孫寶龍 王志方 宋紅兵

中國石油西氣東輸管道公司南京應急搶修中心

 

摘  要： 通過(guò)對中國石油西氣東輸管道公司近年來(lái)加裝B型套筒過(guò)程中出現問(wèn)題的原因分析，提出了質(zhì)量管控措施，可為大口徑高鋼級長(cháng)輸管道加裝B型套筒動(dòng)火作業(yè)現場(chǎng)管理提供參考。

關(guān)鍵詞： B型套筒；焊縫；裂紋；檢測

 

中緬管道“7·2”“6·10”及泰青威管道“3·20”等事故發(fā)生后，大口徑高鋼級長(cháng)輸管道環(huán)焊縫缺陷的排查和修復提上了重要日程。 B型套筒與換管修復相比，具有開(kāi)挖量小、對工藝運行影響小、無(wú)需停輸放空及氮氣置換等優(yōu)點(diǎn)，國內外相關(guān)技術(shù)規范規定其為永久修復方式。

國內B型套筒材質(zhì)均為Q345R普通容器鋼，近來(lái)部分單位正在研發(fā)高鋼級B型套筒，但大多處在試驗階段，技術(shù)尚不成熟，現場(chǎng)應用較少。目前，公司累計焊接B型套筒47處，共發(fā)現9處環(huán)向角焊縫出現了延遲裂紋，其他管道企業(yè)在大口徑高鋼級管道B型套筒焊接中也出現了裂紋缺陷。本文通過(guò)分析缺陷產(chǎn)生原因，從作業(yè)管控方面提出了改進(jìn)措施。

1 B型套筒安裝工序

1.1 組對

作業(yè)坑開(kāi)挖完成后進(jìn)行管道防腐層剝離、打磨，吊裝B型套筒，加裝墊板、引弧板。組對要保證套筒與主體管道環(huán)向間隙均勻，縱焊縫組對間隙要求3～6 mm�？v焊縫與管道之間必須加裝墊板，避免縱焊縫焊接過(guò)程中與管道焊接在一起，組對后的情況見(jiàn)圖 1。

1.2 縱焊縫焊接

焊接前必須在縱焊縫兩側墊板上加裝引弧板，加裝方法見(jiàn)圖 2。兩道縱焊縫同時(shí)進(jìn)行預熱及焊接，焊接方向見(jiàn)圖 3。預熱溫度要求100 ℃以上，根焊、熱焊后自然冷卻，進(jìn)行干式磁粉檢測；填充50%后焊接退火焊道，自然冷卻，第二次干式磁粉檢測；縱焊縫填充蓋面最后焊接回火焊道，自然冷卻后濕式磁粉、超聲、相控陣檢測。焊接過(guò)程中所有焊道接頭要錯開(kāi)。

                

1.3 環(huán)向角焊縫焊接

先進(jìn)行下游側環(huán)向角焊縫預熱，預熱溫度要求80 ℃以上。由于管道內介質(zhì)流速較大，加熱設備能力受限，保證焊口預熱溫度較為困難，要根據情況降低介質(zhì)流速。焊接預堆層、根焊、熱焊后，緩慢冷卻（通過(guò)緩慢降低中頻功率實(shí)現）后干式磁粉檢測；環(huán)向角焊縫填充50%，焊接退火焊道，緩慢冷卻后干式磁粉檢測；環(huán)向角焊縫填充蓋面，完成蓋面后立即將焊道加熱到200～350 ℃保溫2小時(shí)進(jìn)行焊后熱處理。下游側環(huán)向角焊縫保溫的同時(shí)可以開(kāi)展上游側環(huán)向角焊縫焊接，工序同上。為了保障焊接過(guò)程中層間溫度不低于80 ℃，所有焊道均需分區分段焊接，分區情況見(jiàn)圖 4。

                

焊接過(guò)程中，焊道1、 2、 3、 4、 5為預堆層，見(jiàn)圖 5所示，焊道6為回火焊道，焊道7、 8、 9（根焊及熱焊）交替焊接。采用的分區分段、回火技術(shù)、退火技術(shù)是最先進(jìn)的在役維搶修技術(shù)，可有效防止快速冷卻造成的氫致裂紋等問(wèn)題，焊工需要接受專(zhuān)業(yè)培訓。

1.4 檢測

緩慢冷卻后整體進(jìn)行濕式磁粉、超聲、相控陣檢測。磁粉可檢測表面或近表面缺陷，相控陣可高效率掃查焊縫，可檢出焊縫內部氣孔、夾渣、未熔合、裂紋等多種缺陷，對相控陣檢測出的缺陷可用超聲檢測復核。

1.5 缺陷處理

角焊縫的返修補焊一般執行原焊接工藝，但需注意將缺陷打磨去除前需要預熱，并在整個(gè)打磨、補焊中保持預熱溫度。如果缺陷位于淺表，打磨量未超過(guò)1 mm則打磨后圓滑過(guò)渡，可不進(jìn)行補焊。如需要補焊，則打磨長(cháng)度至少50 mm（未包括圓滑過(guò)渡段）。如缺陷在預堆層，則補焊后要重新蓋面，即重新補焊圖 5中5、 6、 18～23焊道；如缺陷在焊縫中部，則只對缺陷處進(jìn)行補焊即可，但至少補焊3道，第3道為前2道回火。

2 存在問(wèn)題

2.1 延遲裂紋

延遲裂紋（圖 6）主要來(lái)自三大因素：一是氫的存在，二是應力存在，三是有氫致開(kāi)裂傾向的焊接組織，典型特點(diǎn)是硬度過(guò)高，原因是碳當量過(guò)高、冷速太快。

（1）氫的存在。大部分B型套筒焊接需在非停輸狀態(tài)進(jìn)行。根據GB/T 28055―2011《鋼質(zhì)管道帶壓封堵技術(shù)規范》和SY/T 6150.1―2017《鋼質(zhì)管道封堵技術(shù)規程第1部分：塞式、筒式封堵》， 1 016 mmX70、 1 219 mm X80管道焊接壓力在7～10 MPa，要求流速小于10 m/s（部分焊接工藝規程配套施焊作業(yè)指導書(shū)要求7 m/s），如此高壓力高流速狀態(tài)下管道內部快速流動(dòng)的帶壓氣體帶走焊縫區域的大量熱量，焊接時(shí)不易保證預熱及層間溫度（80 ℃以上），焊接操作過(guò)程中劇烈的溫度變化所導致的金屬結構變化，致使產(chǎn)生裂紋的可能性大大增加。

（2）應力及焊接組織。管道、套筒自身材質(zhì)問(wèn)題所產(chǎn)生的局部硬點(diǎn)，以及焊接過(guò)程中溫度變化所產(chǎn)生的熱脹冷縮都會(huì )產(chǎn)生局部應力集中，環(huán)向角焊縫組織應力偏高，促進(jìn)了延遲裂紋的萌生和擴展。

2.2 外觀(guān)成型差、咬邊、未熔合

圖 7中焊縫外觀(guān)成型差，這與焊縫質(zhì)量有直接關(guān)系，如焊工水平、是否按規程操作等。焊接電流過(guò)大或焊接速度過(guò)快易導致咬邊，圖 7劃線(xiàn)處，咬邊處極易產(chǎn)生焊趾裂紋。

另外，如果安裝時(shí)B型套筒與管道間隙較�。ㄐ∮�1 mm），當預堆層距離B型套筒端面較近時(shí)，易導致套筒與管道相連的第一道焊縫（根焊）未熔合。

2.3 B型套筒材質(zhì)和焊接材料

（1） B型套筒質(zhì)量。包括套筒本體是否存在分層、坡口裂紋、筒體變形等，以及B型套筒材質(zhì)含碳量是否超標等。

（2）焊材問(wèn)題。焊材可能存在不合格、過(guò)期，以及牌號錯用，保存、使用不當造成性能改變等問(wèn)題。

2.4 其他問(wèn)題

（1）目前B型套筒焊縫無(wú)損探傷標準（規范）不統一。

（2）角焊縫檢測無(wú)相控陣系列專(zhuān)用對比試塊。

（3）相控陣檢測準確度、檢出率有待進(jìn)一步確認。

3 管控措施

3.1 規范焊接工藝規程

委托有資質(zhì)單位對焊接工藝規程進(jìn)行升級。焊評模擬最?lèi)毫庸�況，模擬測試多種參數下的焊接過(guò)程并進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)，給出最優(yōu)化方案，確保在現場(chǎng)施工時(shí)具備可操作性。焊評對各個(gè)施工步驟提出明確的指導意見(jiàn)，包括工藝選擇、焊材選擇、預熱和焊后熱處理標準和具體流程等。

3.2 嚴格按照規程施焊

施焊過(guò)程中嚴格按照該規程要求，管控流速、壓力、溫濕度、風(fēng)速等關(guān)鍵因素，加裝縱焊縫墊板、引弧板。根據焊工特點(diǎn)優(yōu)化班次，由技師等水平較高的焊工負責打底、蓋面等關(guān)鍵工序焊接。邀請焊接工藝評定單位專(zhuān)家到現場(chǎng)監督指導，確保每一個(gè)施工細節均符合焊接工藝要求。編制B型套筒安裝檢查記錄表，詳細記錄焊評要求的相關(guān)要點(diǎn)，做到有據可查，為后續進(jìn)一步分析做好準備。將組對情況、墊層、退火焊道、回火焊道等關(guān)鍵點(diǎn)作為停檢點(diǎn)，檢查合格方可進(jìn)入下一工序。

3.3 選擇含氫量較低的焊接方式

選擇低氫、高質(zhì)量焊材，盡量避免在濕度較高的 環(huán)境下施焊。調研國內外大功率中頻加熱器，擇優(yōu)進(jìn)行現場(chǎng)試用，指導廠(chǎng)家進(jìn)行改進(jìn)，確保高流速下在線(xiàn)焊接的預熱及層間溫度滿(mǎn)足焊接工藝規程要求。選用彈出式焊條保溫桶，通過(guò)撥動(dòng)手柄每次只彈出一根焊條，用一根取一根，確保規范操作的同時(shí)大大提高了效率。

3.4 安裝前確認B型套筒質(zhì)量

安裝前對B型套筒進(jìn)行分層檢測和磁粉檢測，確保筒體無(wú)分層、坡口無(wú)裂紋等缺陷。

3.5 提高組對精度

核實(shí)B型套筒外形尺寸合適無(wú)變形，在B型套筒與管道間墊焊條等方式提高組對安裝精度，保證間隙均勻，方便施焊，進(jìn)而提高焊接質(zhì)量。根據焊接厚度要求及組對間隙，確定焊接寬度并在管道母材劃線(xiàn)，確保焊道邊緣整齊。

3.6 進(jìn)行焊后熱消氫處理

環(huán)向角焊縫焊接完成后立即對焊接位置加熱到200 ℃～350 ℃后保溫2小時(shí)進(jìn)行熱處理。

3.7 工藝及環(huán)境選擇

由于B型套筒在線(xiàn)焊接時(shí)管道無(wú)需停輸，對生產(chǎn)運行影響較小，因此在選擇作業(yè)時(shí)間時(shí)較換管作業(yè)相對靈活，可根據管道輸氣量、天氣等條件，擇優(yōu)選擇環(huán)向角焊縫焊接時(shí)間（縱焊縫焊接對工藝無(wú)影響，可隨時(shí)進(jìn)行），盡量選擇輸氣量低（流速低，預熱及層間溫度易保持）、天氣好（濕度低）的情況下進(jìn)行，并采用有效的防風(fēng)防雨措施，確保焊接質(zhì)量。

3.8 積極開(kāi)展技術(shù)研究

開(kāi)展高鋼級 B型套筒研究 ，以便減薄套筒壁厚，減小焊接工作量。開(kāi)展B型套筒全自動(dòng)焊接技術(shù)應用試驗，進(jìn)一步保證焊接質(zhì)量。

4 小結

針對B型套筒焊接過(guò)程中出現的延遲裂紋缺陷，提出了質(zhì)量管控措施，可為現場(chǎng)作業(yè)提供參考。如何完全避免產(chǎn)生延遲裂紋，還需要進(jìn)行多方位研究。

 

作者：孫寶龍， 1976年生，高級工程師， 2006年碩士畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣儲運專(zhuān)業(yè)，現主要從事天然氣管道應急搶險技術(shù)管理工作。