长输天然气管道焊接裂纹成因及控制措施研究
2016-03-14陈强孙洪叶杨锁军郑云堂
陈强,孙洪叶,杨锁军,郑云堂
(河北华北石油工程建设有限公司培训鉴定中心,河北任丘062552)
长输天然气管道焊接裂纹成因及控制措施研究
陈强,孙洪叶,杨锁军,郑云堂
(河北华北石油工程建设有限公司培训鉴定中心,河北任丘062552)
天然气作为自然界中的气体,已经得到开发与利用,成为一种关键性的能源。近年来,随着能源的供应紧张以及能源使用需求的增加,天然气管道的建设已经在紧锣密鼓的进行中,但为了满足天然气管道的远距离能源传输需求,管道焊接裂纹的工艺优化显得十分必要。结合工作经验,找出长输天然气管道焊接裂纹产生的成因,并针对性地提出控制措施,优化长输天然气管道焊接裂纹工艺,为天然气能源的开发与利用提供保障。
长输天然气管道;焊接裂纹;成因;控制措施
【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.088
1 引言
煤、石油与天然气并称为3种化石燃料,而天然气在环保方面具有先天性的优势,无污染、绿色环保、经济实惠等标签使得天然气的价值得到直观呈现。在现阶段生态社会发展的前提下,天然气显然已经成为重要的能源。例如我国的重点工程“西气东输”,依赖于长输天然气管道完成天然气输送,这就对焊接裂缝技术提出较高要求[1]。
2 长输天然气管道焊接裂纹成因
长输天然气管道焊接裂纹的产生,制约着整个运输管道的质量,还会影响焊接安全件使用质量,属于一种非常危险的工艺缺陷。焊接裂纹不仅产生于焊接过程中以及工艺操作的基础环节,更具有一定的潜伏期。长输天然气管道焊接裂缝的成因分析,首要问题是提出焊接裂缝根据部位、尺寸、形成原因以及机理方面的差异分为哪几种类型,按照裂纹形成的基本条件,可以具体地被划分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹以及层状撕裂等。下面对这些焊接裂纹的产生成因进行具体分析。
2.1 长输天然气管道焊接热裂纹产生成因
长输天然气管道热裂纹多产生于焊缝金属凝固或高温时,裂纹大都在焊缝金属内沿着树状结晶的交界处形成,实质上是一种晶间断裂的形态。这种裂缝的成因为:管道焊接的过程是通过不均匀加热及冷却过程完成焊接,熔池结晶过程中受到拉应力的影响较大,这就导致结晶时间段的不同结晶杂质含量也存在较大差异。具体表现在先结晶的金属纯度较高,后结晶的金属纯度较低,杂质较多。由于杂质的积累,往往会形成较多的低熔点共晶物。熔池金属结晶过程会对低熔点共晶物产生影响,形成“晶界薄膜”,出现一个极差的薄弱地带,最终导致焊接裂纹的产生。
2.2 长输天然气管道焊接冷裂纹产生成因
长输天然气管道冷裂纹多产生于热影响区与焊合线处,多层焊接时多产生于焊缝处。受到焊接接头淬硬组织的影响,致使应能脆化,在出现焊接缺陷的位置聚集了大量的氢分子,从而产生冷裂纹。这种裂纹产生的原因为:管道焊接冷却过程中,马氏体转变点附近或200℃~300℃以下的温度区间发生反应[2]。从焊接的宏观角度上来看,冷裂纹的产生有纵向与横向之分。如果从微观的角度来看,冷裂纹的产生有穿晶型、晶间型,还包括二者混合型。冷裂纹如果未在焊接之后立即出现,这种裂纹被称之为延迟裂纹,危害性较大。
2.3 长输天然气管道焊接再热裂纹产生成因
长输天然气管道焊接再热裂纹多产生于焊接之后受到高温影响时,一般发生在焊接接头的热影响区融合线附近的粗晶中。该裂纹发生的起始点主要来源于焊接接头表面的焊趾部位,在粗晶区发展至热影响区的细晶区停止。热裂纹在管道上形成明显的曲折与交叉,产生的根本成因与高温应力松弛及合金碳化物所处状态有一定的关联。并且再热裂纹之所以产生,也会受到钢材与焊缝中合金元素以及焊接残余应力的影响,例如钢结构当中的Cr、Mo、V、Nb、Ti等基础元素,会在一定程度上增加钢的再热裂纹敏感性。
3 长输天然气管道焊接裂纹的控制措施及焊接工艺优化
长输天然气管道焊接裂纹的产生是可以通过手段进行规避的,但针对具体控制方法需要做出全新的探索。论文提出了一些长输天然气管道焊接裂纹的可行性控制措施。
3.1 各焊接裂纹的控制措施
3.1.1 控制冷裂纹措施
焊接的过程中可以对焊条进行选择,以碱性焊条为例,这种焊条能够有效减少管道焊缝金属中的氢含量,增强焊缝中金属的塑形,采用规范化的焊接工艺流程,最终完成对焊接的处理。冷裂纹的控制措施:(1)焊接完成之后的热处理方面应该最大限度上避免应力过于集中;(2)完成管道的焊接之后应该最大限度地降低冷却速度,在焊接前期阶段完成对焊接处的预热处理,焊接后期缓冷;(3)长输天然气管道的焊接过程,需要减少氢的来源,以最大限度上减少裂缝的产生。
3.1.2 控制热裂纹措施
长输天然气管道裂缝在控制中,需要加强对焊接材料质量的把关,避免其中出现硫、磷等物质。还应该在这一过程中降低天然气管道的钢材的含碳量;在焊接中,应该适当地提升天然气管道的焊缝形状系数,规避管道焊接当中出现的问题,控制并减少热裂纹的产生。
3.1.3 控制再热裂纹与层状撕裂裂纹措施
再热裂纹的产生成因上文已经进行阐述,针对这一问题应该选择具备天然气热裂纹敏感性的管道材料,适当减少管道焊接过程中的应力因素,这样将再热裂纹扼杀与控制在萌芽阶段,为管道焊接质量奠定基础。对层状撕裂纹而言,要求在焊接金属的过程中采取相对严格的控制措施,减少焊接过程中的杂物数量,避免由于分布过多的杂物而产生裂缝。
3.2 焊接工艺优化措施
3.2.1 组对质量的影响控制
组对质量主要包括:错边量、对口间隙、坡口角度等。(1)错边量主要是由于管道焊接过程管口不规则和管口厚度壁差所引起的。一旦出现错边现象,将造成焊接缝根部的应力过度集中,因此减少错边量显得十分关键。(2)对口间隙的大小必将影响整个根焊内部成型、焊接效率以及焊接的材料是否出现损耗。对口间隙过小,使管道焊接的过程中出现填充金属不易穿透以及背部成型不良等问题,从而导致应力集中。而对层间杂质而言不能在焊接时形成夹渣,应力集中作用下就容易形成裂纹源。如果对口的间隙过大,则会浪费焊接材料,降低功效,并且很容易产生烧穿缺陷。对于长输天然气管道焊接问题应该准确掌握好对口间隙,以焊条的直径为基本衡量标准,通常选择的焊接对口间隙之间的距离为焊条直径的0.5~0.8倍。(3)坡口角度的准确掌握同样十分关键,会直接影响母材的散热、接头应力分布等。因此,在长输天然气管道焊接过程中,应该有效地控制组对质量。焊接工作开展之前也应该积极做好各项准备工作,按照中国石油天然气总公司管道局企业标准企业标准Q/GDJ0002—91《管道全位置下乡焊接操作规程》进行。包括钢材材质的分析与检验、接头选型与组对、施工处的清理与预热等,保证与国家标准及规范一致。
3.2.2 工艺参数的具体控制
工艺参数方面的具体控制,主要是依据焊接工艺规程规定的,去选择较大焊接线的能量,即通过(增大电流、电压以及降低焊速)的方式,可以选择其他方法去减缓焊接缝隙的冷却速度,让氢的扩散效果达到最大化。这一过程也并非要将焊接能量线无限放大,一旦焊接线量过大,将导致整个焊接的热影响区形成过热组织,因此,适当地控制显得十分关键与必要,不能无限地增大。工艺参数的具体控制,则是以焊接效果最大化为基础,保证工艺参数与工艺标准保持高度一致。
3.3 其他控制措施
除上述控制措施之外,经过对该工作流程的总结,提出其他方面的控制措施,具体表现在以下几个方面:(1)长输天然气管道焊接始端与终端应保持良好的质量,始端采用的方法是后退引弧法,终端则应该将弧坑填满,多层焊接的接头相互错开,以保证焊接方法的效果最大化;(2)完成焊接之后在进行工具及卡具拆除过程中,避免对管道本身产生影响。拆除之后使用打磨的方法保持焊接平滑,可运用磁粉或者渗透探伤2种方式对其进行检查;(3)焊接方式要保持连贯性,避免由于焊接过程的中断导致裂缝的产生。如果中途出现中断,需要按照工艺标准当中的相关规定完成预热处理;(4)后热消氢处理的方式十分必要,这一过程要在焊接完成之后立即进行,保持加热温度及持温时间;(5)焊接工作完成后,如果焊接处出现气泡或者裂纹,应该对其进行重新打磨与焊接,依据工艺标准严格返修;(6)在长输天然气管道补焊的过程中,同一地点位置不宜超过2次,如果超出这一标准,则需要经过单位以及工程部门的批准之后施以可靠的技术弥补缺陷;(7)在进行管道焊接时,应该保证施工人员掌握基本的焊接技能,通过这样的方式改变焊接工艺,最大限度上在施工工艺层面减少裂纹的产生。焊接工作人员应该具备较高的职业技能,能够针对裂纹问题第一时间做出反应,解决这一问题,将其控制与预防在萌芽时期。
4 结论
综上所述,天然气作为我国一项重要能源,特别是长输天然气管道焊接更应该保证质量,为天然气的传输工作奠定基础。焊接裂纹是管道焊接一种常见的现象,通过针对性的合理控制过程能够有效避免这一现象的发生。研究提出了管道焊接过程中的4种裂纹,并对每一种裂纹都进行了成因分析与制定控制策略,旨在为长输天然气管道的稳定运行提供工艺保障。
【1】唐强,王涛,喻美军,等.长输天然气管道焊接裂纹成因及控制措施[J].科技视界,2015(7):270-272.
【2】李健.长输天然气管道焊接裂纹成因及其控制措施[J].石化技术,2015 (6):145-148.
Study on the Causes and Control Measures of Welding Crack in Long Distance Natural Gas Pipelines
CHEN Qiang,SUN Hong-ye,YANG Suo-jun,ZHENG Yun-tang
(Training and Identification Center of North China Petroleum Engineering Construction Co.Ltd.,Renqiu 062552,China)
As one existing gas,natural gas has been developed and utilized,and become a key energy.In recent years,with the short supply and high demand of energy,the construction of natural gas pipelines has carried out in full swing,but in order to meet the long distance energy transmission demand,optimization of the welding crack technique is very necessary.The causes of welding crack of long distance natural gas pipelines are found out based on work experience,and the control measures are put forward,in order to optimize the welding crack technique of long distance natural gas pipeline,and provide guarantees for the development and utilization of natural gas.
long distance natural gas pipeline;welding crack;cause;control measures
TE973.3
A
1007-9467(2016)08-0161-02
2016-07-30
陈强(1976~),男,安徽淮北人,高级焊接技师,从事天然气管道焊接研究。