李為衛(wèi)，蔣浩澤，劉 劍，楊 明，鄒 斌，董 瑾

(1.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077；2.西安石油大學 陜西 西安 710065；3.中國石油西部管道分公司 新疆 烏魯木齊 830013)

0 引 言

隨著原油和天然氣資源需求的日益增加和不斷開發(fā)，管道運輸成為重要的運輸方式。這些管道從幾公里到幾千公里，通過不同的地域和環(huán)境條件，需要采用高強度材料，它能夠承受陸上、近海和地下環(huán)境條件的巨大變化。隨著冶金技術(shù)的日益發(fā)展，低合金高強鋼的使用日益廣泛，管道鋼管的強度越來越高，管徑、壁厚也愈來愈大，管道焊接的難度和質(zhì)量要求越來越高。焊接結(jié)構(gòu)中，焊接接頭一直是薄弱環(huán)節(jié)，焊接接頭失效是油氣管道失效的主要類型之一，管道的焊接一直是管道工作者關(guān)心的話題。隨著管線鋼強度的越來越高，以及管道敷設和使用環(huán)境的日益惡劣，管道焊接面臨的問題和挑戰(zhàn)越來越多。所編譯的《A Review on Welding of High Strength Oil and Gas Pipeline Steels》的作者調(diào)研分析了136篇國際上科技文獻，對高強度管線鋼管的發(fā)展、焊接存在的問題、挑戰(zhàn)以及研究趨勢進行了分析，本文摘錄翻譯了部分內(nèi)容，為從事管道的科技工作者研究了解國際管道焊接存在問題、挑戰(zhàn)和發(fā)展方向提供參考。

1 管道焊接相關(guān)問題及挑戰(zhàn)

一些低合金高強鋼(HSLA)油氣管道在使用過程中發(fā)生了失效，失效管道的鋼級包括一些較低的鋼級，如X42、X46、X52、X56、X60和X65。研究工作者調(diào)查了失效情況，力圖找出引起失效的可能原因，表1總結(jié)了管道失效調(diào)查相關(guān)情況。從表1可以看出，在管道焊接結(jié)構(gòu)中，焊縫金屬和熱影響區(qū)(HAZ)是失效最容易發(fā)生失效的部位。在管道各種失效原因中，腐蝕、氫脆、焊接裂紋或其它缺陷、殘余應力，伴隨著焊道表面的不良形狀，是導致失效的主要問題。環(huán)境條件加上不合適的焊接設計或工藝，也會導致焊接結(jié)構(gòu)的失效。焊接不當給腐蝕或氫提供有利場所，加上缺陷、殘余應力和焊縫/熱影響區(qū)敏感顯微組織，易發(fā)生脆化。環(huán)境條件和焊接過程熱效應的有害影響可以控制，或者使其影響最小化，但是不是任何情況下都經(jīng)濟可行。探討管道行業(yè)面臨的問題與挑戰(zhàn)，可以使管道的使用壽命更長，預防管道失效事故的發(fā)生。

表1 管道失效及其原因調(diào)查

1.1 腐蝕

由于對部件壽命的有害影響，管道的腐蝕一直是油氣工業(yè)一個重要的話題。盡管研究工作者不斷開發(fā)耐蝕性的材料，但腐蝕仍難以避免。由于返修或者更換腐蝕損傷的鋼管需要花費大量的費用，防止管道的腐蝕成為一個重要的問題。腐蝕有多種形式(ASM，2006)，表2匯總了焊接結(jié)構(gòu)各種腐蝕以及導致腐蝕的條件和機理。除此之外，其它形式的腐蝕也在文獻中提到，如焊件選擇腐蝕(lee Woollin，2005)，濕二氧化碳或甜腐蝕，以及濕硫化氫或酸腐蝕(Fowler，2003)。

表2 不同腐蝕類型及其產(chǎn)生的原因、條件和機理

由于許多原因，焊接接頭對腐蝕敏感，主要是因為焊縫化學成分和金相組織的變化，以及焊接結(jié)構(gòu)中存在殘余應力(戴克，ND)。焊縫的化學成分可能因焊接材料或脫渣元素的不同而不同。金相組織的變化可以看作是顯微組織存在梯度，顯微組織梯度在焊縫和HAZ內(nèi)均存在。多道焊時，由于焊道與焊道的熱歷程不同，HAZ和焊縫經(jīng)歷不同的溫度-時間循環(huán)(ASM 2006)，HAZ和焊縫的不同冷卻速率也會在焊接結(jié)構(gòu)不同部位產(chǎn)生不同的殘余應力。

在腐蝕環(huán)境中預測焊接結(jié)構(gòu)的服役壽命，在應用前必須對焊接結(jié)構(gòu)進行腐蝕速率或腐蝕敏感性測試。在測試和判斷焊接結(jié)構(gòu)在特定應用條件下的腐蝕敏感性之前，關(guān)于某些工作的先驗條件信息(如環(huán)境條件、溫度范圍和陸上或近海)應該掌握(Fowler，2003)。文獻中報道了各種方法來確定高強度管道的腐蝕速率或腐蝕敏感性鋼，表3總結(jié)了測試HSLA管線鋼及其焊接結(jié)構(gòu)的腐蝕敏感性的調(diào)查結(jié)果。

為提高管道使用壽命和完整性，研究人員還提出了一些緩解腐蝕的方法。這些方法既適用于設計師，也適用于焊工。對于管道設計者來說，對于特定的應用條件選擇合適的鋼管材料、表面涂層材料和涂層技術(shù)。因為焊接接頭對腐蝕更加敏感，因此焊接技術(shù)和工藝對降低腐蝕起很重要作用。因此，焊工應遵守工藝，包括焊接材料、坡口準備、焊接方法、完工表面的處理，使用規(guī)定的預熱和層間溫度，進行焊后熱處理。其它可降低腐蝕產(chǎn)生的預防措施包括防止缺陷的產(chǎn)生，使用鈍化處理和消除氫的來源(Olson et al.,2003)。

表3 測試HSLA管線鋼及其焊接結(jié)構(gòu)腐蝕敏感性的調(diào)查

1.2 氫脆

無論鋼在固態(tài)或熔融態(tài)，氫都是有害氣體。當氫聚集在鋼液中，或在加工和焊接過程中，它會導致氫脆，進而導致開裂發(fā)生。這種開裂發(fā)生在鋼液凝固之后和焊縫冷卻后，因此又稱為氫致冷裂紋。氫致冷裂紋的最佳場所是熱影響區(qū)或焊接與熱影響區(qū)的界面。另一方面，焊接結(jié)構(gòu)在硫化氫酸性應用環(huán)境下，在正常溫度下由于腐蝕而吸氫，導致硫化物應力開裂(Kane和Greer，1977)。氫致冷裂紋在表面需要數(shù)天形成，由于硫化氫環(huán)境導致的開裂需要相對更長的時間，這是一個緩慢的過程，表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的延遲失效。由于焊接結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生腐蝕，而且更容易吸氫，因此，硫化物應力開裂在焊縫中形核(ASM，2006)。表4列出了氫脆引起的開裂類型及其原因、來源和失效機理。

表4 氫脆類型、原因、來源和失效機理

除了含氫環(huán)境，鋼的化學成分和焊縫的顯微組織對氫脆的產(chǎn)生和擴展速率起重要作用。氫更容易溶解于奧氏體組織中，它對氫脆的敏感性低，但是具有高硬度的顯微組織(如馬氏體)對氫的溶解度低，具有高的氫致開裂傾向。這是由于在焊接快速冷卻過程中，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，氫逸出的結(jié)果。還有，高強鋼對氫脆的敏感性更高，這與高強度的細晶組織有關(guān)。由于組織細小，對氫的捕獲能力更強，相反，在粗晶粒組織中，氫原子更容易逃逸出去。另外，氫脆導致災難性的后果與應力分不開，因此焊接殘余應力的增加將導致焊接接頭開裂的敏感性增加。

HSLA管線鋼氫脆的研究現(xiàn)狀見表5。HSLA管線鋼組織的敏感性，研究人員運用多種手段，也被列在同一表中。為了防止氫脆發(fā)生，控制一個或多個因素(即氫的存在、敏感的顯微組織和拉應力)是有益的。烘干焊接材料、使用低氫型焊條對降低焊縫氫的來源是有利的，而使用合適的預熱和層間溫度，采用較高的熱輸入將降低冷卻速度，從而為氫原子擴散出焊縫創(chuàng)造更多時間。

1.3 殘余應力

殘余應力對焊接結(jié)構(gòu)的壽命有不利影響，一般情況下，高運行應力與高殘余拉應力疊加，將促使焊接結(jié)構(gòu)斷裂的發(fā)生(Bate et al.,1997)。殘余應力還提高蠕變、疲勞和環(huán)境損傷發(fā)展的速率(Colegrove et al.,2009)。在焊接加熱過程中，焊縫熔融金屬周圍由于熱和膨脹會產(chǎn)生壓縮屈服。焊接冷卻過程中則相反，由于焊縫冷卻和收縮沿焊縫縱向會產(chǎn)生殘余拉應力，因此，焊接結(jié)構(gòu)的殘余應力的產(chǎn)生是由于局部不均勻的加熱和冷卻導致的。當殘余拉應力超過材料的屈服強度極限，將導致結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，焊接過程中為避免發(fā)生更大的變形，對焊接構(gòu)件進行約束將產(chǎn)生更大的殘余應力。然而，殘余壓應力一般認為是有益的，但是它會引起焊接結(jié)構(gòu)抗屈曲能力的下降。所以，應根據(jù)焊接構(gòu)件的服役條件控制焊接殘余應力。

表5 HSLA管線鋼氫脆研究情況

殘余應力的分布范圍和變形量與焊接熱輸入直接相關(guān)，研究工作者一直在努力，試圖為了獲得無殘余應力的焊接結(jié)構(gòu)而優(yōu)化焊接熱輸入或工藝參數(shù)。此外，了解焊接結(jié)構(gòu)在特定工藝方法和使用環(huán)境條件下焊接殘余應力的極限是非常重要的。焊接殘余應力是復雜現(xiàn)象，其值和分布的準確預測是不容易的，然而焊接行業(yè)和研究工作者使用實驗方法和一些假設模型技術(shù)來測試，表6總結(jié)了殘余應力研究的方法和結(jié)果。

焊接結(jié)構(gòu)殘余應力的影響因素可分為結(jié)構(gòu)因素、材料因素和焊接工藝參數(shù)三大類(Akbari and Sattari-Far,2009)。在結(jié)構(gòu)因素中，焊接接頭的類型和幾何形狀、結(jié)構(gòu)厚度是重要的因素。材料因素包括母材和焊接填充金屬的力學性能。焊接方法和工藝參數(shù)中，使用的焊接方法類型和熱輸入對焊接結(jié)構(gòu)殘余應力的值起重要的決定作用。合理選用和控制這些參數(shù)，可以降低焊接接頭的殘余應力。

1.4 焊接修復

管道表面的一個小問題，會給管道帶來巨大的成本和安全隱患。問題的來源可能是外部，也可能是內(nèi)部。外部問題的來源是機械損傷、環(huán)境腐蝕和開裂。另一方面，管道輸送流體產(chǎn)生的腐蝕、磨蝕或它們的組合是內(nèi)部問題的來源(Beavers and Thompson,2006)。管道表面或內(nèi)部的缺陷或裂紋識別后，有必要對其嚴重程度和大小進行評估。根據(jù)收集到的異常信號的性質(zhì)和程度的信息，可以采取修復或更換的決定。根據(jù)管道維修指南(AEA Technology Consulting,2001)，在可能情況下修復理念是：更換為同類；臨時修復直到更換為止；在更換不實際的情況下進行永久修復。對于有缺陷的管子，更換是更好的解決辦法，但不總是經(jīng)濟的。作為替代方法，修復和最有可能通過焊接修復是容易和可靠的，如果這樣做要極其謹慎。根據(jù)Perez等人的觀點，修復的目的是恢復或增強特定的性能，如耐久性、結(jié)構(gòu)強度、功能或外觀(Perez et al.,2014)。修復焊縫比正常焊縫通常面臨更多環(huán)境挑戰(zhàn)，給修復焊縫帶來挑戰(zhàn)的因素包括：手工打磨、周圍焊縫金屬的約束和熱過程惡化。手工磨削產(chǎn)生挖槽幾何形狀，而約束冷卻則產(chǎn)生較大的殘余應力，熱過程惡化導致焊縫冷卻加快(DNV-GL)。然而，被焊接的材料和使用的焊接方法是更關(guān)注的因素。對冶金過程敏感的材料，使用高的熱輸入可能產(chǎn)生惡化的HAZ和焊縫(TWI,n.d.)。與此有關(guān)，泄漏歷史信息，過去的缺陷發(fā)現(xiàn)，過去維修的管道將給焊工更大的信心(Jaske et al.,2006)。

表6 HSLA管線鋼焊接結(jié)構(gòu)殘余應力測試方法匯總

焊縫同一位置進行的多次返修經(jīng)常發(fā)生，但研究表明反復熱循環(huán)會對材料性能產(chǎn)生不利影響。在10%硫酸溶液中，X52環(huán)焊接頭的腐蝕敏感性隨返修次數(shù)的增加而增大。這是由于殘余應力水平較高而造成的(Ahmed et al.,2013)。與此相似，研究發(fā)現(xiàn)X52環(huán)焊接頭隨著返修次數(shù)的增加，晶粒尺寸增大，沖擊韌性降低，HAZ硬度提高(Vega et al.,2008)。采用焊條電弧焊方法進行X52環(huán)焊縫全厚度或部分厚度返修，可以是單焊道，也可以是雙焊道，研究發(fā)現(xiàn)，與正常的焊接相比，兩者的殘余應力皆很高(Zeinoddini et al.,2013)。關(guān)于鋼管本體的焊接修復的研究文獻報道很少，許多HSLA鋼及其缺陷的焊接修復方法沒有研究，該領(lǐng)域有待于研究人員的進一步探索。

焊接修復焊接過程中的預防措施，應適當關(guān)注以下幾個方面：材料的焊接性、殘余應力和變形問題(TWI,n.d.)。此外，清除缺陷的磨削過程應避免管子局部過度熱輸入。如果是在役過程進行焊接修復，操作壓力應降至安全水平以下。特別注意，修復由于內(nèi)腐蝕引起的異常時，應采用一些可靠性技術(shù)對最嚴重的腐蝕區(qū)域的剩余厚度進行施工安全性評價。建議對焊縫修復進行定期監(jiān)測，以保證管道持久適用性(AEA Technology Consulting,2001)。

1.5 熱影響區(qū)(HAZ)

焊接過程中，熱影響區(qū)不熔化但是顯微組織發(fā)生改變。隨著與熔合線距離的增加，HTP加熱峰值溫度(TP)降低，熱影響區(qū)熱循環(huán)的不同，導致其顯微組織不均勻和多樣性。HAZ的性能對焊接結(jié)構(gòu)的性能起重要的作用。焊縫、HAZ與母材的強度不匹配導致低強度部位應變集中(Pouranvari and Marashi,2016)。HAZ強度最低的區(qū)域?qū)Υ嘈詳嗔衙舾?，稱作局部脆性區(qū)(Milovi_c,2016)。高熱輸入焊接方法，含Cr鋼的HAZ也出現(xiàn)軟化現(xiàn)象(Raj et al.,2009) (Hernandez et al.,2010)。HAZ的軟化與HAZ馬氏體轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)。HAZ的面積對判定特殊使用環(huán)境下焊接結(jié)構(gòu)的適用性很重要。通常情況下，粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)以及有時的臨界熱影響(ICHAZ)具有最低的韌性(Milovi_c,2016)。在X65管道環(huán)焊接頭中，觀察到了CGHAZ具有最低的CTOD值和高的韌脆轉(zhuǎn)變溫度(Ju et al.,2012)。在X70焊接接頭中，觀察到了HAZ試樣裂紋起裂能的顯著降低。HAZ顯微組織存在大尺寸M-A組元有助于形成解理斷裂，因此，通過改善HAZ的顯微組織，可以提高焊接接頭的性能。而且，熱影響區(qū)的大小是組織變化程度的標志(Gunaraj and Murugan,2002)。HAZ的寬度取決于焊接工藝、熱狀態(tài)以及母材金屬的物理性能。熱輸入大的焊接接頭的熱影響區(qū)寬，韌性低。X80、K70和X90焊接熱影響區(qū)，當采用的熱輸入量低于57 kJ/cm，觀察到的先奧氏體晶粒尺寸減小。較低的熱輸入量還有助于穩(wěn)定粗晶奧氏體-馬氏體區(qū)不形成脆化的晶界析出相(Khlusova and Orlov,2013)。

HAZ壽命預測最困難部分之一就是評估材料焊接過程中韌性的變化(_Sloderbach and Paja k,2015)。一個真實的焊接接頭，相對焊縫而言HAZ區(qū)域很窄，確定各亞區(qū)的缺口位置很困難，解釋各亞區(qū)韌性難度大。這些復雜性使得很難找到材料或部件在服役期間最有可能失效的關(guān)鍵性能區(qū)域(Adonyi,2006)。準確評估和解釋焊接熱循環(huán)對熱影響區(qū)力學性能的影響，模擬焊接溫度循環(huán)是一種合適的方法，因此，有HAZ模擬機的幫助，可容易獲得適于研究的均勻金相組織的區(qū)域(Celin et al.,2016)。表7為焊接模擬研究的實施的細節(jié)，包括單道和多道焊HAZ不同亞區(qū)的力學性能、顯微組織特征及組織晶粒尺寸變化情況等。

表7 HSLA管線鋼HAZ模擬研究匯總

2 研究動向

針對管道焊接存在的問題和挑戰(zhàn)，焊接研究和工程建設者一直在努力開發(fā)新型管道材料和焊接技術(shù)，為了改善接頭的顯微組織，從而提高接頭的性能，目前和未來的研究趨勢包括以下四個方面。

2.1 合金化

由于化學成分為管線鋼提供了良好的焊接性和強度，高強度低合金鋼適用于高壓油氣輸送管道。然而，過度的合金化可以降低其焊接性并擾亂鋼的顯微組織。為了進一步提高HSLA管線鋼的適用性，搞清楚焊接接頭的合金化行為具有重大作用(Pouranvari and Marashi,2016)。表8總結(jié)了管道材料或焊縫金屬合金化研究的結(jié)果。文獻缺乏對X90、X100和X120鋼合金元素優(yōu)化的研究，這需要冶金和制管單位的共同努力。

2.2 開發(fā)焊接方法和工藝

焊接是一個廣闊的領(lǐng)域，有許多類型的焊接，因此，為了使焊接接頭具有所需的性能，對不同焊接工藝的參數(shù)進行優(yōu)化和表征是焊接研究人員非常感興趣的領(lǐng)域 (Julian A.Avila et al.,2016a,b),(Husain et al.,2015),(Wang et al.,2016),(Sisi and Mirsalehi,2015),(Tribe and Nelson,2015),(Azadi oghaddam et al.,2016)。費爾伯通過對大量工程的焊接工藝和焊接材料的信息收集，做了非常有益的工作(Feber,2009,2008.2007a,2007b)。這些信息可作為特定鋼級、特定使用條件下，選擇焊接工藝及焊接材料的指南。

對焊接方法和工藝的研究還包括：管道參數(shù)優(yōu)化智能系統(tǒng)、水下攪拌摩擦焊、激光+GMA復合焊、異種鋼(如UNS 31803與X52)的焊接研究。復合焊接技術(shù)用途多，對管道工業(yè)視乎是一種適應性好且經(jīng)濟的焊接方法，需要對管線鋼焊接進行充分的探索，同時解決復合焊接過程中焊接設備和工藝的復雜問題。

2.3 焊接材料的開發(fā)

新的鋼級管線鋼，需要新的焊接填充材料。Sirin等研究兩種不同成分X65鋼，四種成分焊接材料的焊縫性能，發(fā)現(xiàn)增加填充金屬的Mn、B、Ti微合金元素的含量，可以提高焊縫金屬的韌性(Sirin et al.,2016)。Midawi等對比研究了兩種X80管線鋼合適的焊接材料，分析了焊縫金屬的沖擊韌性、拉伸性能和硬度，焊接方法為GMAW，熱輸入為0.66 kJ/mm，結(jié)果表明，具有較高C、Ni、Ti的焊接材料，由于焊縫金屬細小的顯微組織，焊縫具有高的強度、硬度，但由于存在Ti的夾雜物(可為裂紋起裂提供場所)而韌性較差，從而影響該焊接件的使用壽命。

表8 管道材料和焊縫金屬合金化研究匯總

關(guān)于焊接填充材料的研究的文獻報道很少。對于當前應用廣泛的X65、X70、X80管線鋼，焊接材料的研究還處于初步階段，對X90、X100和X120更高鋼級管線鋼焊接材料的研究，未來還有大量工作需要去作。

2.4 焊接接頭試驗和評價技術(shù)進展

焊接接頭測試與評價的技術(shù)進展分為以下五方面：

1)殘余應力分布的預測和測試。焊接過程的殘余應力分布是一個復雜現(xiàn)象，隨焊接方法、熱輸入量及約束條件等因素變化。因此，對每種材料及不同的焊接方法，測量和預測焊接結(jié)構(gòu)的殘余應力分布的方法需要進一步開發(fā)。

2)缺陷的檢測和評價。完全防止焊接缺陷的產(chǎn)生是不現(xiàn)實的，因此為避免鋼管及管道的失效，使缺陷最小化的技術(shù)需要進一步研究。

3)焊接接頭適用性評價。為了評價特定用途條件下焊接接頭的適用性，代替破壞性方法，開發(fā)非破壞性但可靠的技術(shù)需要研究工作者予以關(guān)注。

4)焊接過程中材料的顯微組織轉(zhuǎn)變行為。對先進的超高強度材料，焊接過程中不同的焊接方法和焊接工藝下顯微組織的轉(zhuǎn)變行為是一個有待開發(fā)的潛在領(lǐng)域。

5)材料的腐蝕和氫脆敏感性評價。焊縫腐蝕敏感性評價方法的研究需要研究人員更多的努力，氫脆敏感性的評估仍然使用傳統(tǒng)的技術(shù)，這是耗時的，開發(fā)一些新的建模技術(shù)有助于對材料氫脆敏感性的認識。

3 結(jié) 論

1)HSLA鋼管道焊接存在的關(guān)鍵問題和挑戰(zhàn)是腐蝕、氫脆、殘余應力、焊接修復和退化熱影響區(qū)，這些問題對焊接結(jié)構(gòu)的性能有不利影響。

2)文獻對上述問題的研究最高到X80鋼，對腐蝕、殘余應力和氫脆的研究主要集中在X65、X70和X80鋼，未來需對X90、X100、X120鋼投入更多的精力。對焊接修復研究的文獻很少，由于這一問題對管道工業(yè)有著重要的意義，因此需要研究人員給予足夠的重視。

3)殘余應力使焊接結(jié)構(gòu)失效或惡化加劇，應進一步探索目前廣泛應用的X65、X70、X80鋼以及超高強度管線鋼的殘余應力問題。

4)管道焊接目前目前和未來研究動向包括四個方面：添加或者優(yōu)化焊縫中的合金元素；開發(fā)焊接方法和工藝；開發(fā)焊接材料；開發(fā)試驗和評價方法。

編譯自Satish Kumar SHARMA,Sachin MAHESHWARI，A Review on Welding of High Strength Oil and Gas Pipeline Steels，Journal of Natural Gas Science and Engineering,2017，(38)：203-217.

參考文獻(略)