压力管道焊接难点在哪里？

前言

压力管道在线焊接时管道或设备内部存在流动的介质，所以，主要有两个难点：1）在线焊接过程中的局部高温，会使材料局部失去其强度，从而在内压作用下发生烧穿或爆破；2）管道内流动的介质会带走大量的热量，加速了焊缝的冷却，从而增加了焊缝热影响区产生裂纹的可能性。

烧穿有两种可能的失效模式，一种是直接焊穿，这是一种塑性失稳；而另一种更重要的问题是材料在温度接近熔点时发生破坏，详见图1。烧穿的发生取决于壁厚、熔深、操作压力和介质流速等因素的综合影响。如图2是管线烧穿因素示意图。

图1 烧穿的失效模式

图2 烧穿的影响因素

美国BMI研究所对API X55管的研究认为：982℃是不发生烧穿的最高安全温度。而当壁厚大于6.4mm时，在正常条件下使用低氢焊条焊接，内壁温度不可能达到982℃，因此不会烧穿。我国石油天然气行业标准SY/T6554中参照美国石油学会标准API RP2201，提出当管道或设备的厚度大于12.8mm时，烧穿不是在线焊接的主要问题，此时介质流动对焊接的冷却及烧穿的影响可以不计；而当厚度小于12.8mm时，则应注意控制热量输入以防止烧穿。

为了控制焊接时焊缝区的温度，实际操作时可采用间断焊（即焊接一段时间，立即冷却一段时间，然后再重复该过程直至焊接结束）。现在也有采用计算模拟分析，及相关的静态、动态模拟试验来判断管壁烧穿危险性的，最后确定焊接工艺，完成焊接工艺评定，并应用到实际管线的修复中。

氢致裂纹是在线焊接的另一个问题，控制焊接工艺防止HIC（氢致裂纹）比防止发生烧穿要困难得多，这是因为HIC与冷却速率、管材的化学成分及焊接中氢的含量有关。引起HIC必须有三个同时存在的条件：焊缝中氢的存在、容易发生HIC的微结构及焊接残余拉应力。国外研究的重点放在降低HAZ硬度和防止敏感组织生成的方法上。通常把硬度作为HIC的评价指标，美国EWI（Edison Welding Institute）研究认为HV350是硬度的安全上限。热影响区硬度通常由冷却速率和碳当量决定。无论焊接过程如何，硬度都随着热输入的增大而下降，但熔深也随之增加，烧穿的危险性亦增加。冷却速度将会影响氢致裂纹发生的可能性，也是在线焊接成败的关键。

减少氢致裂纹产生的方法是：（1）使用低氢型焊条；（2）采用足够的热输入，克服由于流动介质的影响；（3）焊接时预热；（4）采用合理的焊道顺序；（5）合理的装配以减少焊缝根部的应力集中。

回火焊道技术使用得当，能可靠控制焊接接头的硬度，回火的效果与焊道位置、焊接顺序及所采用的热输入有关，也可采用小热输入多层焊技术。图3是套管的焊接工艺，其中图3（a）是套管道焊缝的焊接顺序，图3（b）是套管与主管间角焊缝的焊道顺序图。焊接时，采用两个焊工对称焊接，按回火焊道的。

（a)

(b)

图3  套管的焊接工艺

方案布置盖面焊道，效果较好。在线焊接中，还会遇到支管的焊接，支管与主管道的焊接是两人同时焊接，焊前要先预热。图4是支管与主管道的焊接坡口及焊道顺序，该焊接顺序及焊道布置都是在线焊接中常用的，但若要使在役焊接工艺应用于实际生产，还应根据相应的规范做大量的模拟试验及工艺评定，确保在线焊接的成功及管道运行的安全。

图4 短管支管的焊接工艺