油气管道带压焊接烧穿的研究进展*

2022-11-10张萍闫臣王飞尹长华韩涛

油气田地面工程 2022年10期

张萍闫臣王飞尹长华韩涛

1北京石油化工学院工程师学院

2中国石油天然气管道局

3中石油煤层气有限责任公司忻州采气管理区

由于我国石油和天然气资源分布不平衡，需要铺设超长的油气管道来输送。长距离、大管径、高压力成为陆上油气输送管道的发展方向。截至2017 年底，中国油气长输管道（主要指三大油公司级省网公司建设的产地、储存库、使用单位间用于输送商品介质的管道）总里程已达13.14×104km，其中天然气管道约7.26×104 km，原油管道约3.09×104km，成品油管道约2.79×104km[1]。这些管道上游沿线地形地貌复杂，下游则是中国人口稠密、经济发达的省市。在服役过程中，腐蚀、损伤等会造成管道的局部壁厚减少，导致承载内压的能力下降，因此需对减薄部位进行焊接修补。传统的焊接方法是停止运输，泄压并吹散、清理管内的残余油气，而后进行焊接，这会导致居民用气受到阻碍，环境受到污染，经济损失严重。带压焊接修复技术具有修补速度快、供气持续、污染小等优点[2]，备受关注。

为了保证焊接过程的安全及焊接的质量，一般认为带压焊接中需重点关注两个因素[3-4]：烧穿和氢致裂纹。也有学者认为还应考虑管壁的渗碳和渗氢、介质的热分解、腐蚀与疲劳等因素[5-6]。如果烧穿，管道内的油气会起火燃烧，对管道周围人员的生命财产带来巨大威胁，同时泄漏的油气还会污染周围的环境，浪费大量资源，因此在这些因素中，必须优先考虑烧穿。目前我国超一半以上的现存管道服役年限超过十年，逐渐老化的管道面临修复问题，因此研究烧穿机理以及如何预防烧穿意义重大。

1 烧穿机理研究

一般认为烧穿的机理是：带压焊时由于管道的局部升温使得金属材料熔融，如果焊接时电弧功率过大，温度过高时，会产生直接烧穿；未熔融的金属材料在管道内介质压力的影响下发生塑性变形，产生失稳烧穿[7]（图1）。

图1 带压焊接中烧穿失效形式Fig.1 Burn-through failure mode in pressure welding

进一步的研究表明：带压焊接烧穿是管壁金属在高温和拉应力共同作用下，因熔池下方高温金属的强度下降，其承载能力低于管道运输压力，发生了管道破坏，其本质是一个宏、微观结合的过程，即含微缺陷的管壁材料，在焊接高温和内压的共同作用下，因微观结构发生了破坏，降低了管壁材料的强度，微裂纹、孔洞等缺陷易于扩展汇集，产生了贯穿性的主裂纹和宏观裂纹，最后管道失稳、破坏，造成烧穿[8]。

最近有研究者开始从原位高温试验及原子层面对其进行微观机理的研究。WU 等[9-10]通过原位高温拉伸试验和原位金相试验及有限元仿真，研究了管道金属不同微区的裂纹萌生和扩展机制，指出在熔池下方处焊件径向变形产生拉应力，在拉应力下易产生分布于径向变形管壁上的穿透裂纹；融合线处的应变最高，在拉伸载荷作用下，融合线附近的晶界成为微裂纹的起源；熔池下方不同微区的裂纹萌生机制不同（在熔合区，晶界熔化导致晶间脆性断裂；在粗晶粒区，位错滑移带在晶界引起应力集中，裂纹容易出现在晶界和晶界汇交的连接处）。

QIAO 等[11]通过分子动力学模拟，从原子层面揭示了烧穿的微观机理。其计算结果表明，随着应变的积累，位错滑移带的形成，局部应力的集中，使得许多原子键被破坏，形成微缺陷，裂纹快速扩展并发展为贯穿裂纹，最终导致失效；熔合线附近的材料力学性能最差，材料的力学性能下降具有时间效应，即在焊弧通过后的几秒钟，熔池下方的区域性能更差，这颠覆了最危险的地方在最大熔深的下方区域这一传统观点。

2 烧穿影响因素研究

烧穿的主要因素有：管道因素、焊接工艺与参数、介质因素等（图2）。

图2 烧穿的影响因素Fig.2 Influencing factors of burn through

管道因素包括管道的材料性能、管道的直径和管壁的厚度等。X65、X70 高强管线钢在国内已经普遍使用，X80 是长输管道油气运输中的主流用钢。高强度管道钢烧穿危险比低强度管道钢低[12]。管道承受内压时，根据力学理论推导，其轴向应力和径向应力与管道的直径成正比，当进行管道带压焊时，厚度相同，内压相同时，随着管道直径的增加，管壁承受的拉应力也增加，更容易发生烧穿。

中薄板带压焊接修复存在烧穿风险。CISILINO等[13]通过实验发现安全壁厚与工作压力及介质流量相关，随着工作压力、介质流量的增加，安全壁厚相应的减小。这是由于壁厚增大，改善了管线钢金属的热传导能力，提高了单位容积的管线在单位时间内的散热能力，管线的内壁和外壁的最高工作温度也相应下降。

焊接时的工艺参数直接影响熔池的深度和熔池的宽度。当熔池的深度变大时，已熔融金属所占的比重增加，且未熔融区域温度升高，其强度和硬度也会降低，在管内压力作用下，金属易因塑性变形而造成烧穿[14]。

带压焊接管道内部换热机制主要为辐射换热和对流换热。影响内部的换热的因素包括管内介质的性质、介质的流速和内压。当管内运输的介质是液体时，产生烧穿的可能性随内压的增加而上升，但当运输的介质为气体时，这一规律并不明显；当管内介质流速增加时，内壁的热量也被带走得更多，因而越不容易烧穿[15]。HUANG 等[16]的研究表明随着介质的流量、运行压力和管壁的厚度增加，热影响区宽度和管道内壁热循环减小，换热系数与气体压力成线性关系，而与流速的关系则是先呈指数关系迅速增加，然后随着流速的增加呈线性增加。而郝建斌等[17]研究表明，管道的壁厚和压力对烧穿的影响大，管道的流速对烧穿的影响小。烧穿是各种因素共同作用的结果，其影响因素作用的规律和机理仍是管道带压焊接的研究热点。

3 烧穿判据研究

近年来，人们对如何确定带压焊接烧穿的判断依据开展了广泛深入的研究，形成了多种防止带压焊接烧穿的判断依据，包括内壁的最高温度、管道的最小壁厚、有效的剩余壁厚、径向变形量以及最大等效应力等。

（1）内壁的最高温度。美国BMI 和EWI 研究所的研究结果为：为了防止烧穿，带压焊需采用低氢焊条进行焊接，同时管道内壁的温度不得超过982 ℃[18-19]。BRUCE 等[20]发现当内壁温度高达1 260 ℃时，带压焊接实验中仍没有发生烧穿。ODDY 等[21]指出，由于高强钢不断应用于油气管道的运输中，管道壁厚越来越薄，很难保证焊接过程中内壁最高温度低于982 ℃。研究表明，当介质为水时，管道内压力会影响内表面最高温度。随着材料的应用范围的扩展，研究的进一步深入，采用内壁的最高温度不超过982 ℃作为判断依据不够准确。

（2）管道的最小壁厚。API 1104 标准指出，采用低氢量焊条及常用焊接工艺规程，当管壁厚度t≥6.4 mm 时，通常并不会发生烧穿，但当壁厚低于该值时，烧穿却有可能发生。SY/T 6554—2003标准指出，当管壁厚度t＞12.8 mm 时，可以不考虑烧穿问题，当管道壁厚低于该值时，就必须选择合理的焊接线能量，以免能量过高引起烧穿[22]。LIN等[23]通过多组对比试验得出焊接线能量为1.2 kJ/mm时，安全壁厚t≥7 mm。用有限元进行计算，结果表明，当壁厚t＜5.5 mm 厚度时容易发生烧穿，当壁厚t＞8 mm 时，几乎没有烧穿风险。研究表明最小壁厚与流速和压力相关。管道的最小壁厚法仅适用于特定的焊接工艺及管线运行条件，对烧穿预测的应用范围比较小，所以对烧穿预测也仅起到辅助作用[24]。

（3）有效剩余壁厚。焊接时，由于焊缝和管壁外层部分金属熔化，熔化的金属丧失了强度，且因热影响区高温，材料本身的强度变低，管道承载能力下降。SABAPATHY[25-26]、薛小龙等[27-28]通过将熔池及高温金属材料转化成常温下的管道缺陷预测可焊内压，把焊接过程中，局部高温造成的管壁强度降低量折换成管道常温下管壁的金属损失，从而获得有效的剩余壁厚，然后使用适当的管道剩余强度评价标准，确定可焊内压，预测带压焊接时管道是否会发生烧穿。也有学者将该方法称之为剩余强度法。目前含体积型缺陷的评定体系可参考ASME B31G、NG -18、API RP579—2000、RSTRENG、DNV RP-F101、SAVP 以及我国的SY/T 10048—2003 等相关标准。

有效剩余壁厚法需要解决的核心问题是如何处理焊接缺陷。MATTHEW 提出了“等效腔”模型，将熔池附近等温线内的材料强度视为零，将等温线外的强度视为与在正常温度下的强度一致。采用计算机模拟计算出管壁材料从高温到常温转化过程中，将三维熔池假定为平面熔池，并沿着最危险路径对其强度进行积分。壁厚相同、材质相同的管道，如果熔池深度相同，长度或宽度不同，则采用该方法计算的可焊内压是相同的，与常理不相吻合[29]。

对Q345 钢的仿真带压焊接，采用将最危险路径的一维积分法进行了可焊压力的计算，其仿真结果和实验有较大的误差；将该方法改进为有效积分区域的三维积分法来计算管壁的剩余强度，结果表明有效积分温度区间的选择是保证剩余强度三维积分计算精度的关键，对于Q345 钢而言，有效积分温度区间取为430 ℃～1 450 ℃，仿真结果与实验吻合。但是不同材料的有效积分温度区间存在差异，因此需采用实验与数值方法相结合的研究方式，以确定合适的有效积分温度区间。

（4）径向变形量。焊接时管道会发生径向变形。当管道内无内压时，在焊接接头处会产生向内凹变形；而带压焊时，在管内压力及热应力作用下，接头处会出现向外凸的变形[30-31]，当管道内压超过临界压力时，该部位的径向变形量会急剧上升而产生失稳，所以这部分也是预防焊接烧穿时需要重点关注的部位[32]。

许多研究人员试图用一个确定的径向变形阈值来预测带压焊接中的烧穿。API 1104 标准指出，当径向变形量大于被焊板的厚度的10%时，极易产生烧穿[33]。PRCI（国际管道研究委员会）认为0.4 mm 的径向变形为是否发生烧穿的临界值，而Sabapathy 等在南澳大利亚阿德莱德大学机械工程系发表的论文中认为径向变形的临界值为1 mm，在两年期国际管道会议中讨论的结果则为0.38 mm[34-35]。

然而烧穿发生时的临界最大径向变形值与管壁厚度、熔池尺寸有着相当复杂的关系，仅通过径向变形超过一个定值来判断是否烧穿具有一定的局限性。郭广飞、韩涛等深入研究了管内压力和焊接时间与管道径向变形之间的关系，研究结果表明，径向变形量具有时间效应，当焊接进行一段时间后，即使径向变形量小于板厚的10%，也可能会发生烧穿现象，这就意味着实际带压焊接中，在严格遵守焊接工艺参数的同时，还必须严格控制连续焊接时焊道长度，并尽可能使用中短焊缝，不要使用长焊缝进行连续焊；此外，在预测焊接是否存在烧穿风险时，选用瞬时最大径向变形量法比选择内壁最大径向变形量法更贴近实际情况[36]。卢玉秀探讨了管道内部压力与径向变形量之间的关系，研究表明：随着管内压力的逐渐增加，管道的径向变形也逐渐增加，并且与介质压力呈线性关系，当内压达到一定数值后，径向变形量会显著增大，这个内压值即为带压焊接的可焊压力[37-38]。

（5）最大等效应力。由强度理论可知，当塑性材料的最大等效应力超过材料的屈服强度时，就会发生屈服失效。对于带压焊，在仿真时需考虑金属材料的高温热物理性能、高温力学性能及相变参数，获得焊接过程中的应力分布，并通过比较von Mises（屈服准则）等效应力和金属材料的高温屈服强度，预测带压焊接是否烧穿。

董平战指出，最大熔深处的管材受拉应力作用时，当最大等效应力大于该部位管材屈服强度时，会引起烧穿失稳[39]。当管壁三分之二处的von Mises 等效应力大于材料在相应温度下的屈服强度时，会有烧穿的风险。最危险的路径是沿壁厚具有最大塑性失效深度的路径，当最危险路径超过管壁三分之二的von Mises 等效应力大于相应温度下的屈服强度时，烧穿的风险高。

综上所述，现有的带压焊接烧穿判据大多是基于宏观烧穿现象的经验判据，是对部分影响因素做出的研究，存在对影响因素考虑不全、过分简化导致误差过大等问题。因此，这些烧穿的判断依据仍需要进一步研究，以确保其预测烧穿的准确性。

4 预防烧穿措施

从以上研究可见影响烧穿的主要因素有三个方面，即管道壁厚、焊接工艺、内压及管内介质流速等，目前并没有通用于各种管道、工艺、介质流速压力的显式公式将这些因素耦合在一起，带压焊接的烧穿问题仍然是该技术的一个热点研究内容。目前为了降低烧穿风险所采用的措施，大致定性地从以下几个方面着手。

（1）合理的壁厚。管壁越厚，热传导能力越强，在同样的焊接工艺和管内介质运行前提下，管道内壁的最高温度越低，剩余管壁越厚，也就更不容易产生烧穿，但成本高。由此可见，在保证安全运行的前提下，需减小管道壁厚度。SY/T 6554—2003 标准中提出的4.8 mm，是大多数带压焊规范中所选择的最小母材管道壁厚。为避免烧穿，实际的母材最小壁厚必需加上一个安全厚度（通常是2.4 mm）。

（2）合理的焊接线能量和焊条直径。带压管道的焊接主要考虑两方面：烧穿和氢致裂纹。管道带压焊时，介质的流动带走热量，焊接区域快速冷却，使得焊接接头处更易形成淬硬组织，该组织在焊接拉应力和氢的扩散作用下，易形成氢致裂纹。小的线能量和快的冷却速度虽然能够降低烧穿的风险，但同时也提高了氢致裂纹的风险。所以，在选择焊接工艺参数时，在确保不烧穿的前提下，尽可能采用大的线能量。

SY/T 6554—2003 标准指出：在许多情况下，采用低氢焊条可以减少烧穿的风险，当管道壁厚t＜6.4 mm 时，第一焊道最好采用直径d＜2.4 mm 的焊条（此时需要注意：高碳当量的材料会增加裂纹风险），若管道壁厚t≤12.8 mm 时，后续的焊道焊接则应采用直径d=3.2 mm 或更小直径的焊条。当管道壁厚t＞12.8 mm 时，不必优先考虑烧穿，此时可以采用大直径的焊条。

（3）合理的介质流速和内压。介质的流速对带压焊接质量有两个方面的影响，一方面更高的介质流速带走更多的焊接热量，从而管壁的冷却速度更快，焊接接头产生更多的淬硬组织，更易产生氢致开裂；另一方面太慢的介质流速带走的焊接热量少，局部容易高温，进而产生烧穿的可能性上升。所以，管道带压焊接时，既要防止介质流速过低导致烧穿，同时也要避免介质流速过高形成裂纹。

一般可通过经验数据和有限元仿真相结合的方式，根据实验数据修正数值仿真模型，建立合理的数据库，最终根据实际工况给出确定合理的可焊内压，这是一个极具挑战性的工程。