任建志(中石化河南油建工程有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

焊接裂紋是天然氣管道安全的致命缺陷。近年來天然氣需求量增大，天然氣管道建設越來越多，管道安全關系到人民生命財產(chǎn)安全，建設期間一定保證天然氣運輸?shù)陌踩?。研究管道焊接裂紋形成機理，總結出更有效的防范措施，制定縝密的防范方案，科學施工尤為重要。

1 長輸管道焊接裂紋出現(xiàn)原因

焊接裂紋分為熱裂紋、冷裂紋、延遲裂紋等，要想解決天然氣長輸管道焊接裂紋問題，必須掌握長輸管道焊縫裂紋出現(xiàn)的原因，確定裂紋癥結才能夠對癥下藥。經(jīng)過長時間的實踐和分析研究，發(fā)現(xiàn)形成裂紋的原因主要有以下五點：首先是熱影響區(qū)低塑性淬硬組織，這主要出現(xiàn)在焊接接頭韌性與基體匹配方面，管線鋼焊接過程焊縫熱影響區(qū)受焊接熱循環(huán)影響，溫度會上升到母材熔點附近，焊縫兩側會分布晶粒粗大組織區(qū)，即焊接熱影響區(qū)，熱影響區(qū)與母材原始性能相比，韌性損失較大，是裂紋的開裂源或沿焊道方向長程擴展的通道；其次是焊接過程的溫差方面，一次不能完成全部焊道形成焊接過程的隔夜焊口，由于溫差變化較大再焊接冷熱不均勻，若不能及時處理，必然會增加長輸管道焊接性能脆性；第三是擴散氫影響，擴散氫主要來源是焊材中的水分和坡口表面的油污、鐵銹、水以及大氣中的水汽等，尤其是堿性焊條烘干不規(guī)范、焊口周圍除濕除潮措施落實不到位會形成更多的擴散氫，氫超過臨近壓力界點后，管道承受壓力值變?yōu)樽畲?，可能會裂變繼而引發(fā)裂紋[1]，管道裂變愈加嚴重，裂縫數(shù)量增多；第四是拘束應力方面，由于現(xiàn)場施工時候安裝組對精度受限制，如：管道變形、錯位等，在焊口的組裝過程中總會存在或多或少的強力組對，這樣在組裝完成后便存在著內(nèi)應力，這種應力即便進行熱處理也不可能完全消除，還有就是管道焊接實際就是一個局部加熱與冷卻的過程，焊接過程會產(chǎn)生應力與應變循環(huán)，必然會存在殘余應力；第五是焊接工藝執(zhí)行方面，焊接電流不按規(guī)程要求隨意增大必定會對焊縫結晶過程造成較大的影響，晶粒粗大沖擊韌性不足，長時間的運行必定會造成焊接裂紋。

長輸管道焊接施工期間，施工工藝操作不到位或者是細節(jié)處理不到位，焊接專業(yè)性不夠等，都會影響到天然氣長輸管道的焊接質量，增加裂紋出現(xiàn)風險[2]。此外若焊接施工中焊縫內(nèi)部應力大或者是材料質量密實性不足，材料均勻性差等，同樣會影響到焊接管道的性能潛力，無法達到理想的焊接目的。長輸管道若存在裂紋隱患，長輸管道應用中頻繁振動或者是缺陷處理不及時等，都會加劇裂紋現(xiàn)象[3]。對天然氣長輸管道焊接的影響因素較多，如施工條件特殊等情況，需要深層次研究管道焊接流程，科學選擇焊接材料。

2 管材、焊材選擇

天然氣長輸管道一般都是設計壓力越大、鋼級越高，裂紋傾向就會越大，所以管道材料選擇非常關鍵。當前常用天然氣長輸管道制管方式通常都是熱軋無縫鋼管、直縫管線鋼鋼管、螺旋縫管線鋼鋼管。國際上通常都是選擇按照API標準制造的鋼管，國內(nèi)參照API標準為基礎制定了GB 9711.1—2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》標準，對鋼種應用進行明確，設計時為確保管道運行本質安全一定要按照設計標準對天然氣長輸管道材料進行科學選擇[4]。施工時候要按照焊接工藝評定標準對焊接工藝進行評定，并根據(jù)評定合格的焊接工藝編制焊接工藝規(guī)程。

國內(nèi)外API和GB 9711.1—2017常見的天然氣長輸管道常見主要鋼種等級對應如表1所示。常見管線鋼鋼管材料化學成分、力學性能參數(shù)如表2所示。

表1 天然氣長輸管道主要鋼種等級對應表

表2 部分鋼管材料化學成分、力學性能參數(shù)

長輸管道常見焊材有以下幾種：纖維素焊條、堿性焊條、藥芯自保護焊絲、實芯焊絲。為得到高質量的焊接接頭，一定要合理選擇焊接材料。由于焊接部件在運行中的工況有很大差異，母材的材質性能、成分千差萬別，部件的制造工藝錯綜復雜，因此需要從各方面綜合考慮確定對應的焊接材料。選擇焊接材料應遵循以下原則：滿足焊接接頭使用性能的要求原則、滿足焊接接頭制造工藝性能原則、滿足焊接工藝性能要求原則、滿足科學合理經(jīng)濟適用性原則、滿足等強性和等韌性要求原則。

3 天然氣長輸管道焊接裂紋改善策略

3.1 做好焊接策劃和焊接工藝評定

焊接策劃和施工準備工作是長輸管道焊接質量保證的前提條件，若焊接策劃和準備不到位，后續(xù)焊接工作必然會受到影響，導致焊接流程出現(xiàn)問題等，加大天然氣長輸管道焊接裂紋出現(xiàn)風險[5]。策劃過程的焊接工藝評定是重點中的重點，沒有經(jīng)過合格的焊接工藝評定，沒有經(jīng)過審批的焊接工藝規(guī)程就不能開始施工。綜合天然氣長輸管道焊接情況，根據(jù)天然氣管道焊接標準，科學選擇管材材質，對材料進行檢驗，結合管材類型選擇接頭，全面清理施焊處，提前對焊接區(qū)域預熱。焊接之前再次檢查施焊區(qū)域表面整潔度，以施焊處為中心，兩側25 mm范圍內(nèi)不能存在油污、泥沙或者是鐵銹等，還要檢查氣割熔渣與毛刺等，處理好加工操作后續(xù)整理工作，在此基礎上，徹底清除氧化皮[6]，根據(jù)焊接工藝規(guī)程完成所有焊接準備任務。

3.2 加強天然氣管道焊接管理，規(guī)范焊材庫和焊材存放機具

加強天然氣管道焊接管理，是從人為的角度上，降低裂紋的形成。首先，要保證焊工具有國家認證的相關資質，具有豐富的操作焊接經(jīng)驗，能夠掌握關鍵技術要領；其次焊接人員需要具備高度的責任心，保證長輸天然氣管道焊接每一步的高質量操作。

焊材選擇是降低焊接裂紋的關鍵點，當前應用最廣泛的焊條類型分為兩種，其一是纖維素型焊條；其二是堿性焊條。傳統(tǒng)長輸管道以打底焊焊接選擇纖維素焊條打底，堿性焊條主要應用于蓋面和返修。焊條使用前首先需要關注的是受潮與否，焊接時焊縫有氫進入，熔敷金屬中有超氫存在，必將出現(xiàn)管道裂紋[7]。所以焊前必須妥善處理焊條，堿性低氫型焊條必須有效烘干，確保焊縫熔敷金屬氫含量有效降低。焊條烘干溫度最佳范圍需控制在350～450 ℃，烘干期間嚴格控制烘干升溫速度，理論上必須＜150 ℃/h，烘干時間要求控制在2 h之內(nèi)。待焊條烘干完畢，需將焊條轉移至恒溫箱中，恒溫箱要求溫度設定為150 ℃。

焊條電弧焊操作人員必須以保溫焊條筒作為攜帶工具，同時焊接操作期間必須做好防潮處理，隨用隨取，規(guī)定時間內(nèi)用不完必須重新烘干，再烘干次數(shù)只能1次。焊前應對溫度、濕度、風速等進行檢測，若溫差大或者是濕度變化大等，可根據(jù)現(xiàn)場情況搭設擋風棚，為焊接施工提供理想環(huán)境。

3.3 優(yōu)化焊接技術規(guī)范長輸管道焊接程序

管道焊接施工時焊縫周圍環(huán)境溫濕度不當、焊工操作空間狹窄、施工人員技能水平低下等都會對焊接質量產(chǎn)生較大的影響，不合理的疊加必定會增加焊接裂紋產(chǎn)生的可能性。選用焊接方法時候，對于風力較大、自然環(huán)境較為惡劣的施工地區(qū)，應該采用藥芯焊絲焊接技術，半自動下向焊接方式來對管道進行焊接。對大口徑高強級管線鋼焊接原則上都應該采用全自動焊接。采用焊條電弧焊時候的實際焊接過程應該適度的提升對堿性焊條的烘干溫度，制定出完善的防風保溫辦法，可以避免由于含氫量較大產(chǎn)生的氫聚集形成的裂紋。

管道焊接程序合理規(guī)劃是提高焊接效率與改善管道裂紋的有效措施。合理焊接程序能夠將焊接應力有效減少，有效控制管道焊接變形。天然氣長輸管道焊接操作，管道向下焊所選擇的作業(yè)形式以流水作業(yè)為主，兩名操作人員可以同一焊道同時開展焊接工作。如施工操作人員為1號焊工與2號焊工，那么在同一管道焊接施工，1號焊工從管道0點位置向左開始施焊，2號焊工從管道0點位置向右開始施焊，同步施焊并同時到達焊口底部。焊接施工中一定要提高對0點、6點接頭部位處理的重視，根據(jù)長輸管道直徑情況對焊接操作人員適當增加，如長輸管道的直徑≥711 mm，兩名焊工無法順利完成焊接任務，需增加一名焊工，從管道對稱性的角度出發(fā)，以順時針方向完成焊接。焊接操作中要求電流必須嚴格控制，不能過大或過小，焊接類型以電弧焊、半自動焊接為主。

3.4 管口預熱及相關參數(shù)整理

必須保證焊接層間溫度，高強鋼要求預熱時，預熱溫度和層間溫度嚴格以焊接工藝規(guī)程為準，具體預熱參數(shù)如表3所示。提高焊件溫度能有效改善天然氣長輸管道焊接期間焊接熱循環(huán)情況，控制冷卻速度可有效規(guī)避淬硬組織。東北地區(qū)因為溫差變化大，特別是冬季溫度比較低，可以適當擴大預熱范圍。常見裂紋傾向較大的低氫型焊條焊接參數(shù)如表4所示。

表3 天然氣長輸管道焊接預熱參數(shù)

表4 低氫型焊條焊接參數(shù)

3.5 長輸管道管口組對和拘束力控制

若天然氣長輸管道管口組對拘束度比較大，那么受其影響焊接接頭位置焊接必然會出現(xiàn)拘束應力變大的情況，這樣就會增加管道裂紋風險。還有就是殘余應力也會變大，對裂紋預防也十分不利。長輸管道強力組對加上管壁厚度大，拘束應力隨之增加，抗裂紋性能降低。結合天然氣長輸管道裂紋研究與焊接經(jīng)驗總結等發(fā)現(xiàn)，長輸管道焊接中裂紋出現(xiàn)最多的區(qū)域集中在裝配定位焊位置。裝配定位焊相對來講冷卻速度比較快，加上比較容易出現(xiàn)淬硬脆化，再者拘束應力也比較大，因此為長輸管道裂紋預防帶來不利?；诖耍b配定位焊處理期間，一定要及時對焊接區(qū)域進行除銹去污，隨時檢查焊縫情況，保證其飽滿達標基礎上，積極完成焊接工藝對接。長輸管道管口組對處理中，尺寸的調(diào)整參數(shù)必須嚴格根據(jù)焊接工藝規(guī)程加以明確，具體如表5所示。

表5 管道下向焊接管口組對參數(shù)整理

3.6 清理與打磨長輸管道焊縫根部

焊縫根部的清理非常關鍵，待焊接完畢必須及時對焊縫根部進行清理與打磨?？梢杂行宄附悠陂g熔合線位置存在的缺陷，還能夠保證定位焊區(qū)域整潔。焊接縫隙均勻過渡，無氣泡與裂紋。

4 結語

綜上所述，對于天然氣長輸管道來講，焊接裂紋不僅威脅長輸管道的安全，同時也是天然氣運輸應用的安全隱患。裂紋的科學預防對天然氣長輸管道來講尤為重要。裂紋的產(chǎn)生原因多元化，如溫度變化、水分影響或者是焊接工藝等。明確裂紋出現(xiàn)具體原因的基礎上，積極對癥下藥的制定解決措施，通過對焊接流程的梳理與注意細節(jié)的分析，多方面去改善天然氣長輸管道焊接條件，降低裂紋出現(xiàn)率，提高長輸管道焊接質量。明確長輸管道焊接各方面參數(shù)，嚴格按照焊接標準完成焊接操作，以此總結天然氣長輸管道焊接與裂紋預防經(jīng)驗，為后期焊接工作的開展與管道焊接水平的提高提供參考。