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： 通過對中國石油西氣東輸管道公司近年來加裝B型套筒過程中出現問題的原因分析，提出了質量管控措施，可為大口徑高鋼級長輸管道加裝B型套筒動火作業現場管理提供參考。

關鍵詞： 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”等事故發生后，大口徑高鋼級長輸管道環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，具有開挖量小、對工藝運行影響小、無需停輸放空及氮氣置換等優點，國內外相關技術規范規定其為永久修復方式。

國內B型套筒材質均為Q345R普通容器鋼，近來部分單位正在研發高鋼級B型套筒，但大多處在試驗階段，技術尚不成熟，現場應用較少。目前，公司累計焊接B型套筒47處，共發現9處環向角焊縫出現了延遲裂紋，其他管道企業在大口徑高鋼級管道B型套筒焊接中也出現了裂紋缺陷。本文通過分析缺陷產生原因，從作業管控方面提出了改進措施。

1 B型套筒安裝工序

1.1 組對

作業坑開挖完成后進行管道防腐層剝離、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向間隙均勻，縱焊縫組對間隙要求3～6 mm。縱焊縫與管道之間必須加裝墊板，避免縱焊縫焊接過程中與管道焊接在一起，組對后的情況見圖 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，加裝方法見圖 2。兩道縱焊縫同時進行預熱及焊接，焊接方向見圖 3。預熱溫度要求100 ℃以上，根焊、熱焊后自然冷卻，進行干式磁粉檢測；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。焊接過程中所有焊道接頭要錯開。

                

1.3 環向角焊縫焊接

先進行下游側環向角焊縫預熱，預熱溫度要求80 ℃以上。由于管道內介質流速較大，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流速。焊接預堆層、根焊、熱焊后，緩慢冷卻（通過緩慢降低中頻功率實現）后干式磁粉檢測；環向角焊縫填充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小時進行焊后熱處理。下游側環向角焊縫保溫的同時可以開展上游側環向角焊縫焊接，工序同上。為了保障焊接過程中層間溫度不低于80 ℃，所有焊道均需分區分段焊接，分區情況見圖 4。

                

焊接過程中，焊道1、 2、 3、 4、 5為預堆層，見圖 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、退火技術是最先進的在役維搶修技術，可有效防止快速冷卻造成的氫致裂紋等問題，焊工需要接受專業培訓。

1.4 檢測

緩慢冷卻后整體進行濕式磁粉、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1 mm則打磨后圓滑過渡，可不進行補焊。如需要補焊，則打磨長度至少50 mm（未包括圓滑過渡段）。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 存在問題

2.1 延遲裂紋

延遲裂紋（圖 6）主要來自三大因素：一是氫的存在，二是應力存在，三是有氫致開裂傾向的焊接組織，典型特點是硬度過高，原因是碳當量過高、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進行。根據GB/T 28055―2011《鋼質管道帶壓封堵技術規范》和SY/T 6150.1―2017《鋼質管道封堵技術規程第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指導書要求7 m/s），如此高壓力高流速狀態下管道內部快速流動的帶壓氣體帶走焊縫區域的大量熱量，焊接時不易保證預熱及層間溫度（80 ℃以上），焊接操作過程中劇烈的溫度變化所導致的金屬結構變化，致使產生裂紋的可能性大大增加。

（2）應力及焊接組織。管道、套筒自身材質問題所產生的局部硬點，以及焊接過程中溫度變化所產生的熱脹冷縮都會產生局部應力集中，環向角焊縫組織應力偏高，促進了延遲裂紋的萌生和擴展。

2.2 外觀成型差、咬邊、未熔合

圖 7中焊縫外觀成型差，這與焊縫質量有直接關系，如焊工水平、是否按規程操作等。焊接電流過大或焊接速度過快易導致咬邊，圖 7劃線處，咬邊處極易產生焊趾裂紋。

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

2.3 B型套筒材質和焊接材料

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

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

2.4 其他問題

（1）目前B型套筒焊縫無損探傷標準（規范）不統一。

（2）角焊縫檢測無相控陣系列專用對比試塊。

（3）相控陣檢測準確度、檢出率有待進一步確認。

3 管控措施

3.1 規范焊接工藝規程

委托有資質單位對焊接工藝規程進行升級。焊評模擬最惡劣工況，模擬測試多種參數下的焊接過程并進行質量評價，給出最優化方案，確保在現場施工時具備可操作性。焊評對各個施工步驟提出明確的指導意見，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

施焊過程中嚴格按照該規程要求，管控流速、壓力、溫濕度、風速等關鍵因素，加裝縱焊縫墊板、引弧板。根據焊工特點優化班次，由技師等水平較高的焊工負責打底、蓋面等關鍵工序焊接。邀請焊接工藝評定單位專家到現場監督指導，確保每一個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要點，做到有據可查，為后續進一步分析做好準備。將組對情況、墊層、退火焊道、回火焊道等關鍵點作為停檢點，檢查合格方可進入下一工序。

3.3 選擇含氫量較低的焊接方式

選擇低氫、高質量焊材，盡量避免在濕度較高的 環境下施焊。調研國內外大功率中頻加熱器，擇優進行現場試用，指導廠家進行改進，確保高流速下在線焊接的預熱及層間溫度滿足焊接工藝規程要求。選用彈出式焊條保溫桶，通過撥動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大大提高了效率。

3.4 安裝前確認B型套筒質量

安裝前對B型套筒進行分層檢測和磁粉檢測，確保筒體無分層、坡口無裂紋等缺陷。

3.5 提高組對精度

核實B型套筒外形尺寸合適無變形，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，進而提高焊接質量。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，確保焊道邊緣整齊。

3.6 進行焊后熱消氫處理

環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小時進行熱處理。

3.7 工藝及環境選擇

由于B型套筒在線焊接時管道無需停輸，對生產運行影響較小，因此在選擇作業時間時較換管作業相對靈活，可根據管道輸氣量、天氣等條件，擇優選擇環向角焊縫焊接時間（縱焊縫焊接對工藝無影響，可隨時進行），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）的情況下進行，并采用有效的防風防雨措施，確保焊接質量。

3.8 積極開展技術研究

開展高鋼級 B型套筒研究 ，以便減薄套筒壁厚，減小焊接工作量。開展B型套筒全自動焊接技術應用試驗，進一步保證焊接質量。

4 小結

針對B型套筒焊接過程中出現的延遲裂紋缺陷，提出了質量管控措施，可為現場作業提供參考。如何完全避免產生延遲裂紋，還需要進行多方位研究。

 

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