油气管道在线焊接质量影响因素和解决措施

油气管道在线焊接修复可在管道不停输情况下完成封堵换管、套管焊接修复、补板焊接修复、带压开孔等作业，相比传统管道修复方法可大幅度缩短修复周期，保证生产正常运行。由于在线焊接修复过程中管道内仍有高压介质输送，存在较大技术难度，如果焊接工艺参数选择不当或者操作不规范，会发生氢致开裂、烧穿等问题，严重影响焊接质量，为管道运行埋下安全隐患。

本文通过梳理在线焊接可能发生的焊缝质量问题及解决措施，综合分析影响焊接质量的各类因素及作业要求、焊接工艺及注意事项。

焊缝氢致开裂是指管道由于焊接热的作用，导致局部区域温度快速上升，在管道内介质压力的作用下，环境氢扩散至焊缝中，由于焊缝受介质流速影响冷却速度过快，进入到组织中的氢来不及析出而引发裂纹[1]。

氢致开裂主要由焊缝中的氢含量、淬硬相和应力状态决定。为预防氢致开裂的出现，可以通过低氢焊接工艺有效降低焊缝中的氢含量，同时在焊接前进行预热且控制多道焊的层间温度以有效降低焊缝冷却速度，减少热影响区应力集中，加快氢的扩散。回火焊道工艺也可有效改善焊缝的组织结构，降低马氏体比例而减少氢致开裂的发生。氢致开裂通常出现在应力集中区域，例如焊趾处或者焊缝根部，为减小外应力，避免焊缝中出现氢致裂纹，可以在套管的安装过程中减少应力集中，例如减少套管和管道之间的空隙等。

烧穿是指焊接过程中管道受焊接电弧的作用，焊缝区域温度瞬时升高，当熔池中熔化金属的瞬态残余强度低于管内压，就会造成管壁失稳烧穿。烧穿的模式分为两种：一种为材料本身在高温下的强度损失，不能承受内部介质压力而发生塑性失稳；另一种为焊接过程中焊接热过大而发生的直接焊穿。使用低氢型焊条并控制热输入量可减少焊缝的熔透深度，有效预防烧穿发生。通过管内壁最高温度可预测烧穿是否发生，若焊缝内壁峰值温度低于982℃，采用正常的低氢焊接流程就不会发生烧穿；若温度远高于982℃，则在管内压力较低时也会发生烧穿。美国石油学会标准API 1104―2005《管道和相关配件的焊接》规定采用管道在线焊接工艺进行修复的最小管道壁厚为6.4 mm，与石油天然气行业标准SY/T 6554―2003《在用设备的焊接和热分接程序》规定的12.8 mm不同。

管道焊接时焊缝在内部介质压力作用下会发生塑性变形，在冷却过程中变形区形成较大的残余应力。而疲劳裂纹对应力集中的区域非常敏感，由于疲劳裂纹受周期性载荷的影响会扩展，焊接接头处的性能变化较大，往往是疲劳裂纹扩展与萌生的主要区域。疲劳裂纹的扩展行为通常与晶界的结构有关，受焊接热循环和管内压的影响，焊缝热影响区的不同区域会发生相变和塑变，晶界结构和晶粒取向发生变化，从而降低焊缝的疲劳裂纹扩展寿命。

焊接过程中熔池下方的管壁受到高温及管内介质压力的作用，碳氢化合物会向管壁内部扩散，碳含量的增加会促使管壁材料向脆硬的马氏体组织转变，进而萌生裂纹，将大大降低焊接接头的力学性能，在后期使用过程中极易发生失效。如果输送介质中含有不饱和碳氢化合物，在焊接过程中会进一步分解放热，加快碳氢化合物在管道内壁的扩散。管壁温度达到1130 ℃时，材料发生共晶反应生成低熔点共晶组织，在热应力的作用下还会出现热裂纹。

当输送介质中存在H2S，在线焊接时局部焊缝温度升高和管道内介质压力共同作用会促进材料裂纹尖端的阳极溶解，发生应力腐蚀开裂。研究表明，金属材料的微观组织晶粒越细小，其抗应力腐蚀开裂的性能越好[2]。而焊缝受焊接热应力、介质压力等因素影响，其热影响区会生成较大的晶粒，所以接头热影响区对应力腐蚀开裂的敏感性较低。

（1）壁厚。一般认为管道壁厚超过6.4 mm是预防烧穿的最小厚度，在限制焊接热输入的情况下，超过3.2 mm的管道壁厚不易发生烧穿。进行管道热开孔可接受的最小壁厚为4.8 mm，如果管道壁厚小于4.8 mm，必须选择合理的焊接工艺才可以确保焊接成功。标准SY/T 6554―2003规定大多数焊接所推荐的母材厚度下限值为4.8 mm，实际在线焊接时的母材最小壁厚应为强度设计壁厚加上安全余量，安全余量通常取2.4 mm。

（2）材质。对于不同材质的钢材，由于存在物理性能、焊接性能的差异，在线焊接时会造成焊接热源热传导效果不同，对焊接温度场和应力场的分布产生非对称的影响。

（3）介质流速。过快的介质流速会带走焊接过程中的热量使焊接接头的淬硬倾向增加；过慢的介质流速会导致接头热量聚集引起烧穿。在线焊接过程中，管道内液体介质流速不超过2 m/s或气体介质流速不超过7 m/s方可进行焊接，附件安装焊接时液体介质流速不大于5 m/s，气体介质流速不大于10 m/s。

（1）预热方法与温度。预热可使接头硬度下降，有助于扩散氢的排出，预防氢致裂纹出现。目前国内外通常采用辐射加热、传导加热和感应加热等三种预热方法。感应加热在热效率方面比传导加热更有优势并且能预防氢致开裂。国内普遍采用感应加热器预热和火焰加热器预热，在考虑成本因素下，通常可采用环形火焰加热器。预热温度在93 ℃～121 ℃之间可以促进氢的扩散，在线焊接过程中通常可接受的最小预热温度约为56 ℃，204 ℃～232 ℃为预热温度的上限。

（2）焊后处理。在高寒地区进行管道在线焊接时，环境因素会导致焊缝的冷却速度加快，淬硬倾向增加，焊前预热和维持层间温度作用均不明显。针对这一问题通常在焊接后尽快进行热处理，降低冷却速度。PRCI（国际管道研究协会）规定在线焊接焊后热处理温度范围为93 ℃～121 ℃，并且热处理完成后要及时进行保温，可有效降低氢含量减少氢致裂纹发生的可能性，确保焊缝质量。在线焊接后对焊缝进行150 ℃～250 ℃保温焊后热处理和300 ℃～400 ℃保温去除扩散氢热处理可有效防止氢致裂纹产生。焊后热处理时间根据热处理温度和焊缝金属决定，一般不小于30 min。

（3）热输入量。热输入量以焊接线能量为指标，在不发生烧穿的情况下需对线能量进行平衡计算。

国内热输入量计算公式通常为：

式中Hi为热输入量，J/mm；K为焊接系数，对焊时K＝0.85，角焊时K＝0.57；V为焊接电压（取平均值）， V；A为焊接电流（取平均值）， A；S为焊接速度（取平均值）， mm/s。

通常，较高的线能量可减少接头热影响区的淬硬倾向，较低的线能量可预防烧穿。无论选择什么方法控制热输入量，都应在作业前使用试验板进行焊条熔敷测试，以确保热输入量的合理值。

（4）焊条直径。焊条直径是由壁厚、焊接层次、焊缝形式等因素决定，通常在给定热输入条件下，采用小直径的低氢焊条更加安全。标准SY/T 6554―2011《石油工业带压开孔作业安全规范》规定，金属厚度小于6.4 mm 的设备或管道系统，第一个焊道应使用2.4 mm或更小直径的焊条来限制热输入量。设备或管道的厚度不超过12.7 mm，随后的焊道应使用3.2 mm或更小直径，若超过12.7 mm，不需重点考虑焊穿，可以使用较大直径的焊条。

（5）层间温度。针对层间温度控制范围，通常其最小值应超过预热温度最小值，但在线焊接采用多种焊接工艺，因此其层间温度最小值可以低于预热温度最小值。

（6）焊接顺序。管道在线焊接顺序会直接影响焊缝质量，两道焊缝不应同步进行，应在完成一道焊缝后，再焊接另一道。套管、对开三通等较大的焊接结构件，需要进行多层多道焊。焊接顺序对残余应力应变有较大影响，是影响氢致裂纹的重要因素，因此合理安排好焊接顺序可降低焊接残余应力，保证焊接质量。