油气管道在役焊接修复技术研究

摘 要：油气管道作为我国第五大运输行业，具有高效、安全、环保等优点，是连接油气资源与市场的桥梁和纽带。目前，我国进入管道大发展阶段，已建油气管道逾10×104km，每年新建管道逾0.5×104km，过快的管道建设速度，给管道的本体安全带来隐患。本文对油气管道在役焊接修复技术进行了研究探讨。

关键词：油气管道；在役焊接；修复技术

1 在役焊接影响因素

1.1烧穿

烧穿的实质是未熔管壁是否有能力承受其所受到的应力，该应力由管内压力和外部附加应力（热应力和弯曲应力引起）共同产生。影响焊接烧穿的因素主要有管内压力、介质温度、管道壁厚、焊接线能量等。目前，普遍采用降低最大焊接线能量、控制最小壁厚等方法预防在役焊接烧穿的发生。Battle焊接研究所经过大量的热分析计算后，认为6.4mm是防止烧穿的安全壁厚。另外，如果输送介质中含有乙烯或其他不饱和碳氢化合物，在焊接高温、高压下，将分解放热，等同于提高热输入量，增加烧穿的可能性，应该注意防止管道内壁温度超过临界点。

1.2氢致开裂

氢致开裂一般有延迟性，不一定在施焊结束后马上呈现。影响氢致开裂的主要因素有含氢量、脆性相和应力3个方面。管道焊缝中氢的来源是多方面的。空气、药皮中的水分，管道表面的油质、冷凝水等为焊缝中氢的外部来源，可通过烘干焊条，清理焊接表面，采用低氢焊条等方法减少氢的来源，也可利用合适的预热温度和层间温度促进氢的向外扩散。管道内壁碳氢化合物或酸性介质在高温、高压下产生的氢也可扩散到管壁中，有必要针对输送介质进行管壁渗氢实验，根据实验结果，选择合理的焊接工艺，减少焊缝中氢的含量。脆性相是指在焊接过程中产生的HAZ淬硬组织，因其对氢较敏感，易产生裂纹。X65以上级别的高强管线钢晶粒细小，属亚稳状态，受热极易长大，如快速冷却，组织变脆的倾向更大。因此，避免焊接脆性相应该从控制冷却速率着手。

1.3管壁渗碳

焊接时管道内壁处于高温、高压状态，碳氢化合物介质中的碳有向管壁扩散的倾向，在管道内壁形成渗碳层。由于碳含量大幅提高，加之冷却过快，渗碳层极易转变成硬脆的馬氏体组织，诱发氢致裂纹。如果管道内壁局部温度达到1130℃，则可以形成共晶组织，该组织具有低熔点的特性，在焊接热应力作用下可以形成裂纹，即所谓的热裂纹，该情况在气体和液体管道均有相关报道。在PRCI专项研究中，给出了天然气管道在役焊接实验中发现的渗碳层及共晶热裂纹微观形貌。

2 在役焊接的安全性

2.1烧穿

烧穿就是焊接熔池下方未熔化的金属强度不能承受它所受的应力。烧穿失效模式一般分为两种：①在常压状态下直接焊穿，属于塑性失稳；②管子在内部压力和焊接电弧共同作用下发生烧穿。影响烧穿的因素有很多，主要包括：壁厚、熔深、流动介质、应力等。

2.1.1壁厚

Battelle焊接研究所采用热分析计算模型研究发现：在役焊接时，当管道内壁温度达到982，℃，管道将会发生烧穿。一般管道壁厚在6.4，mm以上时，焊接时管道内壁很难达到982，℃，也就是壁厚大于6.4，mm的管道采用低氢焊条及合理焊接工艺，管道焊接就不会烧穿。油气管道在长期服役过程中会发生腐蚀、磨损及机械损坏等情况，使管道出现局部变薄，焊接时烧穿的可能性会增大。因此，在焊接修复时，尽量选取管道壁厚处。总之，管道壁越厚，烧穿的几率就越小。

2.1.2熔深

熔深就是管道焊接熔池的垂直深度。焊接线能量越大，熔池就越深，发生烧穿的几率越大。线能量过小，熔深虽浅，但由于熔池冷却过快，容易导致氢致开裂。因此，焊接时既要保证足够的线能量输入，防止发生氢致开裂，又要避免线能量过大，防止发生烧穿。

2.1.3流动介质

不同介质对烧穿的影响主要体现在对熔池的冷却能力上。相同条件下，液体比气体冷却能力强，当管道内流动的介质是液体时，管道烧穿的几率要小。当介质一定时，熔池冷却速度取决于流速，流速越快，熔池降温越快，烧穿几率变小，但流速增大到一定程度时，冷却速度不再随流速变化而变化。通常认为管道内液体压力越大，烧穿几率越大。但气体不满足这一规律，一般认为管内气压越小，烧穿几率越小。然而，由于气压小，流速也小，冷却熔池速度也小，烧穿最小壁厚反而增大。

2.1.4应力

在役焊接时，管道内壁一直受到油气压力影响，当受热时，管道局部会发生变形而管道周围材料限制此变形，从而管道会产生较大应力。在高温和应力共同作用下，管壁不能承受此应力时，管道会发生烧穿。

2.2氢致开裂

氢致开裂是由于氢原子渗入到钢中，并在钢内部空穴处变为分子态聚集而产生较高的压力，造成钢材内部出现裂纹。氢致裂纹的产生需满足3个条件，即焊缝中的含氢量、焊接接头的淬硬程度倾向及焊接接头所承受的约束应力。因此，为防止氢致开裂，研究工作必须从导致裂纹产生的条件入手，分析原因，找到应对氢致裂纹的办法。焊接过程中，氢的主要来源是空气、水及介质含氢化合物等，一般而言，由于焊接环境无法改变，控制焊缝中含氢量比较容易操作的方法是控制焊条含氢量，即焊接时尽量采用干燥低氢焊条。含碳量低的管线，冷却速度慢，一般会得到低碳马氏体或铁素体+珠光体，这些组织硬度低，淬硬倾向小。只有冷却速度过快时，才会产生高碳马氏体，此组织淬硬倾向大。因此，控制介质流速可以控制淬硬倾向。焊接后产生的残余应力，不仅会引起氢致开裂，还可能导致疲劳开裂，同时这些又是评定管道系统安全性的重要因素。人研究发现，预热、合理的焊接顺序及必要的装配等可以减少焊缝根部的应力集中。

3 结语

油气管道在役焊接修复具有一定的复杂性与偶然性袁尤其是对于野外施工来说袁更是面临着多种不可控因素袁因此袁必须明确目前油气管道在役焊接修复技术存在的问题袁并通过多种途径对存在的问题进行改进袁在制定合理，科学的焊接工艺条件的同时袁还需要制定完善的焊接管理体系袁以防止施工现场不可控因素对焊接质量的影响袁确保在役焊接合理有效，安全顺利地实施。

参考文献

[1]邵秋捷.管道修复技术研究综述[J].黑龙江科技信息，2016，（30）：15.

[2]龚志鹏.高压油气管线的在役焊接修复技术分析[J].化工管理，2016，（21）：75.