天然气长输管道焊接裂纹及防范对策

第 43 卷第 3 期 2006 年 6 月 化 工 设 备 与 管 道 PROCESS EQUIPMENT & PIPING Vol. 43 No. 3 June. 2006 天然气长输管道焊接裂纹及防范对策 阮 鑫1， 葛爱菊1， 王春兰2， 蛤建妞2 （1. 河北化工医药职业技术学院，石家庄 050031； 2. 中国化学工程第十二建设公司，石家庄 050031） 摘 要：结合多次现场试验、 施工， 分析研究了天然气长输管道焊接裂纹的特征、 产生原因和影响因素， 及其一些主要工艺措施与 防漏止裂对策， 并就如何提高一次焊接合格率提出几点有针对性的见解。 关键词：天然气； 长输管道； 焊接裂纹 中图分类号： TE973. 3文献标识码：A文章编号： 1009-3281 （2006） 03-0058-04 Weld Crack Existing in Long Natural Gas transportation Piping and Prevention Methods Ruan Xin1 Ge Aiju1 Wang Chunlan2 Ha Jianniu2 （1. Hebei Pharmaceutical Vocational Institute of Technology， Shijiazhuang 050031 2. China No. 12 Chemical Engineering Construction Co. ， Shijiazhuang 050031） Abstract With several onsite tests and constructions，the features of weld crack occurred in long natural gas piping，the causes and influences produ- cing the cracks were researched and analyzed. Mean times， some main welding process and methods of protecting cracks were discussed. Several proposals to increase the qualification rate were finally presented. Keywords natural gas，long transportation piping，weld crack，cause analysis，prevention measures 收稿日期： 2005-04-04 作者简介： 阮 鑫 （1952） 男， 副教授。现从事化工机械与管道专 业的教学与科研工作。 天然气长输管道通过不同自然条件 （气候、 土 壤、 沙漠等） 的区域， 有时还要穿过铁路、 公路、 沼 泽、 河流甚至海洋。为了保证长输管线的正常运转， 必须确保整条管线运转过程中的可靠性 （管道焊接 质量是重要一环， 尤其是不能出现裂纹类缺陷） 。 哪怕局部地区发生故障， 也会导致停产甚至灾难性 事故 （重大的人身伤亡和财产损失） 。多年来， 许多 科技工作者均费尽心机， 探索它的根源所在， 寻求防 治、 解决它的办法。本文就预防和减少天然气长输 管道焊接裂纹的产生进行探讨。 1 天然气长输管道用钢及焊接裂纹常见类 型分析 天然气长输管道选材的安全性极为重要， 它是 施工过程质量保证体系中的重要一环。目前， 输送 天然气的钢管有热轧无缝钢管、 螺旋缝钢管或直缝 钢管。根据 API 标准制造的管子广泛地应用于全世 界 （包括我国在内） 的天然气工业。我国天然气输 送管道多用螺旋缝埋弧焊钢管， 国家标准 GB9711 是参照相应的 API5L 标准制订的。在管道用材方 面， 我国广泛采用相当于 API 标准的 X42、 X56、 X60 及 X65 等级的钢种。 长输管道施工中如组对不够精细、 焊接工艺欠 佳， 使得焊口质量难以达到预想的目标； 如焊缝内部 应力较大， 材质不够密实、 均匀等， 因而使其性能潜 力未得到充分发挥 （甚至未达到设计的使用年限） 。 管道运行中， 受到频繁的温度波动、 振动等作用， 其 焊缝处稍有细微之缺陷， 易于引发裂纹。表 1 为管 道的焊接裂纹常见类型及影响因素。 表 1 管道焊接裂纹常见类型与主要原因及影响因素 裂纹类型主要原因及影响因素 焊接热裂纹 系在焊缝金属凝固或高温时形成。裂纹大都在焊缝金属内沿着树枝状结晶的交界处， 且呈晶间断裂。由于焊接 是不均匀加热和冷却过程， 所以熔池在结晶中必然受到拉应力。先结晶的金属比较纯， 后结晶的杂质较多， 且这些杂 质往往会形成一些熔点低的共晶物， 在熔池金属结晶过程中， 低熔点共晶物常被排挤在晶界形成一种 “晶间薄膜” ， 结 果在晶界形成一个性能极差的薄弱地带， 在拉应力的作用下， 便形成热裂纹。钢材及焊缝处的化学成分 （主要是 S、 P、 C、 Si、 Mn 等元素的含量） 是影响热裂倾向的主要因素。 焊接冷裂纹 多发生在热影响区或熔合线处。多层焊时产生在焊缝上。通常在焊后冷却过程中马氏体转变点附近或 200 300以下的温度区间发生。主要受钢的淬硬倾向、 焊接接头中的扩散氢含量与拘束应力的影响。热影响区中氢的浓 度足够高时， 能使热影响区的马氏体进一步脆化， 此时易形成焊道下冷裂纹， 氢的浓度稍低时， 仅在有应力集中的部位 出现。宏观上看冷裂纹有纵向的和横向 （相对于焊缝） 的。其微观走向有穿晶型、 晶间型， 也有穿晶与晶间混合型。若 裂纹未在焊后立即出现， 又称为延迟裂纹， 其危害性更大。 再热裂纹 再热裂纹总是在焊后重新受到一定的较高温度时产生， 一般发生在焊接接头热影响区的融合线附近的粗晶中。 起始点是接头表面的焊趾部位等应力集中处， 在粗晶区中发展至热影响区的细晶区停止。裂纹有明显的曲折与分叉。 它的产生原因与高温应力松弛 （应力高处变形超过金属变形能力时易产生） 及合金碳化物所处状态 （片状、 条状碳化 物析出晶界不利） 有关。它主要受钢材与焊缝中的合金元素及焊接残余应力的影响。如 Cr、 Mo、 V、 Nb、 Ti 等元素， 均 会增加钢的再热裂纹敏感性。 层状撕裂裂纹 此裂纹系低温开裂且均产生于热影响区内。其原因主要是在轧制钢板 （用于焊制管道） 或拔制钢管中存在硫化 物、 氧化物和硅酸盐等非金属夹杂物， 其中尤以硫化物的作用为主。这些夹杂物在扎制过程中被延展成片状， 分布在 与钢板或钢管表面平行的各层中， 其变形能力极差， 使金属在厚度方向上的力学性能， 特别是断面收缩率严重下降。 在垂直于厚度方向的焊接拉应力作用下， 该夹杂处首先开裂并扩展。夹杂物会影响氢从钢中的析出， 使层状撕裂倾向 加剧。 2 长输管道焊接工艺及若干优化对策 2. 1 焊前准备及管口净化 焊接前的准备工作包括管材材质分析与检验、 接头选形与组对、 施焊处的清理和预热等， 均应按目 前国家有关标准、 规范进行。在制造厂里用埋弧自 动焊焊成长约 12m 的螺旋缝钢管， 而后现场用手工 电弧焊或药芯焊丝自动焊、 半自动焊的方式予以 连接。 焊前应将施焊处两侧各 50mm 表面上的油污、 铁锈、 水分、 泥沙、 气割后的熔渣、 氧化皮以及坡口内 侧机加工毛刺等清除。具体要求按中国石油天然气 总公司管道局企业标准 Q/ GDGJ000291 管道全 位置下向焊接操作规程 进行。 2. 2 焊条选用及处理 从目前国际上焊接管道的趋势看， 适于长输管 道的纤维素型焊条及碱性焊条的应用愈加广泛。许 多国家在焊接长输管道时， 从打底、 中间焊道到盖面 焊道均采用纤维素型焊条， 也有的国家焊接打底焊 道时采用纤维素型焊条， 焊接其他焊道及盖面焊道 时采用碱性焊条。实践证明， 采用后一种方案可使 焊接接头质量进一步提高。 焊条中的水分是焊缝中混进氢的主要因素， 而 焊缝中熔敷金属所含氢， 又是造成管道裂纹的主要 原因。适当地提高碱性低氢型焊条的烘干温度， 对 降低焊缝中的氢含量， 效果显著。如手工电弧焊时， 通过实验， 将焊条烘干温度定为 400 420， 烘干 时间 2h， 烘干时的升温速度不大于 100 / h， 烘干后 移入 150恒温箱待用。 焊工宜携保温焊条筒装用焊条， 并在使用过程 中注意防潮。每次从焊条筒内拿出 2 根焊条， 2h 之 内没有用完的焊条， 则要重新烘干， 但不能超过 2 次。必要时对焊接环境的温度、 湿度和风速进行测 量， 也可搭设挡风棚。 2. 3 焊接顺序与不利要素的分散 选用合理的焊接顺序， 可以减少焊接应力， 控制 焊接变形。管道下向焊宜采用流水作业， 同一焊道 由两名焊工同时施焊， 焊接顺序为焊工甲由管道上 焊口向下 （某侧） 施焊， 焊工乙亦由管道上焊口向下 （另一侧） 施焊， 直至焊口底部。此种施焊法应注意 将焊口的上下连接部位处理好。当管道直径在 711mm 以上时， 同一焊道由三名焊工同时施焊， 其 顺序也应注重焊接对称性与平衡性的要求。焊接时 电流不宜过大， 采用顶弧焊接效果较好。在焊接最 后 1 层时， 焊肉要饱满， 余高宜合适。 2. 4 管口预热及焊接规范 国产管道用钢的焊接性随材质、 壁厚、 环境温度 95第 43 卷 阮 鑫等 . 天然气长输管道焊接裂纹及防范对策 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 不同而不同。为了保证安装质量， 应重视焊缝接头 的焊前预热。预热火焰应对准坡口中心， 预热开始 时， 火焰不能太大， 加热到要求的温度后开始焊接。 此时火焰不可熄灭， 让其维持小火燃烧。在施焊中， 若发现预热温度低于规定要求， 则应随时加热。在 冬季施工或需预热时， 应按 Q/ GDGJ000291 规定 的预热规范进行预热， 见表 2。层间温度不应低于 预热温度。为防止产生焊后裂纹， 打底焊道完成后 应尽快进行第二焊道焊接， 打底焊道与第二焊道间 隔时间不宜超过 5min。 焊前预热可以消除焊件坡口表面的水分， 提高 施焊温度， 减少焊接能量输入， 改善焊接热循环， 降 低冷却速度， 避免淬硬组织的出现等。在实际施工 中， 若在东北地区特别寒冷的冬季施工， 其预热温度 和预热范围还应适度提高。 表 2 管材焊接预热规范 钢材种类 允许最低 环境温度/ 预热要求 S205、 S240 以及同类级别的钢材 -20 环境温度低于 -10时， 预热 100 150 S290、 S315、 S360 以及同类级别的钢材 -10 环境温度低于 0时， 预热 100 150 S385、 S415 以及同类级别的钢材 -5 环境温度在正常情况下， 预热 100 140 S450 以及同类级别的钢材 0 环境温度在正常情况下， 预热 100 130 焊接规范宜通过焊接工艺性能试验确定。低氢 型下向焊条推荐焊接工艺参数见表 3。在焊接过程 中， 因管口的焊接位置、 预热温度及层间温度不断变 化， 故焊接电流应随时调节， 以保证合适的操作 电流。 表 3 低氢型下向焊条焊接工艺参数 层 次 焊条直径 mm 电流极性 电流 A 电压 V 焊接速度 cm/ min 运条方法 打底焊3.2交流或直流反接70 12019 266 20直拉 第二焊、 填充 焊及盖面焊 第二层 第三及以后 各层 3.2 4.0 4.0 4.8 交流或直流反接 交流或直流反接 90 14020 2710 30 120 21021 3015 35 90 14020 376 25 120 21021 3010 35 直拉或轻摆动 直拉或轻摆弧 2. 5 管口组对与点焊 现场多采用拉板点焊及坡口内直接点焊的方 法。结构拘束度大时， 焊接接头内的拘束应力和残 余应力也大， 不利于抗裂。在大厚度和管道组对复 杂时， 其刚性也大， 会导致拘束应力和残余应力增 加； 强力组装点焊或增设拉承附件等其拘束应力也 会随之增加， 使抗裂性降低。据调查结果看， 装配点 焊处的裂纹占全部焊接裂纹的 26%。因为点焊处 拘束应力大， 且冷却快易淬硬脆化， 这也是管道接头 区易产生裂纹的重要原因之一。因而， 管道组对接 口宜松弛且对正， 点焊时应除锈去污、 焊肉饱满， 其 点焊工艺与正式焊接工艺相同。管口组对尺寸按 Q/ GDGJ000291 管道全位置下向焊接操作规程 进行 （见表 4） 。 表 4 管道下向焊接管口组对尺寸 焊条类型 单边坡口角 / （） 钝边高度 F/ mm 对口间隙 g/ mm 最大错边量 mm 错边长度 纤维素型焊条 低氢型焊条 推荐范围30 351.2 2.01. 2 2. 00. 8 容许范围25 37.50.6 2.40. 8 2. 01. 6 推荐范围30 350.8 1.62. 4 3. 21. 2 容许范围27.5 400.8 2.42. 0 3. 61. 6 连续长度不超过周长的 10% 06化 工 设 备 与 管 道2006 年第 3 期 w w w . b z f x w . c o m 2. 6 焊缝清根与打磨 采用电弧气刨清根的方法较好， 对厚度较大的 16Mn 管道， 使用规范为碳精棒采用 B507 或 B508， 额定电流 400A， 操作电压 35 40V， 操作电流 300 340A， 空气压力 0. 4 0. 6MPa。刨后坡底呈 U 形， 槽底半径 R$3 5 !， 并将封底焊两侧熔合线处的 缺陷刨净， 特别是将点固处清除干净。刨后采用高 速砂轮将刨口处的氧化层、 淬硬层及渗碳层磨掉， 打 磨深度大于 2 !。打磨后的坡口圆滑整齐， 均匀过 渡， 经着色检查直至无裂纹、 气孔等缺陷为止。 2. 7 焊接层数及线能量的确定 在中厚壁钢管手工电弧焊中， 应采用多层焊， 但 根据多年试验和经验表明， 层数过多易带来负面影 响， 主要是焊缝区受到焊接热循环次数过多易导致 管材性能劣化、 引发焊接裂纹。应在保证材料晶粒 度细小的前提下， 尽可能地减少焊接层数。对于低 碳钢及普通低合金钢16Mn， 一般按下式选取焊接层 数： n = S/ d （式中， d 为焊条直径， mm； S 为管道壁 厚， mm） 。此外， 管道壁厚不同， 焊道亦不相同， 实 际操作中， 管道的焊道数量通常按表 5 选取。 表 5 长输管道焊接的推荐焊道数量 管道壁厚 mm 67 89 1010 12 焊道数量3 44 55 66 8 线能量是综合评定焊接工艺参数的重要技术指 标。线能量过大过小均影响管材的使用性能。因 此， 应在焊接工艺参数合理的原则下选择合适的线 能量。这主要由当时具体情况下进行的工艺评定予 以确 定。如 在 某 地 施 焊 壁 厚 为 10mm 的 钢 管 （16Mn） ， 使用4mm 的 E5015 （结 507） 焊条， 电弧 电压 20 22V， 焊接电流 120 160A， 输入线能量在 12 38kJ/ cm， 焊后质量经检验良好。 2. 8 其它措施 （1） 应注意焊接始端和终端的质量。始端采用 后退引弧法， 终端须将弧坑填满。多层焊的层接接 头应错开。 （2） 拆除工、 卡具时不得伤及管道。拆除后应 打磨平滑， 并进行磁粉或渗透探伤检查。 （3） 宜采用连续焊焊接每条焊缝， 不得随意中 断， 如因故中断时， 应根据工艺要求采用预热措施， 以防止产生裂纹。再进行焊接前， 确认无裂纹后方 可按原工艺要求继续施焊。 （4） 焊接后宜立即对焊缝进行后热消氢处理， 按要求保证加热温度与持温时间。 （5） 焊缝处如出现气孔、 裂纹等缺陷， 应磨去重 焊。但要严格控制返修、 补焊工艺。 （6） 焊缝同一