大口徑長輸管道焊接缺陷分析

摘要：本文分析了長輸油氣管道常見焊接缺陷產生的原因及預防措施，指出了消除焊接缺陷的對策,並通過實踐證明其分析正確,對策可行.

關鍵詞：長輸管道 焊接缺陷

前言：為了確保大口徑長輸油氣管道在帶缺陷條件下長期運行的安全性,本文特分析了大口徑長輸管道焊接缺陷產生的原因及預防措施。結合我單位在蘇丹管道工程、蘭成渝管道工程、西氣東輸管道工程、陝京二線管道工程等施工中所出現的焊接缺陷，本文對長輸管道焊接缺陷進行了系統的總結,從操作、工藝方面系統分析了對探傷合格率影響最大的焊接缺陷,提出防止焊接缺陷的具體方法.

1.大口徑長輸管道焊接中易產生的缺陷

在大口徑長輸油氣管道焊接中，焊接缺陷一般可以分為兩大類：第一類是管道運行過程中發生的缺陷。這種缺陷通常是指焊接熱循環損傷到焊道或鄰近的熱影響區，造成管道服役性能嚴重下降。當管道正常運行時，破裂起始於這些缺陷存在的位置。就我們所使用的X70管線鋼來說，比較常見的缺陷有，碳鋼或低合金鋼的熱影響區晶粒因受熱而長大，造成韌性顯著下降。析出硬化型材料的熱影響區因過渡時效脆化而使強度降低。冷作硬化型材料的熱影響區，因冷作效用消失而使強度降低。第二類焊接缺陷是焊接時所產生的缺陷。這類缺陷常常發生於焊接進行中或緊接焊接完成後，常見的缺陷有裂紋、氣孔、咬邊、夾渣、凹陷、未熔合、未焊透、焊瘤等。這類缺陷的存在很可能造成管道無法正常運行，甚至造成重大事故。這其中又以裂紋最為嚴重。因此，對焊接時所產生的缺陷預防及消除是相當重要的。

在大口徑長輸油氣管道焊接中，裂紋是最嚴重也是最不允許出現的一種焊接缺陷。裂紋因發生的溫度不同有以下幾種：冷裂紋（氫裂紋）、焊後熱處理裂紋（再熱裂紋）、延遲裂紋及熱裂紋。冷裂紋主要發生於碳鋼或合金鋼。雙相不鏽鋼也有產生冷裂紋的情況。在工程中，冷裂紋已大部分可以控制。最有效的方法就是減少氫含量、預熱以及儘可能的消除應力集中的作用，控制熱輸入及利用焊後熱處理。只要材料和接頭方式確定，目前已有簡單的方法可以控制預熱溫度、熱輸入範圍、焊後熱處理的溫度和時間來防止冷裂紋的發生。

2.焊接缺陷的危害

在焊接結構中，尤其是在長輸管道焊接中，焊接缺陷的存在將影響焊接接頭的質量，而焊接接頭的質量又直接影響到管道焊接結構的安全運行。

（1）在管道焊接中，咬邊是一種最常見的缺陷，也是一種危害性較大的外觀缺陷。它不但減少焊縫的承壓面積，而且在咬邊根部往往形成較尖銳的缺口，造成焊接應力集中，很容易形成應力腐蝕裂紋和應力集中裂紋。因此，對咬邊要有嚴格的限制。

（2）焊縫弧坑缺陷對焊接接頭的強度和應力有不利的影響。焊瘤不僅影響了焊縫的外觀，而且也掩蓋了焊瘤處焊趾處的質量情況，往往會在這個部位出現未熔合缺陷。

（3）氣孔、夾渣等體積性缺陷的危害性主要表現為降低焊接接頭的承載能力。如果氣孔穿透焊縫表面。介質積存在孔穴內，當介質有腐蝕性時，將形成集中腐蝕，孔穴逐漸變深、變大，以至腐蝕穿孔而洩漏。夾渣邊緣如果有尖銳形狀，還會在該處形成應力集中。

（4）未熔合和未焊透等缺陷的端部和缺口是應力集中的地方，在交變載荷作用下很可能形成裂紋。

（5）裂紋是最尖銳的一種缺口，它的缺口根部曲率半徑接近於零。尖銳根部有明顯的應力集中，當應力水平超過尖銳根部的強度極限時，裂紋就會擴展，以至貫穿整個截面而造成管道失效。特別是當焊接接頭處於脆性狀態時，裂紋的擴展速度極快，造成脆性破裂事故。裂紋還會加劇疲勞破壞和應力腐蝕破壞。

3.焊接缺陷的產生原因

在管道焊接結構中，產生焊接缺陷的因素是多方面的，對不同的缺陷，影響因素也不同。在實際中，焊接缺陷的產生過程是十分複雜的，既有冶金方面的原因，又有應力和變形的作用。通常焊接缺陷最容易出現在焊縫及附近地區，而這些地區正是結構中拉伸殘餘應力最大的地方。一般認為，焊接缺陷之所以會降低焊接結構的強度，其主要原因是缺陷減小了結構承載截面的有效面積，並且在缺陷周圍產生了嚴重的應力集中。下面我就分析一下近幾年來在長輸油氣管道焊接中手工自保護藥芯焊絲半自動焊、全自動焊常出現焊接缺陷的原因。

3.1自動焊焊接產生缺陷的原因

3.1.1自動焊焊接過程中產生的缺陷

一是焊接工藝參數不合適；二是對管道坡口、對口質量要求高，即要求管子全周對口均勻；三是坡口型式要求嚴格，當管壁壁厚較厚時，確定工藝時採用複合型或Ｕ型坡口，不能僅考慮減少工作量，更重要的是要考慮到坡口對焊接質量的保證，小角度Ｖ型坡口雖然簡化了施工程序，但從保證質量角度分析，複合型或Ｕ型坡口更優；四是受外界氣候的影響較大，防風措施不好，這也是氣體保護焊的普遍問題；五是氣體純度不夠等原因。

3.1.2 自動焊焊接產生缺陷的主要原因

（1）外觀缺陷

我單位在西氣東輸管道工程、陝京二線管道工程施工時所使用的自動焊機是NOREAST自動外焊機，由於所使用的NOREAST外焊機為角擺式擺弧，當擺寬設置過大時（尤其排焊第二道），或焊接速度調節過快，過慢時，或幹伸長調節不當時，電弧會在焊縫邊緣母材上掃射而形成凹槽，或仰焊部位由於熔池下墜而使焊縫變窄，均可能導致焊縫低於母材或咬邊缺陷，或餘高超高。

（2）未熔合

在使用NOREAST自動外焊機在山坡地段施工中，當施工作業帶坡度小於10°時，對外焊機自動焊影響不大，但當坡度大於15°時，填充（尤其最後一、二層）、蓋面焊時熔池會由於重力作用及表面張力作用向低的一側傾斜而與另一側不能熔合，這易產生未熔合，同時，也會產生夾渣或焊縫一側低於母材、咬邊、餘高超高等缺陷。

（3）管口組對及擺寬設置所導致的焊接缺陷

管口組對時應注意對口間隙並留一定的焊後收縮餘量，STT根焊時由兩名焊工一人從0點，一人從9點同時施焊，確保根焊後下坡口寬度比上坡口寬度略小一點。若坡口寬度不勻或下坡口比上坡口寬，自動外焊機填充蓋面時在下部由於熔池液態金屬在重力作用下下垂而變窄，可能會導致邊緣有深的夾角或邊緣未熔合。

3.2 半自動焊焊接產生缺陷的原因

3.2.1 半自動焊焊接中常出現缺陷的產生原因

(1) 產生未焊透的原因是焊接電流小、電壓過高、焊速過快、錯邊嚴重、坡口尺寸不合理（如間隙過小、鈍邊過厚）、焊絲未對準焊縫中心、電弧發生偏吹等原因造成。

(2) 產生未熔合的原因是焊接電流過小、電弧偏吹、根焊所用焊條藥皮偏心、參數調節不當、焊工操作手法不當、操作視線不好以及電弧離坡口較遠，兩邊停留時間過短，焊絲傾角不恰當，使母材或前一層焊接金屬未得到充分熔化就被填充金屬覆蓋。

(3) 產生咬邊的原因是焊接電流過大或焊接速度太慢、立焊橫焊時電弧太長、焊條角度和擺動不正確或運條不當等。

(4) 產生夾渣的原因是焊速太快、電流過小或焊絲幹伸長大、坡口角度過小、跳絲、打磨清理不淨等有關。其次焊條質量不好，含雜質較多，運條不當，熔池不能充分攪拌，熔渣和鐵水分離不清，阻礙了熔渣上浮；冷速過快，熔渣來不及浮出熔池表面；坡口和焊條邊緣清理不淨，存在雜質，在焊道內產生夾渣；多層多道焊時，焊縫的渣未敲乾淨，殘留在焊縫中。

(5) 產生焊瘤的原因是焊接規範不當，電壓過低，焊速不合適；焊條角度不對或電極未對準焊縫；運條不正確；與填充金屬過多，坡口尺寸太小有關；熔池溫度過高，液體金屬凝固較慢，在自重作用下形成。

(6) 產生氣孔的原因是當電弧功率不變，焊接速度增大時，增加了產生氣孔的傾向；電弧電壓太高；焊條、焊劑在使用前未進行烘乾；氣體保護焊時，氣體流量不合適；熔渣的氧化性增大時，由CO引起氣孔的傾向增加；當熔渣的還原性增大時，氫氣孔的傾向增加；焊件或焊接材料不清潔；與焊條、焊劑的成分及保護氣體的氣氛有關。

(7) 產生燒穿的原因是電流過大、焊速太慢；坡口間隙過大；擺弧不正常。

(8) 產生內凹陷的原因：仰焊時，背面根部母材雖被電弧熔化，由於熔池在高溫時表面張力小，使鐵水在自重作用下產生下墜，形成凹陷。

3.2.2 STT半自動根焊的氣孔問題

STT根焊時對風速比較敏感，要求風速≤2m/s。風速過大時，會使保護氣層失效而產生氣孔。在防風棚內焊接時，可能導致保護氣失效的主要原因為來自管內的穿堂風，穿堂風的產生原因如下圖所示：管線始端有堵板焊死，當根焊後的填充、蓋面焊時，管內的空氣會因高溫加熱而膨脹，而產生一定壓力的氣流向施焊前進方向流動，而在根焊時的組對間隙中逃逸並生產較大風速的氣流，導致根焊時（尤其收口時）產生氣孔。

4.焊接缺陷的預防措施

4.1全自動焊產生缺陷的預防措施

4.1.1外觀缺陷

蓋面焊採用排焊，排焊第一道時，擺寬調至上坡口寬度的3/5，以減小第二道排焊擺寬，使之不超過1/2上坡口寬度；焊接過程中，根據不同焊接位置調整焊接速度：0點至2點半焊接速度應調快，2點半至4點半為正常焊接速度，4點半至6點焊接速度減慢，同時調整幹伸長，來保證焊縫兩側不低於母材或咬邊缺陷，焊縫餘高不超過2mm。

4.1.2未熔合

山坡地段施焊時，根據坡度的大小在填充焊時採用排焊，即減小擺寬來減小熔池，蓋面焊必要時排焊3道，同時適當增大保護氣流量，以增強氣保護效果及電弧挺度，這樣就保證了在填充（尤其最後一、二層）、蓋面焊時熔池由於重力作用及表面張力作用向低的一側傾斜而與另一側能充分熔合，防止未熔合的產生。

4.1.3 氣孔

防止STT產生氣孔的原因在對口器後附加一個彈性密封堵板，見圖1，而將根焊接頭與後面的氣流隔離開來，保證根焊部分管內空氣為靜止的。

4.2半自動焊產生缺陷的預防措施

要保證焊接接頭的質量，就應在焊接過程中採用有效措施，防止產生焊接缺陷。

（1）防止咬邊的措施是電流大小要適當；運條要均勻；焊條角度、擺動要正確；立焊橫焊時焊接電弧要短些；

（2）防止產生氣孔的措施是：不得使用藥皮開裂、剝落、變質、偏心或焊芯鏽蝕的焊條；各種類型的焊條或焊劑都應按規定的溫度和保溫時間進行烘乾；焊接坡口及其兩側應清理乾淨；正確地選擇焊接工藝參數；鹼性焊條施焊時，應短弧操作。氣體保護焊時，氣體流量要適當；

（3）防止產生夾渣的主要措施有：徹底清除渣殼和坡口邊緣的氧化物及多層焊道間的焊渣；正確運條，有規律地攪動熔池，促使熔渣與鐵水分離；適當減慢焊接速度，增加焊接電流，以改善熔渣浮出條件；選擇適宜的坡口角度；調整焊條藥皮或焊劑的化學成分，降低熔渣的熔點。

（4）防止未焊透的措施是焊接電流、電壓、焊速大小要合適、坡口尺寸要得當（如間隙、鈍邊）、焊絲要對準焊縫中心。

（5）防止未熔合的措施是焊接電流大小要得當；焊工操作手法、操作視線要得當；電弧離坡口要適中，兩邊停留時間要足夠。

（6）防止焊瘤的措施是焊接規範要得當；焊條角度要合適或電極要對準焊縫中心；運條要正確；坡口尺寸大小要合適。

5.結 論

隨著大口徑管線鋼性能的不斷提高，管道建設越來越趨於向長距、高壓力、大口徑、厚壁化方向發展，這就需要研發高質量的焊接材料和高效率的焊接方法與之匹配，保證環焊縫接頭的強韌性。在長輸管道焊接中，我們要不斷的提高焊接技術水平。另外，還應採取有效的措施防止管道焊接中常出現的焊接缺陷。本文就結合近幾年來我單位在管道施工中常出現的焊接缺陷，對焊接缺陷進行總結、分析,從操作、工藝方面分析了對大口徑長輸管道焊接中常出現的焊接缺陷,提出了防止焊接缺陷的具體方法。

來源於焊接協會