前言

壓力管道在線焊接時管道或設(shè)備內(nèi)部存在流動的介質(zhì)，所以，主要有兩個難點：1）在線焊接過程中的局部高溫，會使材料局部失去其強度，從而在內(nèi)壓作用下發(fā)生燒穿或爆破；2）管道內(nèi)流動的介質(zhì)會帶走大量的熱量，加速了焊縫的冷卻，從而增加了焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋的可能性。

燒穿有兩種可能的失效模式，一種是直接焊穿，這是一種塑性失穩(wěn)；而另一種更重要的問題是材料在溫度接近熔點時發(fā)生破壞，詳見圖1。燒穿的發(fā)生取決于壁厚、熔深、操作壓力和介質(zhì)流速等因素的綜合影響。如圖2是管線燒穿因素示意圖。

圖1 燒穿的失效模式

圖2 燒穿的影響因素

美國BMI研究所對API X55管的研究認為：982℃是不發(fā)生燒穿的最高安全溫度。而當壁厚大于6.4mm時，在正常條件下使用低氫焊條焊接，內(nèi)壁溫度不可能達到982℃，因此不會燒穿。我國石油天然氣行業(yè)標準SY/T6554中參照美國石油學(xué)會標準API RP2201，提出當管道或設(shè)備的厚度大于12.8mm時，燒穿不是在線焊接的主要問題，此時介質(zhì)流動對焊接的冷卻及燒穿的影響可以不計；而當厚度小于12.8mm時，則應(yīng)注意控制熱量輸入以防止燒穿。

為了控制焊接時焊縫區(qū)的溫度，實際操作時可采用間斷焊（即焊接一段時間，立即冷卻一段時間，然后再重復(fù)該過程直至焊接結(jié)束）。現(xiàn)在也有采用計算模擬分析，及相關(guān)的靜態(tài)、動態(tài)模擬試驗來判斷管壁燒穿危險性的，最后確定焊接工藝，完成焊接工藝評定，并應(yīng)用到實際管線的修復(fù)中。

氫致裂紋是在線焊接的另一個問題，控制焊接工藝防止HIC（氫致裂紋）比防止發(fā)生燒穿要困難得多，這是因為HIC與冷卻速率、管材的化學(xué)成分及焊接中氫的含量有關(guān)。引起HIC必須有三個同時存在的條件：焊縫中氫的存在、容易發(fā)生HIC的微結(jié)構(gòu)及焊接殘余拉應(yīng)力。國外研究的重點放在降低HAZ硬度和防止敏感組織生成的方法上。通常把硬度作為HIC的評價指標，美國EWI（Edison Welding Institute）研究認為HV350是硬度的安全上限。熱影響區(qū)硬度通常由冷卻速率和碳當量決定。無論焊接過程如何，硬度都隨著熱輸入的增大而下降，但熔深也隨之增加，燒穿的危險性亦增加。冷卻速度將會影響氫致裂紋發(fā)生的可能性，也是在線焊接成敗的關(guān)鍵。

減少氫致裂紋產(chǎn)生的方法是：（1）使用低氫型焊條；（2）采用足夠的熱輸入，克服由于流動介質(zhì)的影響；（3）焊接時預(yù)熱；（4）采用合理的焊道順序；（5）合理的裝配以減少焊縫根部的應(yīng)力集中。

回火焊道技術(shù)使用得當，能可靠控制焊接接頭的硬度，回火的效果與焊道位置、焊接順序及所采用的熱輸入有關(guān)，也可采用小熱輸入多層焊技術(shù)。圖3是套管的焊接工藝，其中圖3（a）是套管道焊縫的焊接順序，圖3（b）是套管與主管間角焊縫的焊道順序圖。焊接時，采用兩個焊工對稱焊接，按回火焊道的。

（a)

(b)

圖3  套管的焊接工藝

方案布置蓋面焊道，效果較好。在線焊接中，還會遇到支管的焊接，支管與主管道的焊接是兩人同時焊接，焊前要先預(yù)熱。圖4是支管與主管道的焊接坡口及焊道順序，該焊接順序及焊道布置都是在線焊接中常用的，但若要使在役焊接工藝應(yīng)用于實際生產(chǎn)，還應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范做大量的模擬試驗及工藝評定，確保在線焊接的成功及管道運行的安全。

圖4 短管支管的焊接工藝