油氣管道在役焊接修復技術(shù)研究

田雷

摘 要：油氣管道作為我國第五大運輸行業(yè)，具有高效、安全、環(huán)保等優(yōu)點，是連接油氣資源與市場的橋梁和紐帶。目前，我國進入管道大發(fā)展階段，已建油氣管道逾10×104km，每年新建管道逾0.5×104km，過快的管道建設速度，給管道的本體安全帶來隱患。本文對油氣管道在役焊接修復技術(shù)進行了研究探討。

關(guān)鍵詞：油氣管道；在役焊接；修復技術(shù)

1 在役焊接影響因素

1.1燒穿

燒穿的實質(zhì)是未熔管壁是否有能力承受其所受到的應力，該應力由管內(nèi)壓力和外部附加應力（熱應力和彎曲應力引起）共同產(chǎn)生。影響焊接燒穿的因素主要有管內(nèi)壓力、介質(zhì)溫度、管道壁厚、焊接線能量等。目前，普遍采用降低最大焊接線能量、控制最小壁厚等方法預防在役焊接燒穿的發(fā)生。Battle焊接研究所經(jīng)過大量的熱分析計算后，認為6.4mm是防止燒穿的安全壁厚。另外，如果輸送介質(zhì)中含有乙烯或其他不飽和碳氫化合物，在焊接高溫、高壓下，將分解放熱，等同于提高熱輸入量，增加燒穿的可能性，應該注意防止管道內(nèi)壁溫度超過臨界點。

1.2氫致開裂

氫致開裂一般有延遲性，不一定在施焊結(jié)束后馬上呈現(xiàn)。影響氫致開裂的主要因素有含氫量、脆性相和應力3個方面。管道焊縫中氫的來源是多方面的?？諝?、藥皮中的水分，管道表面的油質(zhì)、冷凝水等為焊縫中氫的外部來源，可通過烘干焊條，清理焊接表面，采用低氫焊條等方法減少氫的來源，也可利用合適的預熱溫度和層間溫度促進氫的向外擴散。管道內(nèi)壁碳氫化合物或酸性介質(zhì)在高溫、高壓下產(chǎn)生的氫也可擴散到管壁中，有必要針對輸送介質(zhì)進行管壁滲氫實驗，根據(jù)實驗結(jié)果，選擇合理的焊接工藝，減少焊縫中氫的含量。脆性相是指在焊接過程中產(chǎn)生的HAZ淬硬組織，因其對氫較敏感，易產(chǎn)生裂紋。X65以上級別的高強管線鋼晶粒細小，屬亞穩(wěn)狀態(tài)，受熱極易長大，如快速冷卻，組織變脆的傾向更大。因此，避免焊接脆性相應該從控制冷卻速率著手。

1.3管壁滲碳

焊接時管道內(nèi)壁處于高溫、高壓狀態(tài)，碳氫化合物介質(zhì)中的碳有向管壁擴散的傾向，在管道內(nèi)壁形成滲碳層。由于碳含量大幅提高，加之冷卻過快，滲碳層極易轉(zhuǎn)變成硬脆的馬氏體組織，誘發(fā)氫致裂紋。如果管道內(nèi)壁局部溫度達到1130℃，則可以形成共晶組織，該組織具有低熔點的特性，在焊接熱應力作用下可以形成裂紋，即所謂的熱裂紋，該情況在氣體和液體管道均有相關(guān)報道。在PRCI專項研究中，給出了天然氣管道在役焊接實驗中發(fā)現(xiàn)的滲碳層及共晶熱裂紋微觀形貌。

2 在役焊接的安全性

2.1燒穿

燒穿就是焊接熔池下方未熔化的金屬強度不能承受它所受的應力。燒穿失效模式一般分為兩種：①在常壓狀態(tài)下直接焊穿，屬于塑性失穩(wěn)；②管子在內(nèi)部壓力和焊接電弧共同作用下發(fā)生燒穿。影響燒穿的因素有很多，主要包括：壁厚、熔深、流動介質(zhì)、應力等。

2.1.1壁厚

Battelle焊接研究所采用熱分析計算模型研究發(fā)現(xiàn)：在役焊接時，當管道內(nèi)壁溫度達到982，℃，管道將會發(fā)生燒穿。一般管道壁厚在6.4，mm以上時，焊接時管道內(nèi)壁很難達到982，℃，也就是壁厚大于6.4，mm的管道采用低氫焊條及合理焊接工藝，管道焊接就不會燒穿。油氣管道在長期服役過程中會發(fā)生腐蝕、磨損及機械損壞等情況，使管道出現(xiàn)局部變薄，焊接時燒穿的可能性會增大。因此，在焊接修復時，盡量選取管道壁厚處?？傊?，管道壁越厚，燒穿的幾率就越小。

2.1.2熔深

熔深就是管道焊接熔池的垂直深度。焊接線能量越大，熔池就越深，發(fā)生燒穿的幾率越大。線能量過小，熔深雖淺，但由于熔池冷卻過快，容易導致氫致開裂。因此，焊接時既要保證足夠的線能量輸入，防止發(fā)生氫致開裂，又要避免線能量過大，防止發(fā)生燒穿。

2.1.3流動介質(zhì)

不同介質(zhì)對燒穿的影響主要體現(xiàn)在對熔池的冷卻能力上。相同條件下，液體比氣體冷卻能力強，當管道內(nèi)流動的介質(zhì)是液體時，管道燒穿的幾率要小。當介質(zhì)一定時，熔池冷卻速度取決于流速，流速越快，熔池降溫越快，燒穿幾率變小，但流速增大到一定程度時，冷卻速度不再隨流速變化而變化。通常認為管道內(nèi)液體壓力越大，燒穿幾率越大。但氣體不滿足這一規(guī)律，一般認為管內(nèi)氣壓越小，燒穿幾率越小。然而，由于氣壓小，流速也小，冷卻熔池速度也小，燒穿最小壁厚反而增大。

2.1.4應力

在役焊接時，管道內(nèi)壁一直受到油氣壓力影響，當受熱時，管道局部會發(fā)生變形而管道周圍材料限制此變形，從而管道會產(chǎn)生較大應力。在高溫和應力共同作用下，管壁不能承受此應力時，管道會發(fā)生燒穿。

2.2氫致開裂

氫致開裂是由于氫原子滲入到鋼中，并在鋼內(nèi)部空穴處變?yōu)榉肿討B(tài)聚集而產(chǎn)生較高的壓力，造成鋼材內(nèi)部出現(xiàn)裂紋。氫致裂紋的產(chǎn)生需滿足3個條件，即焊縫中的含氫量、焊接接頭的淬硬程度傾向及焊接接頭所承受的約束應力。因此，為防止氫致開裂，研究工作必須從導致裂紋產(chǎn)生的條件入手，分析原因，找到應對氫致裂紋的辦法。焊接過程中，氫的主要來源是空氣、水及介質(zhì)含氫化合物等，一般而言，由于焊接環(huán)境無法改變，控制焊縫中含氫量比較容易操作的方法是控制焊條含氫量，即焊接時盡量采用干燥低氫焊條。含碳量低的管線，冷卻速度慢，一般會得到低碳馬氏體或鐵素體+珠光體，這些組織硬度低，淬硬傾向小。只有冷卻速度過快時，才會產(chǎn)生高碳馬氏體，此組織淬硬傾向大。因此，控制介質(zhì)流速可以控制淬硬傾向。焊接后產(chǎn)生的殘余應力，不僅會引起氫致開裂，還可能導致疲勞開裂，同時這些又是評定管道系統(tǒng)安全性的重要因素。人研究發(fā)現(xiàn)，預熱、合理的焊接順序及必要的裝配等可以減少焊縫根部的應力集中。

3 結(jié)語

油氣管道在役焊接修復具有一定的復雜性與偶然性袁尤其是對于野外施工來說袁更是面臨著多種不可控因素袁因此袁必須明確目前油氣管道在役焊接修復技術(shù)存在的問題袁并通過多種途徑對存在的問題進行改進袁在制定合理，科學的焊接工藝條件的同時袁還需要制定完善的焊接管理體系袁以防止施工現(xiàn)場不可控因素對焊接質(zhì)量的影響袁確保在役焊接合理有效，安全順利地實施。

參考文獻

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