不锈钢管道在线焊接质量关键技术点分析
2021-04-23 09:30:35
在线焊接与常规焊接不同之处在于两方面，一方面是在线焊接时不锈钢管道内的流动介质会带走焊接表面的热量，另一方面是管内存在较高压力，由此可能会发生烧穿或者氢致开裂问题。
造成不锈钢管道烧穿的因素有壁厚、热输入量以及运行状况。
环境要求
环境湿度较大时容易在不锈钢管道表面凝结成水汽，进而在焊接过程中产生过多的氢；环境风速较大时，一方面会对焊工的操作产生影响，另一方面会积聚较多风沙，使焊缝冷却速度加快，降低焊缝质量；另外环境温度对于冷却速度有较大影响，因此对于环境要求需要予以规范。
对此国外有相关要求。如API 2201要求-45℃以下不适宜进行焊接，除非搭建保温棚或者使用局部供热装置。俄罗斯做法是允许在-40℃内进行焊接维修，焊前应在焊接地点做好防风雪措施，除去管材端部的积雪、冰层，以避免热蒸汽进入焊接电弧区。因此可见在大多数情况下，在线焊接可以进行，温度过低情况下应使用保温装置，如保温棚，风速过大（超过5m/s）时应搭建挡风棚。
不锈钢管道本体
（1）钢材
氢裂纹的发生与钢等级有密切关系。其中碳含量和碳当量的影响较大。高的碳含量钢级HAZ硬度较高，易产生裂纹。不同碳当量钢材的强度、硬度和对裂纹的敏感性均不同。一般认为CE≤0.4%可焊性好；CE在0.4%~0.6%范围内可焊性稍差，应进行预热；CE≥0.6%可焊性较差，属难焊材料，需采用较高的预热温度和严格的焊接工艺。X80钢碳当量一般在0.40~0.43[55]，X70钢碳当量一般在0.36~0.39[56]，X65钢碳当量一般为0.28~0.33[57]。因此随着钢级提高，可焊性变差，对于焊接的要求更为严格。从图2.3可以看出，随着碳当量的提高，发生裂纹的临界硬度也相应增加，而对于小于0.35%和大于0.5%的碳当量时，临界硬度保持不变。因此，对于X80管线钢焊缝检测的临界硬度指标相比X70以下钢级可以相应提高。
鉴于特定不锈钢管道而言碳当量、强度和硬度是确定的，因此钢级的影响主要在于焊接参数选择不同，如X65、X70、X80对于预热要求、冷却速度等方面要求不同。具体见下面分析。
（2）管径和壁厚
对于成品油不锈钢管道而言，焊接质量主要影响因素为管径和壁厚。一般高钢级不锈钢管道壁厚和口径都比较大，如X70不锈钢管道管径1016mm、壁厚21mm（二级地区），X80不锈钢管道管径1219mm、壁厚26.4mm（二级地区）。
研究表明壁厚的增加对于在线焊接是有利的。从图2.4和图2.5可知，不锈钢管道内部流动介质对焊接冷却速率的影响随着不锈钢管道壁厚增加而降低。对于小于6.4mm壁厚的不锈钢管道，流动介质对焊接冷却速率有显著影响；当壁厚超过12.7mm时，影响则较小。此外壁厚较厚不锈钢管道比较薄不锈钢管道更容易进行预热操作。据了解，鉴于人口密度的关系，欧洲不锈钢管道壁厚较北美更厚一些，因此欧洲的不锈钢管道业主在线焊接时经常进行预热，相比之下北美预热则较少。然而在实践当中，壁厚一般随着钢级提高，高钢级壁厚一般也比较大，而钢级高往往碳当量、硬度、强度等均较高，因而开裂敏感性也较高，因此往往也需要较高的预热要求以防止氢致裂纹产生。表2.2表明随壁厚增加，焊接许用压力也相应提高，可以降低降压要求，提高抢修时效。
管径的影响主要在于随着管径的增大，管内介质容量也增多。一般大管径不锈钢管道往往为高钢级，设计压力、介质流速也往往比较高，因此会带走更多的热量。此外对于焊接时间、预热输入功率、设备等方面要求更高一些。
（3）介质
介质的影响主要在于介质的流动会带走预热和焊接过程产生的热量，进而容易产生裂纹。介质的影响主要包括介质压力、介质流速、介质温度。
一般实践当中常常会进行降压以保证焊接员的安全。国内外通行的是采用降压公式计算安全压力，但此种方法需要专业技术人员支持；ASME B31.8要求“管线的压力已经降低到不足以使管子产生的环向应力超过最小屈服强度的20%”操作性不强，俄罗斯标准要求“不锈钢管道内余压2.0MPa以内”更为严苛。此外压力的另一作用表现为对流速的影响，压力提高流速相对也会提高。
介质流速的主要作用表现为对冷却速度有显著影响。对此国外开展了较多有关冷却速度预测研究。Battelle公司建立的热力学分析计算模型可预测内壁面温度和焊缝冷却速度。这个模型运用热传递方程式的二维数值求解来预测套袖填角焊或者支管坡口单道焊的冷却速度，输出实例如图2.6所示，冷却速度随流速增加而显著增加或冷却时间随流速增加而显著降低。EWI建立的吸热能力预测方法是使用数字接触式温度计和秒表，秒表记录不锈钢管道被加热部分（加热到300～325℃的区域）的温度从250℃冷却到100℃所需的平均时间，该时间视作不锈钢管道散热能力参考值，然后通过经验公式来预测焊接冷却速度，通过图2.7可预测壁厚6.4mm的不锈钢管道在不同压力和不同热输入量下的冷却时间。这两种方法通过经验公式和不锈钢管道材料的碳含量，可以得到热影响区（HAZ）最高允许硬度，结合不锈钢管道碳当量进行进一步计算后得到临界冷却速度。焊接工艺参数（例如热输入量）的选择可基于冷却速度。热力学分析计算模型法考虑预热因素的影响但是吸热能力测量法不考虑，此外这两种方法均不适用于回火焊道。
介质温度对于冷却速度有一定影响。但由于调节不锈钢管道运行温度的可操作性较低，通过控制管内介质温度来调整冷却速度的可行性不大。
一般实践当中常常会进行降压以保证焊接员的安全。国内外通行的是采用降压公式计算安全压力，但此种方法需要专业技术人员支持；ASME B31.8要求“管线的压力已经降低到不足以使管子产生的环向应力超过最小屈服强度的20%”操作性不强，俄罗斯标准要求“不锈钢管道内余压2.0MPa以内”更为严苛。此外压力的另一作用表现为对流速的影响，压力提高流速相对也会提高。
介质流速的主要作用表现为对冷却速度有显著影响。对此国外开展了较多有关冷却速度预测研究。Battelle公司建立的热力学分析计算模型可预测内壁面温度和焊缝冷却速度。这个模型运用热传递方程式的二维数值求解来预测套袖填角焊或者支管坡口单道焊的冷却速度，输出实例如图2.6所示，冷却速度随流速增加而显著增加或冷却时间随流速增加而显著降低。EWI建立的吸热能力预测方法是使用数字接触式温度计和秒表，秒表记录不锈钢管道被加热部分（加热到300～325℃的区域）的温度从250℃冷却到100℃所需的平均时间，该时间视作不锈钢管道散热能力参考值，然后通过经验公式来预测焊接冷却速度，通过图2.7可预测壁厚6.4mm的不锈钢管道在不同压力和不同热输入量下的冷却时间。这两种方法通过经验公式和不锈钢管道材料的碳含量，可以得到热影响区（HAZ）最高允许硬度，结合不锈钢管道碳当量进行进一步计算后得到临界冷却速度。焊接工艺参数（例如热输入量）的选择可基于冷却速度。热力学分析计算模型法考虑预热因素的影响但是吸热能力测量法不考虑，此外这两种方法均不适用于回火焊道。
介质温度对于冷却速度有一定影响。但由于调节不锈钢管道运行温度的可操作性较低，通过控制管内介质温度来调整冷却速度的可行性不大。
