譚 笑 劉少柱 吳曉光 柳 尚

1. 中油管道科技研究中心, 河北 廊坊 065000;2. 中國石油管道公司, 河北 廊坊 065000

0 前言

在長輸管道的建設(shè)、維搶修過程中,經(jīng)常產(chǎn)生管道剩磁現(xiàn)象，實(shí)施焊接作業(yè)時(shí),焊接管口存在的剩磁將導(dǎo)致磁偏吹現(xiàn)象的產(chǎn)生[1-3]。如果不對磁偏吹加以控制,將對焊接產(chǎn)生嚴(yán)重影響:輕者,電弧的穩(wěn)定燃燒受到影響,造成焊縫根部未焊透、未融合,必須重新焊接管道;重者,焊接作業(yè)將無法正常進(jìn)行,因而影響工程進(jìn)度和工程質(zhì)量,惡化管道的物理特性,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[4-5]。

1 剩磁產(chǎn)生的原因與危害

1.1 剩磁產(chǎn)生的原因

在管道換管焊接作業(yè)時(shí)經(jīng)常會(huì)看到電弧引燃困難、電弧燃燒穩(wěn)定的破壞、明顯的磁偏吹現(xiàn)象,尤其是磁偏吹將對焊接作業(yè)造成很大影響和危害,這些都是由于管道剩磁導(dǎo)致的。電弧磁偏吹是由于弧焊電流產(chǎn)生的磁場和被焊接金屬本身的剩磁干擾,而產(chǎn)生電弧不規(guī)則偏離的現(xiàn)象[6-8]。焊接電弧的微觀結(jié)構(gòu)由分離且有運(yùn)動(dòng)方向的正、負(fù)電荷組成,流動(dòng)電荷產(chǎn)生的電流促使電弧周圍產(chǎn)生感應(yīng)磁場。管口剩磁會(huì)破壞分布均勻的電弧磁場,使局部的洛倫茲力過大,受力不均勻的電弧將偏離焊條的軸線方向,與電極軸形成傾斜角度,產(chǎn)生電弧磁偏吹,電弧磁偏吹起因見圖1(F1為電弧左側(cè)磁場產(chǎn)生的洛倫茲力;F2為電弧右側(cè)磁場產(chǎn)生的洛倫茲力)[8]。

圖1 電弧磁偏吹起因示意圖Fig.1 Causes of electric arc magnetic blowing deviation

由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論分析[9]可知,管道屬于鐵磁性材料,對于磁性材料而言,存在一條磁化曲線和磁滯回線,見圖2。沒有外加磁場時(shí),管壁處于未磁化狀態(tài),磁場強(qiáng)度為0;當(dāng)存在外加磁場時(shí),管壁被磁化,磁化曲線為OS或OS′段。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度大于Hs時(shí),管壁的磁感應(yīng)強(qiáng)度由0達(dá)到了飽和磁化狀態(tài)Bs;當(dāng)外加反向磁場強(qiáng)度大于-Hs時(shí),管壁的磁感應(yīng)強(qiáng)度為反向飽和磁化狀態(tài)Bs′;而當(dāng)外加磁場去除時(shí),管壁的外加磁場變?yōu)?,此時(shí)管壁的磁感應(yīng)強(qiáng)度并不是沿曲線SO變化,而是沿曲線SS′或S′S變化,因此導(dǎo)致管壁中存在剩磁,使新舊管道在焊接過程中出現(xiàn)了磁偏吹現(xiàn)象。

圖2 管道磁化曲線和磁滯回線原理圖Fig.2 Schematic of pipeline magnetizationcurve and hysteresis loop

管道偏轉(zhuǎn)磁場主要是由鐵磁性基體材料(包括鋼、鐵、鎳等)產(chǎn)生的殘余磁性造成的。因此，中俄東線天然氣管道這樣的高等級鋼材,特別是鎳含量高的高等級合金鋼更容易被磁化。導(dǎo)致鋼管被磁化從而攜帶殘余磁性的原因有多種,鋼管在制造、涂層處理、運(yùn)輸和服役期間都有可能被磁化[10-12]。一些典型的鋼管被磁化的情況包括:使用電磁起重機(jī)，運(yùn)輸途中通過高壓輸電線區(qū)域，銑削、鍛壓、矯直過程中鋼材和工具之間的磨損和摩擦，下溝過程中產(chǎn)生磨損和摩擦，流動(dòng)的油品導(dǎo)致管道磁化。

1.2 剩磁的危害

剩磁產(chǎn)生的磁偏吹能造成飛濺、焊縫珠狀成型、孔隙和夾渣等問題。這些問題會(huì)導(dǎo)致焊接質(zhì)量不合格,無法通過質(zhì)量檢驗(yàn),需要修理或返工。電弧磁偏吹的危害具體表現(xiàn)在三方面[13]:

1)電弧磁偏吹會(huì)造成電弧燃燒不充分,使飛濺加大,尤其是在氬弧焊根焊時(shí),焊接聲音異常與纖維素焊條根焊聲音類似,易產(chǎn)生夾渣、氣孔等焊接缺陷。

2)電弧磁偏吹會(huì)造成電弧不穩(wěn)定偏移,再加上弧柱的作用力不強(qiáng),出現(xiàn)熔滴過渡不規(guī)則,會(huì)對焊縫成形產(chǎn)生影響,造成斷續(xù)性或者連續(xù)性的咬邊、未熔合、未焊透缺陷。電弧磁偏吹現(xiàn)象見圖3。

3)電弧磁偏吹會(huì)使電弧周圍的保護(hù)氣體也受到影響,空氣可能混入到熔池中,引發(fā)夾渣、氣孔等缺陷。

圖3 電弧磁偏吹現(xiàn)象照片F(xiàn)ig.3 Photo of phenomenon of electric arc magnetic blowing deviation

2 國內(nèi)外管道剩磁強(qiáng)度指標(biāo)與要求

由于影響鋼管磁化強(qiáng)度的因素很多,所以從鋼管產(chǎn)品中的測量到剩磁強(qiáng)度有較大的分布區(qū)間,目前還沒能確立一個(gè)典型量值來代表普遍的鋼管剩磁強(qiáng)度。管道剩磁的現(xiàn)場測量通常在5～50 Gs范圍內(nèi),有時(shí)剩磁的測量可以達(dá)到非常高的值,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過50 Gs。一些厚度較大的高屈服強(qiáng)度合金鋼板(如造船業(yè)常用的鋼板)中測得的剩磁可達(dá)到350～650 Gs。圖4顯示鋼管道的磁場強(qiáng)度強(qiáng)大到能把大錘吸附在管道上[14]。

圖4 現(xiàn)場管道剩磁照片F(xiàn)ig.4 Photo of remanence on site pipeline

美國現(xiàn)行的焊接行業(yè)規(guī)范中還沒有鋼管剩余磁性的最大允許強(qiáng)度的規(guī)定,參照API標(biāo)準(zhǔn)1104和AWSD1.1。由于管道剩磁在對焊接的影響僅體現(xiàn)在焊接過程中,對焊接后的焊縫以及施工完成后管道的使用與運(yùn)行并沒有影響,因此美國的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)沒有要求管道消磁的規(guī)范[15-17]。

盡管沒有特殊規(guī)范,目前在國內(nèi)外管道施工領(lǐng)域中普遍認(rèn)同在低于10 Gs的管道剩磁環(huán)境下,焊接過程完全可以正常進(jìn)行。當(dāng)遇到10～20 Gs磁場時(shí),焊工可以采用一些簡單實(shí)用的措施來防止電弧偏吹,把影響降至最低從而保證焊接質(zhì)量;而當(dāng)管道剩磁達(dá)到20～50 Gs時(shí),它對焊接將有較明顯的影響。剩磁會(huì)導(dǎo)致電弧不穩(wěn),并且頻繁發(fā)生電弧偏吹;當(dāng)磁場強(qiáng)度超過50 Gs時(shí),焊工進(jìn)行電弧焊會(huì)變得非常困難,焊接質(zhì)量受到嚴(yán)重影響,必須采取措施來消除或減弱剩磁[18-20]。

根據(jù)GB/T 9711-2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》標(biāo)準(zhǔn)和API Spec 5 L(44版)/ISO 3183 2007《管線鋼管規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中附錄E.7.6規(guī)定,鋼管在出廠前應(yīng)在管口一端沿周向大約相距90°測量4個(gè)讀數(shù),當(dāng)用霍爾效應(yīng)高斯計(jì)測量時(shí),4個(gè)讀數(shù)的平均值為3 mT(30 Gs),且任一讀數(shù)不應(yīng)超過3.5 mT(35 Gs)時(shí),方達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。

3 中俄東線天然氣管道剩磁對焊接的影響

由于中俄東線工程所用管道采用的是Φ 1 422×21.4 mm、X 80 M鋼管,此類高鋼級管道剩磁對焊接的影響目前尚不明確,因此開展試驗(yàn)驗(yàn)證對高鋼級管道剩磁影響進(jìn)行分析。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

1)在管口選擇一點(diǎn)作為試驗(yàn)位置,使用高斯計(jì)測量并調(diào)整消磁機(jī)參數(shù)對管口處加磁至試驗(yàn)所需磁感應(yīng)強(qiáng)度,此次試驗(yàn)位置定位管口9點(diǎn)鐘位置。

2)使用焊條電弧焊在不用磁感應(yīng)強(qiáng)度下進(jìn)行焊接作業(yè)并記錄對焊接的影響。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過觀察實(shí)驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn),當(dāng)焊口磁感應(yīng)強(qiáng)度為3 mT和5 mT時(shí),焊工可以正常進(jìn)行焊接作業(yè),管口對焊材沒有明顯的吸附現(xiàn)象,對焊接質(zhì)量也沒有影響;一旦磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)超過5 mT時(shí),試驗(yàn)位置管口逐漸開始吸附焊材,焊接作業(yè)越來越難以進(jìn)行,當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到25 mT時(shí),已經(jīng)可以將整根Φ 3.2 mm J 507 H焊條吸附在管口上,焊接作業(yè)無法進(jìn)行。中俄東線天然管道剩磁焊接影響試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 中俄東線天然氣管道剩磁焊接影響試驗(yàn)結(jié)果表

Tab.1 Results of the China-Russia Eastern Gas Pipline remanence welding effect test

磁感應(yīng)強(qiáng)度/mT管壁吸附焊材引弧情況磁偏吹熔滴過渡熔池成型是否允許焊接3無吸附引孤正常微弱正常過渡良好是5無吸附引孤正常微弱正常過渡良好是10輕微吸附引弧后有輕微搖擺微弱過渡輕微不規(guī)則有輕微影響否15輕微吸附引弧后有輕微搖擺較弱過渡不規(guī)則成型不規(guī)則否20輕微吸附引弧后有搖擺較弱過渡不規(guī)則成型不規(guī)則否25吸附引弧后有搖擺強(qiáng)烈無法過渡成型不規(guī)則否

因此,長輸油氣管道管口焊接前磁場強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)至少低于5 mT,才能符合焊接的要求進(jìn)行施焊,否則焊接質(zhì)量將無法保證,易造成焊接缺陷。而對于中俄東線天然氣管道應(yīng)執(zhí)行更嚴(yán)格的焊接要求,必須達(dá)到國家和國際標(biāo)準(zhǔn)要求的3 mT以下才允許施焊。

4 結(jié)論

目前，國內(nèi)外對于焊接作業(yè)時(shí)管道的剩磁指標(biāo)沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)要求,鋼管的制造標(biāo)準(zhǔn)要求磁感應(yīng)強(qiáng)度必須小于3 mT方可出廠。管道剩磁焊接影響試驗(yàn)結(jié)果表明,對于中俄東線天然氣管道所采用的X 80高鋼級管道,磁場強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)至少低于5 mT,才能符合焊接的要求進(jìn)行施焊,否則焊接質(zhì)量將無法保證,而對于中俄東線天然氣管道應(yīng)執(zhí)行更嚴(yán)格的焊接要求,必須達(dá)到國家和國際標(biāo)準(zhǔn)要求的3 mT以下才允許施焊。同時(shí)建議根據(jù)不同管徑和管材的性質(zhì),盡快制定焊接剩磁標(biāo)準(zhǔn)。