單世東

中國(guó)石油管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部甘肅分部，甘肅 蘭州 730000

管道輸送是石油天然氣最經(jīng)濟(jì)、最合理的運(yùn)輸方式。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，油氣長(zhǎng)輸送管線趨向大口徑、高壓力輸送。油氣資源已逐漸分布在環(huán)境惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)，管道敷設(shè)跨越的區(qū)域多（西氣東輸和西部原油成品油管道工程），環(huán)境條件惡劣，地質(zhì)復(fù)雜，因此高壓輸送或嚴(yán)酷的環(huán)境對(duì)管線管發(fā)展趨勢(shì)、服役條件、失效形式及原因的綜合評(píng)價(jià)，得出對(duì)管線管的主要性能要求是高得強(qiáng)度和韌性、良好的可焊性和耐腐蝕性。尤以高韌性為重點(diǎn)和難點(diǎn)，在施工過(guò)程中控制好焊接和焊接返修的質(zhì)量是安裝工作的重點(diǎn)。

1 X65、X70管線鋼焊接性分析

可焊性是指鋼材在一定的焊接工藝條件下獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。鋼材的可焊性一般用兩種判斷指標(biāo)：一是影響可焊性的許多合金元素，其中以碳的影響最為明顯，故以碳當(dāng)量來(lái)判別可焊性的優(yōu)劣，一般鋼材的碳當(dāng)量為0.35～0.42。X60以上的鋼材也可用冷裂紋敏感系數(shù)戶cm來(lái)判別，輸油管線的戶≤0.20～0.25，一般的為≤0.25；輸氣管線的為≤0.20。二是熱影響區(qū)的硬度，它是衡量可焊性的另一指標(biāo)。碳當(dāng)量越高，冷速越快，熱影響區(qū)的硬度越高，從800℃～300℃的冷速影響熱影響區(qū)的顯微組織；冷速加大會(huì)使熱影響區(qū)的硬度增加，組織變脆；從300℃～100℃的冷速影響焊接金屬中氫的擴(kuò)散會(huì)降低熱影響區(qū)的韌性和增加對(duì)裂紋的敏感性。一般焊縫與熱影響區(qū)金屬的宏觀硬度不能超過(guò)HRC22。

管線鋼碳當(dāng)量:Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+(V/14)*%

管線鋼冷裂紋敏感系數(shù)戶:

cm =C+Mn/20+Si/30+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+δ/600

X65及X70鋼管材的化學(xué)成分分別見(jiàn)表1、表2：

表1 X65鋼管材的化學(xué)成分（%）

表2 X70鋼管材的化學(xué)成分（%）

通過(guò)計(jì)算可知X65和X70的Ceq分別為0.35、0.36。cm為0.187、0.163。

隨著X65、X70管線鋼碳當(dāng)量的降低，焊接氫致裂紋敏感性的降低，為避免產(chǎn)生裂紋所需要工藝措施的減少，降低了焊接熱影響區(qū)的性能損害程度。但是由于焊接時(shí)管線鋼經(jīng)歷了復(fù)雜的非平衡的物理化學(xué)過(guò)程，故可能在焊接區(qū)造成缺陷，或使接頭性能降低，主要還是焊接裂紋和焊接熱影響區(qū)的脆化問(wèn)題。由于管線鋼低的含碳量，使其淬硬傾向及冷裂紋傾向大大降低。但隨著強(qiáng)度級(jí)別的提高和板厚的增加，仍使其具有一定的冷裂紋傾向?，F(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)由于常采用自保護(hù)藥芯焊絲、纖維素焊條等含氫量高的焊材，冷速快，線能量小，會(huì)增加冷裂紋的敏感性，需采取必要的加工措施。熱影響區(qū)脆化通常就是造成管線發(fā)生斷裂，誘發(fā)災(zāi)難性事故的誘因。熱影響區(qū)粗晶區(qū)的脆化是由于過(guò)熱區(qū)的晶粒過(guò)分長(zhǎng)大和形成的不良組織而引起的，多層焊時(shí)粗晶區(qū)再臨界脆化是前焊道的粗晶區(qū)受后續(xù)焊道的兩相區(qū)的再次加熱而引起的。

2 焊口返修工藝

2.1 焊前準(zhǔn)備

2.1.1 焊接設(shè)備

選用150型博世角磨光機(jī)、ZXT-400ST焊機(jī)、砂輪片Ф150×3mm可根據(jù)管徑大小選用直徑適合的砂輪片。

2.1.2 焊條的選擇

X65、X70鋼壓力管道焊口的返修，選用林肯5P+，型號(hào)AWS，E6010的纖維素焊條打底和牌號(hào)CHE507、型號(hào)E5015的低氫型焊條填蓋，直徑均為3.2mm。E6010一般不需烘烤，如果受潮需80℃以下進(jìn)行烘烤，保溫時(shí)間1小時(shí)；E5010是低氫型向上焊條，使用前需350℃烘烤，保溫1小時(shí)。

2.1.3 確定合理的修補(bǔ)位置

返修位置的確定在焊口返修中非常重要，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果確定，返修位置的準(zhǔn)確認(rèn)定利于減少打磨時(shí)間，提高返修成功率及降低焊口修復(fù)成本。

2.2 焊接工藝：

2.2.1 坡口的尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)X65、X70鋼焊口返修時(shí)實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)及探索，坡口角度為60°～65°，保證Ф3.2mm的打底焊條能合理運(yùn)作，間隙為2.5mm～3mm， 不留鈍邊。其坡口形式見(jiàn)圖1。

圖1 坡口形式

若坡口角度過(guò)大會(huì)增加熔敷金屬和增加熱輸入量，對(duì)焊縫的組織結(jié)構(gòu)有明顯影響。若間隙較大易造成根焊熔孔過(guò)大，內(nèi)部成型差。

2.2.2 施焊環(huán)境要求

當(dāng)環(huán)境溫度小于10℃時(shí)，應(yīng)對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行保溫覆蓋，以防止焊縫冷卻速度過(guò)快；

環(huán)境濕度：小于90%RH；

焊接環(huán)境風(fēng)速：小于5m/s。

2.2.3 返修分非全壁厚返修和全壁厚返修

1） 全壁厚返修

（1）接頭設(shè)計(jì)及焊接材料

圖2 接頭設(shè)計(jì)

表3 焊接材料

（2）焊前準(zhǔn)備

管位置：水平固定（5G）；

預(yù)熱溫度：≥100℃；

加熱方法：環(huán)形火焰加熱；

預(yù)熱位置：對(duì)整個(gè)環(huán)焊接頭進(jìn)行預(yù)熱；

最小返修長(zhǎng)度：50mm；

最大返修長(zhǎng)度：350mm；

焊接電源：下降特性直流電源（DC-400）。

（3）工藝要求

焊接方法：焊條電弧焊；

焊接方向：上向，每層焊工： 1名；

層間溫度：≥80℃，焊后熱處理： 無(wú)；

焊條烘干：按廠家要求執(zhí)行；

根焊與填充焊時(shí)間間隔：不大于5min；

加熱溫度上限：因施工條件不同，加熱溫度的上限不得超過(guò)管體防腐層所允許的容限溫度；且〈165℃。

其它：

①返修焊的起點(diǎn)和終點(diǎn)不應(yīng)與原始焊縫的起點(diǎn)與終點(diǎn)相重疊；

②同一部位焊縫的返修不允許超過(guò)兩次。

（4）施工措施

去除缺陷方法：動(dòng)力角向砂輪機(jī)；

層間清理工具：動(dòng)力角向砂輪機(jī)及鋼絲刷；

焊縫余高：余高超過(guò)2mm時(shí)，應(yīng)進(jìn)行打磨，打磨后應(yīng)與母材圓滑過(guò)渡，但不得傷及母材；

層間清理及其它：返修焊前須徹底清除缺陷，并仔細(xì)檢查焊縫焊接接頭必須打磨，清理干凈焊道表面后方可進(jìn)行下一層焊接。

2） 非全壁厚返修

圖3 接頭設(shè)計(jì)

（1）焊接材料

標(biāo)準(zhǔn)號(hào) ： GB5118，E5015 ；

牌號(hào)：大西洋，CHE 507GX，Ф3.2；

（2）焊前準(zhǔn)備

管 位 置 ：水平固定（5G）；

預(yù)熱溫度：≥100℃；

加熱方法：環(huán)形火焰加熱；

預(yù)熱位置：對(duì)整個(gè)環(huán)焊接頭進(jìn)行預(yù)熱；

最小返修長(zhǎng)度：50mm；

最大返修長(zhǎng)度：350mm；

焊接電源：下降特性直流電源（DC-400）。

（3）工藝要求

焊接方法：焊條電弧焊；

焊接方向：上向，每層焊工： 1名；

層間溫度：≥80℃，焊后熱處理： 無(wú)；

焊條烘干：按廠家要求執(zhí)行；

根焊與填充焊時(shí)間間隔：不大于5min；

加熱溫度上限：因施工條件不同，加熱溫度的上限不得超過(guò)管體防腐層所允許的容限溫度；且〈165℃。

其它：

①返修焊的起點(diǎn)和終點(diǎn)不應(yīng)與原始焊縫的起點(diǎn)與終點(diǎn)相重疊

②同一部位焊縫的返修不允許超過(guò)兩次

（4）施工措施

去除缺陷方法：動(dòng)力角向砂輪機(jī)；

層間清理工具：動(dòng)力角向砂輪機(jī)及鋼絲刷；

焊縫余高：余高超過(guò)2mm時(shí)，應(yīng)進(jìn)行打磨，打磨后應(yīng)與母材圓滑過(guò)渡，但不得傷及母材；

層間清理及其它：返修焊前須徹底清除缺陷，并仔細(xì)檢查焊縫，焊接接頭必須打磨，清理干凈焊道表面后方可進(jìn)行下一層焊接。

表4 焊接規(guī)范

2.2.4 焊縫的焊接與打磨

對(duì)于X65、X70強(qiáng)度偏高的管道，若返修的焊口較長(zhǎng)，應(yīng)采取分段打磨和焊接。每段長(zhǎng)度應(yīng)控制在100mm的范圍內(nèi)，返修長(zhǎng)度大于100mm時(shí)需分段打磨穿后分段焊接。焊縫過(guò)長(zhǎng)，一次性打磨穿補(bǔ)焊極易形成冷裂紋，補(bǔ)焊時(shí)焊口由于受熱不均而產(chǎn)生應(yīng)力集中，故應(yīng)打磨一段補(bǔ)焊一段，多層多道，使焊縫組織結(jié)構(gòu)細(xì)化，在100mm～200mm范圍內(nèi)應(yīng)分兩段打磨焊接；如果補(bǔ)焊的長(zhǎng)度大于300mm時(shí)，應(yīng)先打磨修補(bǔ)中段（即下圖4中B段），在分別打磨修補(bǔ)兩端（即圖4中A、C段）：段，同時(shí)應(yīng)注意層間溫度，使坡口兩側(cè)溫度均勻且不低于100℃。

圖4 焊道返修示意圖

在B段打底之后，焊道厚度及強(qiáng)度不夠，必須用E5015在B段填充2遍～3遍之后，再進(jìn)行A與C段的打磨焊接。為保證焊接質(zhì)量，在打磨時(shí)應(yīng)將坡口兩側(cè)各50mm范圍內(nèi)清理干凈，并露出金屬光澤，打磨穿之后把內(nèi)部的卷邊清理干凈。焊接前需對(duì)整個(gè)焊道均勻預(yù)熱，預(yù)熱溫度應(yīng)在120℃左右。

3 操作技術(shù)要點(diǎn)

3.1 打底焊

為保證打底的成型和不產(chǎn)生新缺陷，焊條應(yīng)與管道焊接處切線方向成85°～90°角，若熔孔較大，角度應(yīng)向后減小，焊速向前加快；若熔孔較小，增加焊條角度，減緩運(yùn)條的速度；焊條與管道軸向應(yīng)保持垂直，否則熔池缺水會(huì)偏向一邊。運(yùn)條中必須壓縮電弧，鐵水往熔池背面送才可保證根部不內(nèi)凹。無(wú)論熔孔大小，運(yùn)條時(shí)焊條需作月牙形擺動(dòng)才能保證坡口兩側(cè)均勻熔合，無(wú)內(nèi)咬邊。

3.2 填充和蓋面焊

圖5 填蓋時(shí)焊條的運(yùn)動(dòng)示意圖

蓋面和填充都是用E5015堿性低氫型向上焊焊條，為保證返修質(zhì)量，在填充蓋面時(shí)宜采用短弧焊接。填充時(shí)電流取上限值，一次填充厚度不能過(guò)厚，應(yīng)多層多道，同時(shí)要注意填充焊道與坡口的夾角，夾角過(guò)深應(yīng)打磨清渣，避免產(chǎn)生夾渣，填充時(shí)焊條的運(yùn)動(dòng)見(jiàn)圖5。蓋面時(shí)焊條的運(yùn)條應(yīng)采取向上作月牙形狀運(yùn)動(dòng)（如圖5），熔池保持橢圓狀利于控制熔池溫度和形狀，同時(shí)焊縫表面不易咬邊，且成形圓滑過(guò)度美觀，焊縫余高應(yīng)控制在0mm～1.59mm內(nèi)。

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[2]李紅衛(wèi)，彭云，何長(zhǎng)紅，等.X60鋼級(jí)管線鋼焊接熱影響區(qū)的熱模擬研究[J].鋼管，2008，3.

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