停气连头中X70管线钢产生根焊裂纹的原因与应对措施Word文件下载.docx

停气连头中X70管线钢产生根焊裂纹的原因与应对措施Word文件下载.docx

《停气连头中X70管线钢产生根焊裂纹的原因与应对措施Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《停气连头中X70管线钢产生根焊裂纹的原因与应对措施Word文件下载.docx（5页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

年末经管道缺陷漏磁智能检测后,立即对管道存在的6处缺陷位置进行停气连头换管作业,在无损检测中发现4道焊口存在根焊裂纹现象（见表1）,在进行一次返修后合格。

2停气连头施工的特殊性与其对焊接质量的影响

输气管道停气连头是指:

输送介质为天然气的在役管道遇特殊情况需停止输送,并在空载状态下,用尽可能短的时间完成局部管道设施更换的施工作业。

常态下的停气连头施工有两个明显特点:

一是时间紧,要求一次性完成,施工用时在24小时以内。

如时间过长将严重影响上游采输厂、净化厂停产、下游用户停气,造成不好的社会负面影响。

二是与一般的管道安装施工相比,其施工难度大,对施工人员技术水平要求高。

因停气连头施工的特殊性,在条件受限制和困难的条件下,进行的管道焊接,其焊接质量不易保证。

（1）管材与组对因素:

停气连头中由于新、旧管线的管材规格、型号偏差,造成管壁错边量较大、对口间隙不均匀等现象,在实际组对焊口过程中,两端管道端面中心轴向完全对应的几乎没有,一般需借助外力将两端管道端面中心轴与新连头管道中心轴统一,使焊缝存在较大的焊后内应力。

（2）气流影响:

原管线中的天然气或置换的氮气与空气的密度不一样,同段管线多处施工点相对高度差较大,使焊口间隙处气流流动大,造成根焊层焊缝组织受到影响。

（3）磁场影响:

原天然气管线经过漏磁智能检测或其它因数导致管线自身被磁化,（如图1）造成焊接时出现电弧磁偏吹现象,使焊接电弧偏斜,熔滴无法过渡到坡口根部形成熔池,严重影响根焊质量,在施工中需进行导磁焊接。

（4）管内壁腐蚀影响:

原天然气管线长期受H2S腐蚀,在设备、管线上出现局部的腐蚀、穿孔、裂纹、管壁厚度减薄、坑（点）蚀严重等现象,由于S2-离子的存在,使钢中扩散氢量为无H2S时的十倍[1],焊接低碳钢和高强钢时,焊缝熔敷金属中扩散氢含量是产生延迟裂缝的主要因素之一。

3X70管线钢材质特性

X70管线钢材质化学成分（见表2）与力学性能（见表3）。

X70钢的含碳量不高,小于0.10％,但含有较多的合金元素．随着合金元素的增加,使过冷奥氏体的稳定性增加,孕育期延长,所以淬硬倾向就要大些,易产生冷裂纹,这是因为在快速冷却过程中,铁素体析出后剩下的富碳奥氏体来不及转变为珠光体,最终转变为含碳量较高的贝氏体和马氏体,且得到马氏体的临界速度要低,易产生脆淬硬组织[2]。

X70钢作为高强度级别钢种,工作在高压力下（10MPa）,对冷裂纹有一定敏感性,主要与钢种的淬硬倾向、接头的扩散氢含量及其分布、接头的应力状态有关。

4焊接工艺

本次停气连头施工焊接工艺采用与管道建设施工相同的焊接工艺,即焊条电弧焊+药芯焊丝半自动焊工艺:

采用E6010焊条根焊+E7lT8-Nil焊丝填充、盖面焊接。

该焊接工艺经过焊接工艺评定合格,焊接工艺技术能满足焊接施工需要。

E6010焊条焊缝金属强度低于X70管材强度,其焊缝金属主要是保证根焊焊缝质量,并为填充层打好基础,起辅助承载作用;

采用E71T8-Nil自保护焊丝填盖焊的焊缝金属,其力学性能符合按等强匹配的选择要求,焊缝金属起主要承载作用。

其焊接材料化学成分见表4、见表5。

5产生根焊裂纹原因分析

裂纹在焊接结构中属于不允许存在的严重焊接缺陷,在变化应力的作用下会不断增长,直至焊道失效断裂。

在停气连头施工中根焊裂纹是焊接冷裂纹中的一种类型,而产生焊接冷裂纹的三个要素是[3]:

（1）热影响区低塑性淬硬组织,虽然X70钢的炭当量不高（原因是钢中含碳量较低）,但钢中合金元素的大量增加,在提高强度等级的同时,钢的淬硬性也增加,若快速冷却使焊接热影响区组织中过硬的马氏体含量增多,且越容易产生冷裂纹。

（2）扩散氢,氢的主要来源是焊材中的水分和坡口表面的油污、铁锈、水以及大气中的水汽等。

由于根焊采用纤维素焊条焊接,焊缝的含氢量较高,焊缝扩散氢含量在12～18ml/100g之间,尤其在快速的冷却过程中,氢的溶解度急剧下降,焊缝金属中的过饱和氢就很快地由焊缝穿过熔合区向尚未分解的热影响区扩散,而氢在热影响区的扩散速度相对较小,因此,在熔合区附近形成了一小的富氢带,导致焊缝金属及热影响区的力学性能降低,尤其是韧性的降低,对高强度管材的冷裂纹危险性增大。

（3）拘束应力,受停气连头条件影响,组对精度受限制,如管道变形、错位等,在焊口的组装过程中总会存在或多或少的强力组对,所以在组装完成后便存在着内应力,这种应力在焊后进行热处理也不可能完全消除。

再者管道焊接是一个局部加热与冷却的过程（即焊缝和热影响区的不均匀加热和冷却）,在焊接过程中产生应力与应变的循环,因此,管道焊后必然存在残余应力。

上述三个要素的作用是相互联系,相互制约的,不同条件下起主要作用的因素不同。

针对此次停气连头中四道焊口发生裂纹位置均为根焊11-1点钟平焊位与5-7点钟仰焊位置产生。

具体产生根焊裂纹原因分析如下。

5.1焊口组对工艺

（1）在停气连头施工中,焊口组对只能使用外对口器进行对口。

（如图2）受“消”磁线圈需缠绕于焊口两端,且离焊口端面越近消磁效果越好的消磁原理影响,为达到良好的消磁效果,在未完成根焊50%情况下,过早撤除外对口器,使焊缝在承载重量（较大负荷）的情况下焊接容易产生裂纹。

（2）据目前国内管道停气连头的施工水平,以及受施工条件影响,如管道变形、错位、新旧管线规格差异等,焊接接头往往不是在自由状态下组对,而是借助外力（如千斤顶强顶压、倒链强拉）强力组对或组对尺寸超标而强行组对,以及吊装设备在管道组对与焊接过程中,由于施工现场地地基无法承受吊装设备重量,会不断发生沉降,从而改变钢管和焊缝的受力状态,使焊缝产生较大的残余应力。

（3）焊口组对中出现的管口错边量一般都放在平焊位置处理,即先完成仰焊位置和立焊位置的根焊,再采用火焰加热并敲击平焊错边管壁,使错边量减小的方法。

由于根焊层相对较薄,焊缝金属强度也较低,其承载能力不强,平焊位的大力敲击,往往是造成5-7点钟（仰焊）位置根焊裂纹的根本原因。

5.2纤维素焊条根焊的特殊未熔合现象[4]

纤维素焊条根焊在停气连头施工中已普遍采用,但是如果焊接工艺参数选择不合理,焊工操作手法不当,纤维素根焊根部就可能产生一种特殊难见的未熔合现象,（如图3）如果只进行常规的外观检查和RT无损检测是很难发现这种缺陷。

特殊未熔合缺陷产生原因:

纤维素焊条具有电弧挺度强、焊接效率高的特性,在停气连头中纤维素焊条根焊的高速高效性是选择此工艺的重要原因,但纤维素焊条含氢量较高,若施工人员如果只片面追求焊接速度,不按焊接操作工艺执行,焊接时焊条在坡口两侧不停留,不考虑接头根部母材的熔化情况。

在选择大的焊接电流,尤其是大的吹力电流,造成电弧吹力过大,熔化焊条金属在强大电弧吹力的作用下,呈“喷泉状”喷落在未熔化的焊缝根部背面母材上,形成特殊未熔缺陷。

纤维素根焊焊缝根部背面未熔合会产生根部尖角效应形成应力集中,是造成X70钢在停气连头施工中产生冷裂纹的重要原因之一。

5.3预热与层间温度

停气连头施工中无大型的管道预热设备,常采用火焰预热,受人为因素影响较大,往往预热温度不够,更危险的是管道预热不均匀,造成严重的焊后焊缝应力集中。

停气连头根焊受施工人员技能水平影响,在管道下料、切割环节易出现失误,致使焊接时间相对增长,加之管径大、管壁厚,更重要的原因是施工时间在冬季,环境温度较低,这些因素都加大了根焊层散热时间与冷却速度,容易造成层间温度过低,焊缝焊后冷却速度过快,不利于氢的逸出和改善应力条件,使焊缝脆硬倾向加大。

5.4管道长度方向的热胀冷缩

在停气连头施工中,原管道两端在长度方向的热胀冷缩较明显,管道两端热胀冷缩不在同一直线上,造成组对焊口焊接过程中焊缝11-1点钟,5-7点钟位置受到拉应力或压应力。

我中心在停气连头施工中进行了管道两端在长度方向受热胀冷缩影响焊口与不受影响焊口的应力测试对比,其受热胀冷缩影响焊口的在根焊焊接过程中受到较大应力的影响,是停气连头施工中根焊层在焊接过程中产生峰值应力的主要原因。

5.5底部焊接视线差、打磨过度

仰焊时,焊工仰躺在地面或蹲在操作坑内,容易影响焊工正常焊接技能的发挥,出现焊接缺陷,由于焊接位置和操作条件差,焊工对5-7点钟位置根焊缝打磨量特别大。

一般情况下,经打磨后,焊缝厚度只有1.5mm～2.5mm。

当时打磨采用125mm砂轮片,操作不容易控制,当焊工视野不好时,更加容易发生过打磨现象,出现缺口轮廓,从而进一步降低焊缝厚度,增大焊缝的开裂倾向[5]。

6对策措施

根据焊缝受力和产生根焊裂纹原因的分析,提出了以下对策措施。

（1）针对停气连头中施工的特殊性，对焊工进行纤维素焊条根焊的理论知识和操作技能再培训,对焊接工艺参数进行适当调整。

要求焊工不选择过大的焊接电流、吹力电流等焊接工艺参数或超出焊接工艺规程的参数。

操作时,手法要正确,运条应熟练,能适应坡口间隙、壁厚、错边量的一些变化,并能控制好熔池大小、形状,观察熔池在电弧作用下的坡口两边的熔合情况。

在不同的焊接位置以及间隙宽度、错边量等数值变化时,随时调整焊条与焊缝之间的夹角和正确焊条角度。

若根焊时有气流影响,则要选择合理的根焊封口位置进行根焊封口。

在检测过程中对所有载射线检测合格的焊口增加焊口完成24小时后超声波复验,以确保根焊焊接质量。

（2）焊口组对前，坡口两侧20mm范围清理干净,管内硫化铁粉可用丙酮进行清洗,原管线腐蚀严重时,可先采取去氢处理和焙烧去硫处理。

在组对过程中尽量避免强力组对;

错口时,可对管口先进行壁厚与效圆处理,再进行组对的方法;

根焊5～7（11-1）点钟位置焊接完成后,随即进行热焊道焊接,从而增强5～7（11-1）点钟位置焊缝厚度,保证焊缝承载能力。

（3）采用先进的导磁技术,避免消磁线圈与预热设备的冲突。

目前我单位结合停气连头实际需要,创新了部分管道导磁技术。

（如图4）。

（4）按要求严格实施焊前预热工艺,一般100℃～150℃,两侧且不小于100ｍｍ,预热要均匀。

适当的预热温度降低了焊缝冷却速度,可使氢更易从焊缝熔池向大气中扩散,减少了焊缝中扩散氢含量,并且可以降低焊接区的温度梯度和焊缝的冷却速度,减少过硬马氏体的含量,减小温差应力当环境温度低时还应增大预热温度和预热范围。

并保持不低于预热温度的层间温度,严格执行焊后保温缓冷措施或进行后热处理。

使扩散氢有充分的时间溢出,起到很好的消氢作用,同时还可以降低焊缝中的残余应力,减少冷裂纹产生的机率。

后热温度一般为200℃～250℃,后热时间为0．5～1．5ｈ。

（5）选择合理的组对焊接次序（见图5）。

在最后两焊口组对时,应同时组对,但不同时进行定位焊,后焊焊口要保留较小间隙和良好的组对口面,先焊接组对状况较差一侧（如间隙较大、错边、壁厚差异大等）,让其焊接过程尽量使焊缝自由热胀冷缩,减小此焊口焊接应力。

后焊的焊口,虽然根焊层有大的焊接应力,但其组对较好,间隙、错边等影响焊接应力集中的因素减少。

测试试验焊口应力集中程度（见图6）。

（6）尽量双焊工对称焊,管道两侧同时对称地收缩或膨胀,这样能减小焊接变形,减小焊接残余应力。

在保证根焊质量的前提下,快速完成根焊,要求热焊和根焊的间隔时间不超过5min[6],降低管道长度方向热胀冷缩对焊缝的影响。

如因故中断时,应根据工艺要求采用保温措施,以防止产生裂纹。

再次施焊前,应确认无裂纹后方可按原工艺继续焊接。

（7）增加管沟开挖的高度和宽度,给焊工提供较好的仰焊操作条件,从而提高焊接质