李為衛(wèi)1,2 編譯
1.中油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院； 2.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

摘要：焊接工程的一個(gè)基本原則是焊縫強(qiáng)度應(yīng)大于所連接母材強(qiáng)度。以往長(zhǎng)輸管道建設(shè)中，滿足這一基本原則幾乎沒遇到什么困難。隨著高強(qiáng)管線鋼用量增加，實(shí)現(xiàn)焊縫與母材高強(qiáng)匹配變得更具挑戰(zhàn)性，特別是使用纖維素焊條的電弧焊環(huán)焊縫。分析了行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管道環(huán)焊縫的強(qiáng)度匹配要求，以及近期導(dǎo)致環(huán)焊縫失效的因素，討論了焊接工藝評(píng)定要求，提出了下一步解決措施。
關(guān)鍵詞：管道；環(huán)焊縫；失效；規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)；工藝評(píng)定

最近，北美新建管道在服役前靜水試壓期間或投產(chǎn)后不久發(fā)生了許多環(huán)焊縫失效問題（圖 1）。其中一些失效可歸因于施工質(zhì)量問題，而另一些則是焊縫強(qiáng)度匹配不足或熱影響區(qū)（HAZ）軟化的結(jié)果。所有失效環(huán)焊縫都使用手工電弧焊（SMAW）、纖維素藥皮焊條（AWS EXX10型）焊接。大多數(shù)失效發(fā)生在API 5L X70（L485）管線鋼建造的大直徑（762 mm及以上）管道，其中沒有一例與氣體保護(hù)焊（GMAW）環(huán)焊縫有關(guān)。

圖 1 新建管道水壓試驗(yàn)時(shí)環(huán)焊縫失效

因環(huán)焊縫缺陷而導(dǎo)致的管道事故（泄漏和破裂）發(fā)生率歷來(lái)較低。由內(nèi)壓造成的軸向應(yīng)力（垂直于環(huán)焊縫）明顯低于環(huán)向應(yīng)力，完工的環(huán)焊縫可在下溝起吊過程中產(chǎn)生軸向應(yīng)力。在非平坦地形和拐彎處，當(dāng)管道輪廓與管溝輪廓不匹配時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生附加軸向應(yīng)力。當(dāng)管道承受軸向載荷時(shí)，如果環(huán)焊縫強(qiáng)度低于母材強(qiáng)度，應(yīng)變?cè)诘蛷?qiáng)焊縫處累積。如果載荷大到足以引起管道塑性應(yīng)變，則可能導(dǎo)致環(huán)焊縫發(fā)生塑性破壞。失效事故累積塑性應(yīng)變的證據(jù)，包括焊縫內(nèi)和焊縫附近的頸縮（圖 2）以及環(huán)氧樹脂補(bǔ)口涂層中的裂紋。當(dāng)焊縫強(qiáng)度高于母材強(qiáng)度時(shí)，軸向載荷的應(yīng)變分布在母材內(nèi)。低強(qiáng)匹配環(huán)焊縫可歸因于管材縱向屈服強(qiáng)度大于熔敷焊縫金屬的屈服強(qiáng)度，HAZ軟化也可能導(dǎo)致強(qiáng)度不匹配。

圖 2 焊縫和焊縫附近的頸縮證據(jù)

1  近期相關(guān)研究進(jìn)展

1.1  管材屈服強(qiáng)度

2009年，美國(guó)運(yùn)輸部（US DOT）管道和危險(xiǎn)品安全管理局（PHMSA）發(fā)布了一份咨詢公告（ADB–09–01），提醒管道運(yùn)營(yíng)商注意高強(qiáng)管線鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和化學(xué)成分會(huì)在一定范圍波動(dòng)。如PSL2 X70鋼管屈服強(qiáng)度范圍485～635 MPa，通常高于API 5L標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度。這是由于鋼管制造商在考慮第三方實(shí)驗(yàn)室拉伸試驗(yàn)過程（試樣壓扁、Bauschinger效應(yīng)、引伸計(jì)放置等）存在波動(dòng)情況下，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)盡可能使屈服強(qiáng)度內(nèi)控指標(biāo)更高。對(duì)于大直徑管道，API 5L對(duì)管體縱向拉伸性能沒有要求�？v向強(qiáng)度有時(shí)高于橫向強(qiáng)度，尤其是X70螺旋縫焊管母材的屈服強(qiáng)度高達(dá)648 MPa，使用纖維素焊條不可能達(dá)到如此高的強(qiáng)度。

1.2  HAZ軟化
  高強(qiáng)管線鋼早期（50年代末X52和60年代初X60），達(dá)到所需強(qiáng)度水平的普遍做法是添加常規(guī)合金元素，如碳和錳，并實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果，但對(duì)焊接性能產(chǎn)生了不利影響，HAZ易形成對(duì)裂紋敏感的顯微組織，加之使用纖維素焊條的焊縫氫含量高，導(dǎo)致環(huán)焊縫氫致開裂風(fēng)險(xiǎn)明顯增大。
隨著煉鋼技術(shù)的進(jìn)步，在接下來(lái)的10年中開發(fā)的高強(qiáng)鋼（X65和X70）開始依靠微合金化和采用熱機(jī)械軋制（TMCP）工藝來(lái)達(dá)到所需的強(qiáng)度水平，而不是添加常規(guī)合金元素，從而開發(fā)出具有低碳當(dāng)量和良好焊接性能的高強(qiáng)管線鋼。
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著微合金添加成本上升，鋼鐵制造商開始更多依賴于TMCP工藝，導(dǎo)致管線鋼中化學(xué)成分含量更低，例如碳含量低于0.05%，雖提高了HAZ抗氫致冷裂的能力，但會(huì)導(dǎo)致HAZ軟化敏感性增強(qiáng)。

1.3  根焊低強(qiáng)匹配

X70管道環(huán)焊縫手工焊現(xiàn)行做法是根焊使用E6010焊條、其余焊道使用E8010焊條。X70管線管“70”表示所需的最小屈服強(qiáng)度為70 ksi（485 MPa）；E8010焊條“80”表示80 ksi（551 MPa）所需的最小抗拉強(qiáng)度，其最小屈服強(qiáng)度為67 ksi（462 MPa）。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，根焊焊條強(qiáng)度對(duì)焊縫的整體強(qiáng)度影響不大，導(dǎo)致強(qiáng)度不匹配的因素是根焊使用E6010焊條，特別是根焊占整個(gè)焊縫厚度比例較高的薄壁材料（圖 3）。

圖 3 使用E6010/E8010 焊條焊接的X70環(huán)焊縫硬度云圖

20世紀(jì)80年代早期，加拿大焊接研究所開展大量研究工作，之后E6010焊材在高強(qiáng)管線根焊中得以普遍使用。當(dāng)時(shí)，高強(qiáng)管線鋼高合金化，導(dǎo)致HAZ高淬透性和氫致裂紋敏感性增強(qiáng)。根焊使用較低強(qiáng)度焊材，則應(yīng)變發(fā)生在強(qiáng)度較低（韌性更高）的焊縫處而不是HAZ，從而降低了氫致裂紋風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)代高強(qiáng)管線鋼化學(xué)成分含量更低，其HAZ具有很高的抗氫致裂紋能力，采用強(qiáng)度匹配焊條進(jìn)行根焊正逢其時(shí)。

2  焊接工藝評(píng)定要求

對(duì)于使用纖維素焊條和基于工藝缺陷驗(yàn)收準(zhǔn)則建造的管道，世界各國(guó)行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高強(qiáng)匹配沒有提出要求。如API 1104“管道和相關(guān)設(shè)施的焊接”標(biāo)準(zhǔn)，沒有要求焊縫實(shí)際強(qiáng)度大于管材實(shí)際強(qiáng)度。在焊接工藝評(píng)定過程中，只要接頭橫向焊縫拉伸試樣的斷裂強(qiáng)度高于管材規(guī)定的最小拉伸強(qiáng)度，則允許在焊縫處斷裂。此外，無(wú)需對(duì)工程用管進(jìn)行焊接工藝評(píng)定（或其他試驗(yàn)），只需在適當(dāng)鋼級(jí)（同一鋼級(jí)或組內(nèi)最高鋼級(jí)）鋼管進(jìn)行評(píng)定。同一鋼級(jí)不同管材可能具有不同拉伸性能，這取決于管材制造時(shí)間、制造方法、制造商等。對(duì)于許多應(yīng)用場(chǎng)合（例如非平坦地形管道），焊縫強(qiáng)度至少與項(xiàng)目用管實(shí)際屈服強(qiáng)度相匹配為好。其他國(guó)家焊接規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此要求與API 1104一致。

但是，有些國(guó)外公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如SHELL、BP、DNV）和工程標(biāo)準(zhǔn)（如美國(guó)夏延管道）對(duì)管道環(huán)焊縫提出了等強(qiáng)或高強(qiáng)匹配附加要求，并要求采用工程用管進(jìn)行焊接工藝評(píng)定（譯者加）。

行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)允許焊縫實(shí)際強(qiáng)度小于母材實(shí)際強(qiáng)度，并非好的做法。與規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的其他要求一樣，以優(yōu)良的工程判斷至關(guān)重要，用戶必須選擇適合特定應(yīng)用場(chǎng)合的工程驗(yàn)收準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則可能高于適用規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)的最低要求。

對(duì)于當(dāng)前高強(qiáng)管線鋼建造的大直徑管道，特別是在丘陵地帶或遭受沉降和其他地質(zhì)災(zāi)害的變形管道，要求在工程用管進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，接頭焊縫橫向拉伸試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則應(yīng)為失效遠(yuǎn)離焊縫母材。補(bǔ)充要求應(yīng)包含在施工合同文件中。

3  下一步措施

3.1  強(qiáng)度匹配

采用強(qiáng)度匹配環(huán)焊縫可防止軸向應(yīng)變?cè)诤缚p區(qū)域累積，該區(qū)域是自然應(yīng)力集中區(qū)，比管材含缺陷的幾率更高。強(qiáng)度匹配意味著焊縫金屬的屈服強(qiáng)度與管材的實(shí)際屈服強(qiáng)度為等強(qiáng)或高強(qiáng)，且沒有明顯的HAZ軟化。

雖然E8010焊條難以與X70管材縱向強(qiáng)度匹配，但可以采取改進(jìn)措施，如使用E9010焊條等。E9010焊條需要更高預(yù)熱溫度，以避免潮濕環(huán)境下氫致開裂風(fēng)險(xiǎn)，但更高預(yù)熱溫度會(huì)加劇HAZ軟化。

當(dāng)前X70管線采用“組合工藝”成功實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)匹配環(huán)焊縫，包括在根焊和熱焊使用纖維素焊條，在其余焊道使用可控氫的焊接方法或焊材，包括采用低氫下向焊焊條（例如E9045或E10045）電弧焊（SMAW）和藥芯焊絲電弧焊（FCAW）。與SMAW相比，F(xiàn)CAW往往會(huì)導(dǎo)致更高熱輸入促使HAZ軟化，因此，低氫焊條下向焊SMAW是短期內(nèi)最有前途的候選方案。還應(yīng)考慮在根焊中使用強(qiáng)度匹配焊條，特別是根焊在焊縫厚度占比很高的薄壁材料。

3.2  焊縫形貌

API 1104目前推薦的最大焊帽高度為1.6 mm，應(yīng)重新考慮該建議，因?yàn)樵龈吆图訉捄该笨煞乐沟蛷?qiáng)環(huán)焊縫處的應(yīng)變累積。

3.3  軸向應(yīng)力

在現(xiàn)場(chǎng)彎管作業(yè)過程中，必須確保管線輪廓與管溝輪廓相適應(yīng)，使非平坦地形和拐點(diǎn)處管道下溝后不產(chǎn)生高軸向應(yīng)力。

3.4  管材強(qiáng)度和成分

用戶可以在高強(qiáng)鋼管采購(gòu)規(guī)范中提出要求，以降低環(huán)焊縫強(qiáng)度不匹配的可能性。如要求鋼管進(jìn)行縱向拉伸試驗(yàn)，提高其最大允許強(qiáng)度，以確保環(huán)焊縫與管材等強(qiáng)或高強(qiáng)匹配�？梢酝瑫r(shí)規(guī)定最大允許和最小所需碳當(dāng)量，以防止HAZ產(chǎn)生氫裂和軟化風(fēng)險(xiǎn)。最后，應(yīng)將拉伸試驗(yàn)程序標(biāo)準(zhǔn)化，以避免鋼管制造商為了消除試驗(yàn)過程波動(dòng)帶來(lái)的屈服強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的不確定性，而在標(biāo)準(zhǔn)可接受范圍內(nèi)提高內(nèi)控指標(biāo)的做法。

4  結(jié)論

（1）對(duì)于使用纖維素焊條和基于工藝缺陷驗(yàn)收準(zhǔn)則建造的管道，目前行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)沒有對(duì)焊縫高強(qiáng)匹配提出要求，沒有要求對(duì)工程用管進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，只要拉伸試樣斷裂強(qiáng)度高于管材規(guī)定的最小拉伸強(qiáng)度（或其95%），則允許在焊縫處斷裂。

（2）文中所述焊縫失效，有觀點(diǎn)傾向于從焊接規(guī)范符合性角度看是完全可以接受的。而真正的罪魁禍?zhǔn)资歉咻S向載荷和高管材強(qiáng)度，會(huì)導(dǎo)致低強(qiáng)匹配環(huán)焊縫處的應(yīng)變累積，超過可承受的應(yīng)變能力時(shí)，導(dǎo)致塑性破壞。

（3）從焊接規(guī)范符合性角度看，焊縫完全可以接受并不意味著它適合預(yù)期服役條件。必須以優(yōu)良的工程判斷來(lái)選擇用于焊接工藝評(píng)定的材料和適用于特定場(chǎng)合的拉伸試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則，這些準(zhǔn)則可能會(huì)超出適用規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)的最低要求。采用等強(qiáng)或高強(qiáng)匹配焊接工藝，防止HAZ軟化，將有效防止軸向應(yīng)變?cè)诘蛷?qiáng)環(huán)焊縫處累積。

致謝：本文譯自2020柏林管道會(huì)議論文《Pipeline Girth Weld Strength Matching Requirements in Industry Codes and Standards》（DNV GL公司，William A. Bruce, P.E., IWE, CWEng ）。

項(xiàng)目支持：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“ L485 高應(yīng)變海洋管道環(huán)焊材料及工藝技術(shù)”（2018YFC0310305）和中國(guó)石油科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)課題“高應(yīng)變海洋管道關(guān)鍵服役性能評(píng)估及環(huán)焊技術(shù)研究”（2018D-5010-12）。

作者簡(jiǎn)介：李為衛(wèi)，正高級(jí)工程師，1965年生，現(xiàn)主要從事油氣輸送管道材料研究及標(biāo)準(zhǔn)化工作。聯(lián)系方式：18191565092，liweiwei001@cnpc.com.cn。