油气管道施工过程中焊接应力防控方法的研究

【摘要】通过管道母材的物理力学性能实验分析结果， 管道断口、焊缝显微分析并结合焊道无损监测等检验方法， 对发生焊接应力的因素进行分型并进行相关安全评估。针对长输管道焊接中常见的焊接变形施工过程中的各环节进行讨论，提出防控焊接变形的控制措施， 以期为长输管道的高效生产和长期运营提供技术保障。

【关键词】辽河油田；长输管线焊接；焊接应力；焊接变形；安全评估

一、前言

焊接作业是长输压力管线工程中的核心组成部分， 焊接作业中如何消减焊接应力及防控焊接变形对提高整体长输管线工程的质量、保障工程进度、降低施工成本以及保障管线运行期间的安全性、可靠性、实现经济效益有着实质的意义。

目前国内几乎所有的长输油气管线均在自然条件恶劣、高压条件下服役， 通过对以往管线失效形式和失效原因进行分析评价， 可得出：管线的主要性能要求是使用高强度、高韧性、可焊接性的钢材和耐蚀性的防腐材料。而管线焊接效果又与焊材选择、焊接方法和设备、焊接工艺等因素戚戚相关。焊接工艺的定义是：被焊工件的材质，通过加热、压力或两种方式并用，在焊接的过程中使用或者不使用填充材料，使工件的材质达到原子间的建立，形成永久性的连接工艺。从力学性能上分析，是对焊接表面施加适当的压力，焊接材料将由弹性向塑性过渡， 促进分子相互扩散并挤去焊缝中的残余空气， 从而增加焊接面密封性能的过程。此过程因为存在焊接面温度及压力的较大变化会产生焊接应力。焊接应力在焊接作业的变现为：而当焊接作业采用的自动焊机功率一定时， 热熔时间不充分则会产生虚焊现象。而时间过长则会造成焊件变形，伴随着焊渣熔出， 并可能在非焊接部位产生热斑。因此如何对长输管线焊接作业使用合理安全评估方法，使管道的焊接面既能吸收足够的热量达到充分熔融的状态， 能使得分子间充分扩散融合， 并保证足够的冷却时间使焊缝达到足够的强度。

二、管道母材及焊缝的力学性验数据对比与分析

（一）管道母材及焊缝化学成分检验对比

通过对被焊管道母材及焊缝的化学成分、力学性能的试验，我们对比GB/T-699 2003标准，可知管道母材满足X80钢的要求。从化学组成成分含量的对比可知，两者元素含量大致相同，焊缝略低，由此可知力学性能方面两者差距不大。但由于焊缝含C量所占比重较大，伸缩性及抗冲击力会较差。从两者的物理力学性能方面分析， 焊缝与母材的屈服强度、抗拉强度都很接近，焊缝力学性能略低，但焊缝不管在常温下还是在低温环境下，能承受的最大冲击强度相差较大， 也就是我们常说的焊缝韧度较差。那么我们可以推断该管线常年在高压的作业条件下服役将发生焊缝的局部开裂或损伤。

（二）对焊接处试样进行拉伸冲击破坏性实验分析

由于钢材质断口特征由碳素纤维区、剪切唇及放射区 3 部分组成，如若发生断裂性破坏属于韧性断裂。所以我们首先选取6份焊缝位置前后5cm的管道母材试样及2份长度为10cm左右的管道木材进行拉伸破坏性实验，其中三份在常温下进行、另外三份在零下-20°的温度下进行（因北方冬季管道焊接作业时温度大致在-10°至-20°，所以我们选取最低温度）。六份焊缝样品中有2份在母材打磨的坡口位置处发生断裂，四份在焊缝位置处被破坏，而母材的两份试样未发生断裂，证明母材的选取没有缺陷。

我们对常温条件下进行拉伸试验的三份样品进行显微观察，可知：均为韧性断裂后产生的韧性断口，或多或少都因焊接应力消减不到位存在少量的气泡、层间未熔合、坡口未熔合等现象，属于韧性涡型貌特征； 母材室温冲击试样断口属韧性断口。

（三）对试样进行显微分析

通过上述的拉伸破坏型试验，我们在试验的焊缝样品拉伸断口发现，焊缝处有：层间未熔合、坡口未熔合、根部未融合有、含有气孔及部分夹渣等等缺陷。为进一步验证缺陷， 对试样进行放射性射线探伤并进行显微观察，来验证焊缝处是否存在等缺陷。综合以上结果发现： 管线选材、加工等工艺性能符合要求； 但焊缝处存在未融合、少量气孔、疏松以及夹渣等缺陷， 其中发现未焊透缺陷最大尺寸为9 mm； 焊缝试样在拉伸破坏试验中存在气孔及夹杂缺陷； 焊缝处硬度高于左右两侧母材硬度， 且母材、焊缝、热影响区晶粒度相差较大。这些因素的积累将在极大程度上造成管线在运行期间发生损失或失效。

三、安全评估结论及消减焊接应力及防控焊接变形的方法

（一）管道母材所能承受的冲击功远远大于焊缝所能承受的冲击功，也就是说：焊缝的韧性和弹性和母材相差较大，因此该长输管线在高压环境下服役很有可能发生焊缝损伤导致的局部裂纹。

（二）焊缝处硬度高于左右两侧母材硬度，该管线在外界工程扰动或外力作用下，则可能导致发生管道受力集中从而造成管线损伤、破坏；通过以上安全评估，我们可以得出以下结论：我们应在工程开始筹备前通过安全评估的方法，对管道母材、焊条及其焊接水平进行相应的效验，优化配置资源，通过选择力学性能较为接近的焊缝材料，合理的控制焊接应力，防止焊接变形，从工程开始初期控制管道失效的概率；在特殊的环境下，如北方冬季施工，可能温度过低，容易引起焊缝奏冷，形成脆性形变，因此需要制定特种作业办法，我们应动态全面的收集长输管线的信息，并周期性常态化的监测检验，提高管道管理能力，有效避免管道失效。

（三）消减焊接应力及防控焊接变形的方法

焊接应力的产生主要是由焊接作业过程中相关的程序的控制存在以下的问题，如：焊口周边没有处理得当； 焊条保存不当或是未按规定焙烘，造成焊芯在潮湿的条件下生锈、腐蚀或药皮变质甚至脱落等情况； 焊口强行组对，造成集中应力；焊口周围残留熔渣，不及时清理，发生内咬现象； 焊接的电流过小及焊速度控制不合理等操作不当而引发的。

因此焊接作业过程中相关的程序的控制要加强监督、监管并结合现场实际在线焊接过程中通过实践数据合理选择自动焊机的工艺参数。通过把控焊接材料，最大程度的避免焊材失效。合理设置单位时间内的焊接效率，避免焊接作业过快。

采用加热法、趋向同步法等措施消减焊接应力。在管道焊接作业过程中，焊接前后温度差别越大，那么焊缝和管道母材间的残余应力就越大，同时在物理性能的表现来看，冷却时间越短那么会导致组织应力也越大。因此可以通过焊接过程中采用中频加热法，可缩小温差和延缓冷却速度，以达到削弱焊接应力的目的。同时，焊缝的收缩程度必然与旁边金属因为温度变化的关系导致收缩程度不一致，而相互牵制产生了拉应力。同时由于焊缝周边段母材不允许因收缩而形成的拉应力，应采取适当的加热措施，降低收缩程度，从而可以最大限度的免除或者部分地免除残余应力。趋向同步法就是基于这个原理，因此焊接作业过程中，采用合理的焊接次序，保证焊缝收缩自由度，针对那些收缩比较大，残余应力比较大的焊缝，也能达到控制焊接应力的目的。

参考文献：

[1] 李明. 关于长输管道焊接工艺研究分析 [J]. 黑龙江科技信息. 2011 （34）