油气田地面工程第２９卷第６期（２０１０．６） ７５ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—６８９６．２０１０．０６．０４２ 油气管道在役焊接技术进展 岑康 李薇 王大创 张建华。 ｌ西南石油大学建筑工程学院２长庆油田采油二厂３华油集团华阳天然气公司 摘要：目前，在国内外油气管道的在役焊接领域基本上均采用手工电弧焊的焊接方法，采用 的焊条主要为低氢型焊条，也有个别根焊采用气体保护焊，填充焊和盖面焊采用手工电弧焊的焊 接方式，而在长输干线建设中应用广泛且具有较高涂敷效率的半自动焊和自动焊尚未引入管道在 役焊接领域。国外一些研究机构也已注意到这方面问题，并着手开始研究，研制了适用于在役套 管修复焊接的全自动焊机，但该类型设备目前还仅处于室内试验阶段，还未正式用于油气管道现 场的在役焊接作业。 关键词：油气管道；．在役焊接；烧穿；氢致裂纹 １ 在役焊接安全性研究现状 量，以防止出现烧穿。ＳＹ／Ｔ ６１５０标准也明确要求 壁厚小于５ ｍｍ的油气管道，不允许带压施焊。 １．１烧穿的控制 （３）用有效剩余壁厚预测烧穿。Ｓａｂａｐａｔｈｙ等 （１）用管道内壁温度预测烧穿。美国ＢＭＩ 人提出用管道的有效剩余壁厚来预测烧穿，即将管 （Ｂａｔｔｅｌｌｅ Ｍｅｍｏｒｉａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）和ＥＷＩ（Ｅｄｉｓｏｎ 道看成是有缺陷的管道，将在役焊接时由于局部高 Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）两家研究机构通过一系列在役 温引起管壁强度的降低转换成管道的有效剩余壁 焊接试验研究后认为：使用低氢焊条进行在役焊接 厚，然后利用相应的管道剩余强度评定准则，预测 时，管道内壁温度低于９８０℃时不会发生烧穿；采 在役焊接时管道发生烧穿的可能性。管道剩余强度 用纤维素型焊条时，内壁温度低于７６０℃时不会发 的评价方法可参考美国机械工程师协会的Ｂ３１Ｇ准 生烧穿。这种烧穿判断方法考虑因素较为单一，具 则、改进的ＲＳＴＲＥＮＧ准则以及国内的ＳＹ／Ｔ 有较好的可操作性。但后期进一步研究表明，该方 ６４７７和ＧＢ／Ｔ １９６２４标准。 法过分强调了焊接热输入对烧穿的影响，而没有考 （４）用管道径向变形量预测烧穿。Ｓａｂａｐａｔｈｙ 虑到管道内部介质压力、材料高温性能以及焊缝区 等人从管道内压力和焊接时熔池区管壁强度减少的 应力变化等因素的影响。此外，Ｏｄｄｙ等人通过试 角度探讨了压力对烧穿的影响，提出可采用管道径 验研究也发现，随着高强度管线钢的出现，管道壁 向变形量作为烧穿的评判依据，并将１ ｍｉｌｌ的径向 越来越薄，很难保证管道内壁最高温度在９８０℃以 变形量作为发生烧穿的临界状态；而Ｂｏｒｉｎｇ等人 下，该方法在此情况下显得过于保守。由于只需对 的研究结果表明，应将０．３８ ｍｍ的径向变形量作 在役焊接过程中的焊接热循环进行分析，该方法使 为发生烧穿的临界状态。 用较为简便，仍是目前用于判断烧穿的常用方法。 １．２氢致裂纹的预防 （２）用管道最小壁厚预测烧穿。管道壁厚对在 （１）氢源的控制。焊缝中的氢主要来源于焊接 役焊接烧穿的发生有着不容忽视的作用。Ｏｔｅｇｕｉ 材料和外界环境中的水份、管内介质中的含氢化合 等人对输气管线的最小可焊壁厚与压力、流速的关 物、焊件坡口处的铁锈和油污等。在上述来源中， 系进行了研究，结果发现当管道内压为５．８８ ＭＰａ 管内介质成分无法改变，因此，主要是通过对焊件 时，最小可焊厚度为４．６５ ｍｉｌｌ，而管道内压分别 坡口进行认真清理并选择干燥的低氢型焊条，以及 降到４．７０、３．５３ ＭＰａ时，最小可焊厚度却增大为 采用低氢焊接工艺等来实现对氢源的控制。 ４．８０、５．３０ ｍｍ。Ｋｉｅｆｎｃｒ等人研究发现，当使用 （２）硬度的控制。目前，国内外研究的重点放 低氢型焊条进行在役焊接时，若管壁厚度大于或等 在降低热影响区硬度和防止敏感组织生成的方法 于６．４ ｍｉｌｌ，不会发生烧穿。ＡＰＩ １１０４标准也提出 上。在工程应用中，通常将热影响区硬度作为氢致 壁厚大于或等于６．４ ｍｍ的管道，正常情况下不会 开裂的评价指标，并将ＨＶ３５Ｏ作为不产生氢致开 出现烧穿的危险。若壁厚小于６．４ ｍｍ，在役焊接时 裂的硬度安全上限。 应采用计算机模拟热分析或其他方法确定热输入极 （３）残余应力的预测和控制。管道焊后的残余 ７６ 油气田地面工程第２９卷第６期（２０１０．６） 应力除引起氢致开裂，还可能导致疲劳破坏。目 面的研究还不够彻底，还没有建立统一的烧穿判断 标准，已建立的用管道内壁温度、最小壁厚、有效 前，对焊后残余应力的预测主要通过有限元模拟得 到。对于残余应力的控制问题，通常都采用焊前、 剩余壁厚、径向变形量以及组合方式等来判别烧穿 的方法均是间接研究在役焊接失稳的方法，其对不 同管材的适应性也尚待进一步验证。 焊后预热，合理的焊道顺序和安装时合理装配等措 施来减少焊缝根部的应力集中。 ２ 工艺评定、方法、材料及技术标准 ＡＰＩ １１０４规定了油气管道在役焊接工艺评定 内容，推荐了用于工艺评定的模拟试验方法，并明 （２）数值模拟是在役焊接研究的重要手段，但 管材高温性能数据的缺乏以及管内换热系数随管道 内壁温度变化规律不清等问题严重制约了数值模拟 精度。 确指出不能用计算机数值模拟的方法替代焊接工艺 （３）在长输干线建设中应用广泛的具有较高涂 评定，且焊接试验条件应与施工现场相同或更恶 劣，即管内既要有压力也要有流量。目前，国内外 在进行油气管道在役焊接工艺评定时采用的方法主 要为静态试验和动态试验两阶段模拟试验法。该方 法包括静态试验和动态试验两阶段内容，即采用静 态试验模拟管道带压情况下的焊接以验证烧穿问 题，采用动态试验模拟管道有流量下的焊接以验证 氢致裂纹问题。 目前，国内外油气管道的在役焊接领域基本上 均采用手工电弧焊的焊接方法，采用的焊条主要为 低氢型焊条，也有个别根焊采用气体保护焊，填充 焊和盖面焊采用手工电弧焊的焊接方式，而在长输 干线建设中应用广泛且具有较高涂敷效率的半自动 焊和自动焊尚未引入管道在役焊接领域。国外一些 研究机构也已注意到这方面问题，并着手开始研 究，研制了适用于在役套管修复焊接的全自动焊 机，但该类型设备目前还仅处于室内试验阶段，还 未正式用于油气管道现场的在役焊接作业。 目前，油气管道在役焊接可供借鉴的标准主要 有ＡＰＩ １１０４、ＡＰＩ ＲＰ １１Ｏ７以及ＳＹ／Ｔ６ｌ５０。其 中，ＡＰＩ １１０４标准主要是通过对焊工资格、焊接 工艺、材料和设备，以及对无损检测规程、设备和 无损检测人员资格的控制，以保证焊接质量，适用 于输送原油、成品油、天然气、二氧化碳和氮气的 长输管道及泵站的安装和焊接，也可用于集输和分 输管网的安装和焊接，其附录Ｂ有专门针对油气 管道在役焊接的推荐操作；ＡＰＩ ＲＰ １１０７标准提供 了管道系统高质量的维修焊接方法，适用于输送原 油、成品油和天然气的长输管道，以及压气站、泵 站的维修气焊和电弧焊，也适用于集输和分输管网 的维修焊接；ＳＹ／Ｔ ６１５０标准规定了管道不停输 机械封堵施工作业的技术要求，给出了不停输开 孔、机械封堵的作业指南，适用于各种口径的油气 管道不停输（停输）机械封堵。 ３ 存在的问题 （１）目前，国内外对在役焊接烧穿失稳机理方 敷效率的半自动焊和自动焊尚未引入管道在役焊接 技术领域。 （４）我国在役焊接方面的标准还不健全，已有 的标准也是参照ＡＰＩ标准制定的，对实际工程的 指导性不强。 ４ 结语 目前，我国油气管道的修复还是以泄压停输修 复为主，对于在役焊接修复抢修和不停输带压开孔 等新技术，国内石化行业也时有采用，但大多凭经 验操作或参考国外的施工工艺。 （１）针对目前国内老油气管道管材主要为 Ｑ２３５、１６ Ｍｎ和新管道管材主要为Ｘ５２、Ｘ６０及 Ｘ７０的现状，建立各类常用管材的高温性能参数数 据库，分门别类地研究各类材质管道与管道运行和 结构参数，如介质类型、流速、压力、管径及壁厚 等对焊接工艺和安全性的影响规律，选取符合在役 焊接操作安全性要求的焊接工艺参数。在此基础 上，制定出能适用于各类管材现场施工要求的具有 较好可操作性的在役焊接工艺标准。 （２）从尽可能减少在役焊接工艺评定次数，降 低工程费用的角度出发，开发一套基于ＳＹ— ＳＷＥＬＤ等专业焊接模拟软件平台，易于现场焊接 工程师掌握和使用的油气管道在役焊接工艺专家系 统实为必要。该系统应具有较为简单和友好的输入 输出界面，现场工程师只需完成相应管道结构参 数、运行工况参数和焊接工艺参数等数据的输人， 对相应计算结果进行分析，即可初步评判在役焊接 工艺的安全性，而无需对其计算分析的内核有精深 的了解，以利于现场使用。 （３）将具有较好可操作性的半自动焊接技术引 入在役焊接领域，选择合适焊材并对其焊接工艺参 数进行深入研究，以充分发挥半自动焊涂敷效率 高，成形效果好等优越性。 （栏目主持焦晓梅）