文章编号：1000-8241（2015）06-0586-04

油气管道在役焊接研究进展

王长罡1   姜征锋1   卢启春1   张存生1   刘志刚1   南立团1   陈朋超1   廖宪国2

1.中国石油管道公司，河北廊坊 065000；2.中原油田分公司天然气产销厂，河南濮阳 457000

摘要：油气管道在役焊接是管道修复和抢修的重要发展方向之一，从在役焊接影响因素和工艺评定两方面介绍了国内外油气管道在役焊接技术的研究进展。根据国内外在役焊接接头出现的失效研究案例，分析了影响管道在役焊接的主要因素，认为除烧穿和氢致开裂以外，介质热分解、管壁渗碳、管壁渗氢、应力腐蚀、疲劳等问题亦应成为焊接工艺评定的主要考虑因素。结合油气管道现场焊接经验，提出目前管道在役焊接所遇到的预热、层间温度难以达标等问题以及相关的解决方法。（图2， 参10）

关键词：油气管道；在役焊接；修复；工艺评定

中图分类号：TE832                     文献标识码：A                   doi：10.6047/j.issn.1000-8241.2015.06.004

Research progress on in-service welding of oil and gas pipeline

WANG Changgang1, JIANG Zhengfeng1, LU Qichun1, ZHANG Cunsheng1, LIU Zhigang1, NAN Lituan1, CHEN Pengchao1, LIAO Xianguo2

1. PetroChina Pipeline Company, Langfang, Hebei, 065000;

2. Gas Production and Marketing Plant, SINOPEC Zhongyuan Oilfield Company, Puyang, Henan, 457000

Abstract: In-service welding is one of the most important orientations of repairs of oil and gas pipeline. This paper presents the research progress on in-service welding technique of oil and gas pipeline in China and abroad from two aspects of influencing factors and process assessment. Based the failure cases of in-service welded joints and relevant studies in China and abroad, this paper analyzes the main factors influencing the in-service welding. It is pointed out that, in addition to burning through and hydrogen-induced cracking, medium thermal decomposition, pipe wall carburization, hydrogen permeation, stress corrosion and fatigue should be considered in welding assessment. Some problems in practical in-service welding operations, like preheating and difficulty in reaching the standards of interlayer temperature, and related solutions are proposed. (2 Figures, 10 References)

Key words: oil and gas pipeline, in-service welding, repair, process assessment

油气管道作为我国第五大运输行业，具有高效、安全、环保等优点，是连接油气资源与市场的桥梁和纽带。目前，我国进入管道大发展阶段，已建油气管道逾10×104km，每年新建管道逾0.5×104km，过快的管道建设速度，给管道的本体安全带来隐患。从施工验收、后期运行及检测情况看，我国管道焊缝中存在咬边、烧穿、夹渣、未融合、未焊透、焊接裂纹等缺陷，同时管道本体存在划伤、凹坑等施工缺陷。另外，我国老旧管道普遍采用沥青防腐层，老化现象严重，东北老旧原油管道经内检测均发现有大量腐蚀缺陷。在管体缺陷修复和管道泄漏抢修过程中，焊接是重要环节。在役焊接方法是管道修复和抢修的发展方向之一，可以保持管道运行的连续性，且修复时间短、速度快，具有巨大的经济、社会效益和广阔的应用前景。

在役焊接过程中，管内处于高压状态，如操作不当导致未熔管壁承压能力不足，将造成烧穿事故；管内介质高速流动形成天然的冷却系统，快速带走接头热量，易产生硬、脆相组织，诱发氢致裂纹；管道内壁高温、高压，致使临近的碳氢化合物介质发生复杂的物理、化学变化，将影响接头质量。另外，新建管道普遍采用X65以上级别的高强钢，与传统的碳钢相比，高强钢采用微合金化与控轧控冷相结合的生产工艺，通过细化晶粒、控制组织使其强韧化。在受热情况下，细小的组织极易受破坏，强度和韧性大大受损，故高强钢管道对焊接热循环更为敏感。

针对这些问题，欧美国家率先开展了管道在役焊接的研究、应用工作。美国Battle焊接研究所等机构通过数值模拟技术进行了大量的管道在役焊接研究。近年来，澳大利亚管道工业协会（APIA）一直将在役焊接作为其9个重要研究领域之一。美国石油学会1999年修订的第19版API 1104标准中，将在役焊接作为附录B写入其中。API 1107在管道维修的建议中指出，应该考虑管内流动介质对焊接冷却速度、焊接冶金及焊接接头力学性能的影响。2009年，国际管道研究协会（PRCI）针对管道在役焊接问题，开展了专项研究“Develop criteria/guidelines for welding on in- service chemical pipelines”，首次提出应该考虑输送介质的物理、化学性质对接头的影响。我国针对在役焊接的研究起步相对较晚，1994年中国科学院金属研究所首次进行在役焊接工艺研究，进行了运行管道在役焊接氢致开裂特征和防治路线的理论研究，取得了一些有价值的数据[1-2]。

1    在役焊接影响因素

传统的油气管道在役焊接主要考虑“烧穿”和“氢致开裂”两方面内容。然而，随着服役过程中接头质量问题不断暴露以及相关研究的不断深入，发现油气管道在役焊接内壁输送介质的热分解、渗碳、渗氢、应力腐蚀、疲劳等诸多因素也将对油气管道在役焊接安全构成威胁。

1.1    烧穿

烧穿的实质是未熔管壁是否有能力承受其所受到的应力，该应力由管内压力和外部附加应力（热应力和弯曲应力引起）共同产生。影响焊接烧穿的因素主要有管内压力、介质温度、管道壁厚、焊接线能量等。目前，普遍采用降低*大焊接线能量、控制*小壁厚等方法预防在役焊接烧穿的发生。Battle焊接研究所经过大量的热分析计算后，认为6.4mm是防止烧穿的安全壁厚。另外，如果输送介质中含有乙烯或其他不饱和碳氢化合物，在焊接高温、高压下，将分解放热，等同于提高热输入量，增加烧穿的可能性，应该注意防止管道内壁温度超过临界点。

1.2    氢致开裂

 氢致开裂一般有延迟性，不一定在施焊结束后马上呈现。影响氢致开裂的主要因素有含氢量、脆性相和应力3个方面。

 管道焊缝中氢的来源是多方面的。空气、药皮中的水分，管道表面的油质、冷凝水等为焊缝中氢的外部来源，可通过烘干焊条，清理焊接表面，采用低氢焊条等方法减少氢的来源，也可利用合适的预热温度和层间温度促进氢的向外扩散。管道内壁碳氢化合物或酸性介质在高温、高压下产生的氢也可扩散到管壁中，有必要针对输送介质进行管壁渗氢实验，根据实验结果，选择合理的焊接工艺，减少焊缝中氢的含量。

 脆性相是指在焊接过程中产生的HAZ淬硬组织，因其对氢较敏感，易产生裂纹。X65以上级别的高强管线钢晶粒细小，属亚稳状态，受热极易长大，如快速冷却，组织变脆的倾向更大。因此，避免焊接脆性相应该从控制冷却速率着手。传统方法是设置高标准的预热温度和层间温度来减缓冷却速率，然而在役焊接管内流动介质快速带走热量，使预热温度很难达标。为回避这一问题，英国天然气公司利用回火焊道对焊趾进行回火处理或进行焊后热处理，从而有效提高焊缝的韧性，但该方法对焊工技术要求较高。中国石油管道焊接培训中心提出利用分段加热的方法，进行局部预热，以满足预热要求，但尚未经过焊接工艺评定验证，该方法的有效性有待进一步确认。

 焊缝的应力可以来源于焊接的残余热应力、相变应力，也可以来源于管内介质压力和管道周围地质环境变化产生的外加应力等。

1.3    管壁渗碳

 焊接时管道内壁处于高温、高压状态，碳氢化合物介质中的碳有向管壁扩散的倾向，在管道内壁形成渗碳层。由于碳含量大幅提高，加之冷却过快，渗碳层极易转变成硬脆的马氏体组织，诱发氢致裂纹。如果管道内壁局部温度达到1130℃，则可以形成共晶组织，该组织具有低熔点的特性，在焊接热应力作用下可以形成裂纹，即所谓的热裂纹，该情况在气体和液体管道均有相关报道[3-4]。在PRCI专项研究中，给出了天然气管道在役焊接实验中发现的渗碳层及共晶热裂纹微观形貌（图1）。

图1   天然气管道在役焊接渗碳层及共晶热裂纹微观形貌

1.4    疲劳断裂

在役焊接管道焊缝的疲劳问题应该得到足够的重视，1992年NOVA GasTransmission Ltd公司的一条X70输气管道一处在役焊接三通接头因疲劳导致断裂事故，经失效分析和有限元模拟，发现焊接接头的应力集中在疲劳断裂过程中起到重要作用[5]。在役焊接过程中，未熔管壁在内部高压作用下发生弹性或塑性变形（图2），形成“凸起”结构，在冷却过程中，“凸起”结构将诱发形成较大且复杂的残余应力[6]。疲劳断裂对残余应力十分敏感，在某种程度上残余应力提高了疲劳载荷的幅值。因此，针对在役焊接焊缝开展疲劳性能控制和后评价工作十分必要。

图2   管壁在役焊接时的凸起结构示意图

1.5    应力腐蚀开裂

管道在役焊接时，温度和压力的提升可大幅加速裂纹尖端的阳极溶解，在含硫化氢介质的管道中，其应力腐蚀敏感性大幅提高。另外，有报道表明高流速的介质促使管道内壁形成残余压应力，有利于减小应力腐蚀开裂的敏感性[2]。两种因素存在博弈关系，在役焊接管道的应力腐蚀危险性有待进一步实验论证。

2    在役焊接工艺评定

2.1    在役焊接模拟装置

目前，针对管道在役焊接采用的焊接工艺评定主要围绕“烧穿”和“氢致开裂”两方面问题开展。通过搭建模拟管道运行装置，进行焊接工艺评定，主要方法分为一段式模拟和两段式模拟两种[7]。

一段式模拟即搭建一段管道回路，配备电机和大功率泵，完全模拟运行管道的压力和流速。另外，也可以在运行管道上跨接出一段实验管段，使用截断阀控制其与管道的断通，施焊结束后测试焊接接头的力学性能。该方法能够完全真实地反映在役焊接现场情况，但费用较高，且接旁通的方法给运行管道带来风险，可操作性相对较差。

两段式模拟通过将压力模拟和流速模拟分解成静态实验和动态实验，分步骤进行焊接工艺评定。静态实验通过给封闭的管段加压，验证带压焊接时“烧穿”的可能性。动态实验通过搭建小环路装置，模拟介质流速，验证快冷条件下焊接工艺“氢致开裂”的可能性。对于未熔管壁承压能力问题，管输介质流速对其基本无影响，故静态实验完全可以验证焊接工艺针对“烧穿”问题的安全性。而对于氢致开裂问题，虽然管内压力对冷脆相的形成无影响，然而其造成的特殊残余应力理论上可促进氢致裂纹的形成和扩展，但影响程度无可靠证据论证，故该方法有待商榷。

2.2    循环介质的选择

针对在役焊接模拟装置循环介质的选择，主要有油气介质和水介质两种。油气介质可以完全真实地反映焊接现场介质的影响情况，但具有一定的危险性，且成本较高。水介质在体现焊接现场真实性上逊于油气介质，但危险性小且成本低。目前，在选择循环介质时，主要考虑其流动冷却性，根据钢材淬火热处理经验：20℃时，油的650～550℃平均冷却速率为60℃/s,水为175℃/s；油的300～200℃平均冷却速率为65℃/s，水为450℃/s[8]。由此可见，水的冷却能力远大于油，故选择水作为模拟冷却输送介质具有很高的安全系数。但与此同时，这在一定程度上使焊接工艺条件更为苛刻，降低了其可操作性，如在冷却条件苛刻的情况下制定的焊接工艺对预热温度和层间温度的要求较高，根据现场施工经验，预热温度难以达标[9-10]。

2.3    有待开展的工作

制定在役焊接工艺时，输送介质与管壁之间在高温、高压下的物理、化学反应应该得到充分考虑。针对介质放热，管壁渗碳、渗氢，应力腐蚀等问题，开展适当的实验工作十分必要，可根据实验结果优化焊接工艺，规避隐患。另外，针对在役焊接接头特殊应力状态导致的疲劳等问题尚缺少评价工作。此项工作存在一定难度，主要问题在于对疲劳裂纹萌生的预判和裂纹扩展速率的计算，需要以一定的计算模拟和大量的实验数据为基础，才能进行科学预判。

3    结论

油气管道在役焊接是一项复杂、系统、有针对性的工程。在野外施工现场，很多因素不可控制，如施工现场的温度、湿度对焊接接头的质量将产生直接影响，现场风速可造成焊接电弧偏吹；焊工误操作可产生焊接缺陷，导致焊接结构不连续；针对B套筒焊接角焊缝的无损检测，目前仅限于显影剂渗透检测表面裂纹，对焊缝内部裂纹信息无法获取。因此，在制定合理、科学的焊接工艺规程的同时，还需要制定完善的焊接管理体系，以防止施工现场不可控因素影响焊接质量，在修复缺陷过程中产生新的缺陷。

参考文献：

[1]陈怀宁，林泉洪，钱百年.运行管道在线焊接工艺之评述[J].焊管，1997，20（3）：1-9.

[2]陈怀宁，钱百年，祝时昌，等.运行管道在线焊接时的氢致开裂与防止方法[J].焊接学报，1998，19（1）：29-36.

[3] KIEFNER J E ，B ARNES C R ，G ERTLER R C ，e t al. Experimental verification of hot tap welding thermal analysis. Final Report-PhaseⅡ-Volume 2，Liquid propane experiments[R]. Columbus：Battelle Columbus Laboratories，Repair and Hot Tap Welding  Group，1983.

[4] BRUCE W A. Welding onto in-service thin-wall pipelines[R]. South San Francisco：PRCI，2013

[5] DAVID James Horsley. Large-diameter large-ratio hot tap tees[D]. Calgary：University of Calgary，1998.

[6]郭广飞，王勇，黎超文，等.压力管道在役焊接烧穿失稳机制[J].材料科学与工程，2012，20（3）：62-66.

[7]郝建斌，武新娟，张水清，等.在役管道修复与抢修焊接工艺模拟试验方法[J].油气储运，2005，24（2）：37-40.

[8]崔忠析，覃耀春.金属学与热处理[M].2版.北京：机械工业出版社，2007.

[9]王喜娟，李浩玉，赵旭艳.油气管道焊接动火作业中杂散电流的防范[J].油气储运，2012，31（1）：36-41.

[10]杨秘，赵东胜，王聚锋，等.X65管线钢焊接接头抗H2S应力腐蚀开裂性能[J].油气储运，2013，32（3）：334-338.

（收稿日期：2014-03-09；修回日期：2015-02-25；编辑：关中原）

作者简介：王长罡，工程师，1985年生，2012年博士毕业于中国科学院金属研究所材料科学与工程专业，现主要从事油气长输管道管体焊接修复技术的研究工作。

WANG Changgang, Ph.D, engineer, born in 1985, graduated from Institute of Metal Research, CAS, materials science and engineering, in 2012, engaged in the research of welding and repair technology of long-distance oil and gas pipelines.Tel: 15840143088, Email: cgwang@imr.ac.cn

文章引用于：《油气储运》2015 年6 月　第34 卷 第6 期 文章编号：1000-8241（2015）06-0586-04

如有侵权告知删除