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 石油天然氣建設工程有限責任公司

 

1  施工概況

某輸氣干線管道設計壓力6.13 MPa，材質為X70螺旋縫鋼管,規格Φ813 ×10 mm。年末經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，在無損檢測中發現4道焊口存在根焊裂紋現象（見表1），返修1次后合格。

表1 根焊裂紋狀況統計

施工點	裂紋產生位置 （時鐘位置）	裂紋長度 /mm	裂紋位置內 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，并在空載狀態下，用盡可能短的時間完成局部管道設施更換的施工作業。停氣連頭作業有兩個明顯特點：一是時間緊，施工用時在24h以內，并要求一次性完成。二是與長輸管道建設相比，施工條件差，常受到管道組對、應力、磁場、內腐蝕等因素影響，作業難度大，對作業人員技術水平要求高。 

3  根焊裂紋原因分析

裂紋在焊縫和熱影響區都會出現，在變化應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，連頭作業中的根焊裂紋屬于顯微裂紋中的冷裂紋，不易發現，危害更大。淬硬組織、擴散氫含量、殘余應力是產生焊接冷裂紋的三個要素[1]，其作用是相互聯系，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變為珠光體，最終轉變為含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管線鋼材質化學成分                  質量分數%

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，其含量增加會導致焊縫金屬及熱影響區的力學性能降低，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向尚未分解的熱影響區擴散，而氫在熱影響區的擴散速度相對較小，因此在熔合區附近形成了一小的富氫帶。其次，原天然氣管道內壁長期受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，連頭作業過程中因受潮濕環境、管內氣流、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殘余應力

焊接接頭主要存在熱應力、相變應力和拘束力。受連頭作業條件影響，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點鐘位置受到拉應力或壓應力[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應力，這種應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，在焊接中會產生應力與應變的循環，因此管道焊后必然存在殘余應力。

4  連頭返修工藝

4.1作業準備

確保返修焊機、焊條烤筒等設備完好，焊條按照相關規定進行烘烤保溫。用千斤頂對管道底部進行附加支撐，減少管道因沉降產生的應力影響。根據檢測結果，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，若缺陷過長，應分段修復，先從中間打磨，，避免一次打磨過長，導致剩下焊縫單位面積上的受力增大而引發焊縫拉裂現象。確定打磨位置是否內錯口，若焊縫返修處存在管內錯邊，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、棉紗清理坡口內卷邊及兩側污物。

圖2  原焊縫錯邊時容易出現焊趾裂紋處的打磨示意圖

返修時，應根據探傷照片及實際缺陷分析情況，合理選擇返修打磨狀態，以防止未焊透、未熔合、夾渣等缺陷產生。

4.3溫度控制

返修過程中必須使用紅外線測溫儀對預熱、層間溫度、焊后保溫等工序嚴格監控。X70鋼在施焊環境溫度為0℃左右時，其預熱溫度約為120℃，返修焊口焊縫兩側加熱寬度應大于100 mm，預熱時要對整個焊口均勻加熱，并根據母材厚度嚴格控制管壁升溫速度，減小區域、厚度上的溫度差，降低焊縫的熱應力影響。嚴格控制層間溫度（層間溫度不低于預熱溫度），在完成一層焊縫的返修后5 min內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，導致焊縫產生淬硬組織。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，則易產生內咬邊或燒穿缺陷。焊接過程應仔細觀察熔孔兩側熔池鐵水流動狀況，將焊條在兩側作輕微擺動，確保坡口兩側均勻熔合；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，才能保證根部不內凹。有內坡口焊口返修時，要注意內坡口面的熔合，當內坡口一側被打磨傷及原內坡口時，其補焊焊縫存在內錯邊現象（如圖3所示）。修復時應通過觀察錯邊量及坡口間隙大小，來調整焊條或焊槍角度（如圖4所示）及焊接操作手法，使熔池呈斜拉狀（如圖5所示），確保根焊背面兩側熔合良好。還應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生根部尖角效應形成應力集中,是造成X70鋼在連頭作業中產生冷裂紋的重要原因。

 

 

圖3 內錯邊現象

 

圖4 焊槍（焊條）角度

 

圖5 根焊熔池狀態

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]，降低焊接應力，每層每道焊縫的起始位置和收尾位置應錯開20 mm左右[7]。蓋面時熔池保持橢圓形狀，在焊縫兩側稍作停留，避免產生咬邊缺陷，且焊縫成形應圓滑美觀，焊縫余高應控制在2 mm以內。

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，以減少應力集中，提高焊縫抗裂性能。缺陷返修處應符合焊接相關規程的驗收標準。

5  結語

經對X70管道連頭作業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,均未發現根焊返修裂紋缺陷，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提供借鑒和指導。

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.核電站大型鋼結構焊縫錘擊法消應力[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用[J].甘肅科技,  2011, 27(22):88-89 

作者：王帥，男，1975.6生，畢業于航天職業技術學院，焊工高級技師，德國DVS焊接指導教師，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）