Std 1104-2013《管道及相关设施的焊接》在附录B规定了在役管道焊接工艺评定程序、焊工资格以及推荐操作规程。

2 在役管道焊接质量影响因素及技术措施

在役管道焊接需要解决两个关键问题：一是防止“烧穿”，焊接电弧不能灼伤穿透管壁；二是预防氢致裂纹，管道介质快速流动增大管壁换热作用，导致焊接冷却速率过快诱发氢致裂纹。近年来发生多次由于在役管道焊接接头质量不合格的问题，学术界认识到管内介质的热扩散、渗碳/渗氢、应力腐蚀和疲劳失效也称为在役管道焊接质量重要的影响因素。

2.1 管壁烧穿

（1）管道最小壁厚烧穿控制

一般认为导致焊接烧穿的因素有管道内压力、壁厚、输送温度和焊接能量。Cislinoi研究了天然气管道允许焊接壁厚与管道内压力、流速的关系，结论是管道内压力5.9MPa，最小允许焊接壁厚是4.7mm；管道内压力是4.7MPa和3.53MPa，最小允许焊接壁厚是为4.9mm和5.2mm。美国标准API Std 1104-2013《管道及附件设施焊接》规定管道最小允许焊接壁厚应大于6.4mm，采用低氢含量焊条，正常操作条件下在役管道焊接不会发生管壁烧穿。如是薄壁管道情形，应采取特殊施工监测措施，精准控制焊接热量输入；

（2）管道内壁温度烧穿控制

Battelle焊接研究所研究结论是：利用低氢含量焊条实施管道在线焊接，控制管壁温度不超过980℃可以防止烧穿；利用纤维素型焊条实施管道在线焊接，控制管壁温度不超过760℃可以防止烧穿。上述结论仅考虑焊接热量输入是影响管壁烧穿的唯一因素，实际上管道内压力、管材超高温度性能参数和HAZ热应力循环也存在一定影响。特别是X80高钢级管线钢管壁厚相对更小，焊接热量输入管壁温度至少在900℃以上。该方法虽然过于安全，但仍不失为判定烧穿的简易方法；

（3）管道有效剩余壁厚预测烧穿

针对体积型腐蚀缺陷管道，国外管道行业已制定多项管道安全评价标准，其中较为公认的有美国标准ASME B31G-2012《评价已腐蚀管道剩余强度指南》、英国标准BS 7910-2019《金属构筑物缺陷评价规范》、DNV-RP-F101《管道腐蚀缺陷评价准则》。Wahabi提出利用管道有效剩余壁厚预测烧穿的研究路线，将在役管道焊接等同为管道产生体积型腐蚀缺陷，基本思想是认为因焊接局部高温高压造成管道承压能力降低，计算缺陷管段对应的管道有效剩余壁厚，再根据上述管道剩余强度评价技术标准，预测管壁烧穿的风险概率。

2.2 氢致裂纹

相对预防管壁烧穿，氢致裂纹预防、检测难度更大。较为公认观点是，在役管道焊接诱发氢致裂纹应满足三项必要条件，焊缝具备一定氢含量、焊缝性能具有一定淬硬倾向以及焊缝施工安装中附件载荷应力。

（1）焊缝氢含量控制

焊缝中氢组分来源渠道是含氢型焊条、施工环境水分、管道表面存在铁锈/油渍，以及碳氢化合物高温、高压下分解出氢分子扩散至管材。焊缝氢含量控制方法是焊接物资采购必须选择低氢含量焊条，焊接前充分烘干焊条，并对管道认真清理杂质；

（2）预防淬硬组织

X80管线钢级已成为新建管道的首选钢级，管道工程实践证明，X65及以上高钢级管线钢管焊接组织脆硬倾向敏感。预防淬硬组织和避免轻质裂纹有效手段是严格控制HAZ热影响区硬度。国外管道工程通行做法是将热影响区硬度作为氢致裂纹开裂的评价参数，输气管道HAZ氢致裂纹开裂的临界指标硬度是HV350。研究表明，焊接冷却速率是造成HAZ硬度偏高的主要致因因素。因此，在役管道焊接应严格控制冷却速率。一般性措施是设定较高预热温度和层级温度以减弱温降过程，大型油气管道工程流速一般高于10m/s，设定较高预热温度很难满足。英国森特理克设计回火焊道对角焊缝进行回火处理，一定程度上改善了焊缝区域温降过程；

（3）应力控制

焊缝应力类型涵盖焊接热应力、管材相变应力、管道瞬变压力以及环境地质变化产生的附加应力。焊接应力危害性除导致氢致裂纹开裂，还可能导致疲劳失效。减少焊接应力措施有作业前充分预热、设定合理焊道顺序和坡口管件对口安装等。

2.3 管壁渗碳

在役管道焊接管壁内/外部处于高温、高压条件，碳氢化合物中的碳分子在压力、温度梯度驱动下向管壁扩散，在管壁处沉淀为渗碳层。在管道介质高速流动和散热作用下，渗碳层容易相变为马氏体或铁素体淬硬组织。研究表明，如焊接中局部位置温度超过1150℃，则形成共晶组织，存在焊接热应力时衍生热裂纹。

2.4 疲劳断裂

2002年美国Nova公司输气管道发生管道断裂事故（钢级X70），经数值模拟和失效因素分析，原因是在线焊接三通接头因疲劳失效导致管道断裂，疲劳失效原因是焊接接头应力集中。在役管道焊接时未熔融管壁在高温高压条件下产生弹塑性变形，加以快速冷却作用下，焊接部位存在较大残余应力。特别是高钢级管线钢管疲劳断裂对残余应力更为敏感，有必要开展在役管道焊接焊缝疲劳时效机理和评估研究。

3 结语

（1）针对在役管道焊接管壁烧穿以及破坏机理还未形成统一的判定准则，现行评价方法是从管道内部温度、最小壁厚、有效剩余壁厚、径向变形量等方面定性判断，该评价准则对于X80高钢级管道的适用性需要进一步验证；

（2）数值模拟是在役管道焊接工艺评定的重要手段，应解决的问题包括材料高温性能参数、换热机理以及换热系数与管壁温度变化规律；

（3）在役管道焊接技术未来研究重点是输送介质和管壁在高温高压条件下的物理化学反应，包括介质放热、管壁渗碳、渗氢和应力腐蚀机理问题。高钢级管道焊接接头应力评估和疲劳失效问题也应引起重视；

（4）在役管道焊接施工存在很多不可预见因素，除制定科学、合理的焊接工艺规程，还应建立完善的焊接管理体系，确保焊接作业安全高效进行。