在线焊接管道设计压力的影响因素

在线焊接管道设计压力的影响因素

张著铭

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摘要：油气管道是构建油气资源与市场之间的桥梁。近些年油气管道不断铺设，管线长度不断刷新，但是管道事故时有发生，有较多的维抢修技术处理事故管道，其中在线焊接是重要的维抢修技术，它能在不间断输送介质的情况下完成换管、套袖焊接修复、补板焊接修复以及增加支线，恢复管道正常运行。与传统的先停输后焊接的修复方式相比，大幅缩短修复周期，可以保证生产的正常进行。因此，本文简要对在线焊接管道设计压力的影响因素进行分析，希望能为各位同行提供一些有用的建议。

关键词：在线焊接；质量影响因素；管道设计压力

1.在线焊接质量影响因素

1.1在线焊接存在问题

在线焊接过程中会出现多种质量问题。比如焊缝错边、咬边、焊缝宽度不足。烧穿和氢致开裂问题是国内外学者研究的重点。PRCI（国际管道研究协会）对在线焊接存在的问题提供了解决方法，如打磨、套筒、补焊。

（1）烧穿

在线焊接过程中，当熔池下没有熔化金属的瞬态残余强度低于管内压，就会造成管壁焊穿失稳，引起管内介质泄漏，泄漏的油气极有可能引发爆炸，威胁作业人员人身安全和管道运行安全。使用低氢焊条焊接并且控制热输入量水平，会产生最小量的熔透深度，能减少烧穿发生的可能性。

（2）氢致开裂

由于介质流动带走管壁热量，使焊接冷却速度增大，最后引起的氢致裂纹现象称为氢致开裂。氢致开裂的控制比烧穿要困难得多。产生氢致开裂的前提有三个，即焊缝中的氢、淬硬倾向和应力状态。为防止发生氢致开裂，必须至少排除三个前提中的其中一个。如使用低氢焊接工艺来降低焊缝中的氢含量。

1.2在线焊接质量影响因素

在线焊接中出现的烧穿和氢致开裂是国内外研究的热点，这些问题的影响因素很多，主要包括管道本体、焊前处理、焊接工艺和焊后处理。

（1）管道本体

①壁厚

一般认为壁厚超过6.4mm是预防烧穿的最小厚度。ASME对气体管道最小壁厚开展过研究，考虑烧穿因素，研究得出最小壁厚与气体流速和管内压有关。在一定管内压下，管道最小壁厚随气体流速的增加而减少；在气体流速一定的情况下，管道最小壁厚随管内压的增加而减少。

②介质流速

介质流速过快会带走更多焊接时产生的热量，增强了管壁散热，使焊接接头淬硬倾向增加，容易诱发氢致开裂；介质流速过慢会造成热量集中，从而引起烧穿。因此介质流速要合理才能避免在线焊接问题的发生。

（2）焊前处理

①预热方法

焊前需预热，预热能使接头硬度下降，有助于扩散氢的排出，可预防氢致裂纹的发生。

②预热温度

对于预热温度的选择，在较小热输入下，焊前预热温度推荐值为150℃，热输入量较大时，预热温度应予以限制。

（3）焊接工艺

①焊条直径

焊条直径是由壁厚、焊接层次、焊接接头形式等因素决定。

②层间温度

③焊接顺序

焊接顺序对残余应力应变有较大影响，而焊接残余应力是形成氢致裂纹的重要因素，因此合理安排好焊接顺序可降低焊接残余应力，保证焊接质量。

④不同材质

不同材质钢材在线焊接过程中，由于不同材质钢材存在物理性能、焊接性能的差异，造成焊接热源热传导效果不同，对焊接温度场和应力场的分布产生非对称的影响。

⑤热输入量

热输入量的指标是焊接线能量，随着线能量的增加，HAZ的最大硬度降低，能降低产生淬硬组织的倾向，对氢致开裂的预防越有利，但是线能量的增加造成焊接熔深的增大，可能会发生烧穿。因此，需要平衡焊接热输入量，在不发生烧穿的条件下，提高焊接热输入量。采用常规设备（安培钳、电压表、秒表等）或特制的电弧监测设备可以实现热输入水平的准确测量。还可使用耗用比（一段时间内熔敷长度与焊条消耗长度的比值）方案控制热量输入水平。

（4）焊后处理

对于高寒地区的在线焊接，由于焊接冷却速度较快，管道淬硬倾向加强，焊前预热和维持层间温度的作用均不明显，这时有必要对焊接接头在出现裂纹前尽快进行热处理，以确保接头质量。后热完成后要及时保温，能延缓冷却速度，从而降低接头氢含量，减少氢致裂纹发生的可能。

2.管道应力分析方法

首先要对管道进行应力分析，具体考虑内在应力与外在负荷问题，具体对管道的一、二、三次应力进行分别验算，通常可以采用公式法、经验法和计算机技术进行分析。目前最常用，最有效的方法是计算机分析法，工作人员可以使CAESR/Ⅱ管道应力分析软件操作，这样可以提高分析效率。

2.1压力管道应力分析的设计要求

在进行管道应力分析设计时，需要注意管道布置的问题，为了提升应力分析与设计的方便程度，工作人员可以调节管道空间走向与支架数量，选择科学的支架形式进行管道连接，尽可能避免管道热胀冷缩出现泄漏现象。一旦管道柔性不够，在推力过大时就可能使设备变形、管道支架移动，最终导致管道断裂，所以要注重管道布置的合理性。另外，判断管道柔性是否达标，需要分析管道应力及其作用力，具体可以从三方面入手进行判断。第一，在内压和外在作用下，管道会出现一次应力，一次应力应该高于材料所需应力，通常情况下，只需按照规定进行管道选择即可承受一次应力。当出现持续外在应力时，管道也可凭借支吊架的作用抵挡受力。第二，管道热胀冷缩时会出现二次应力，此应力应该小于材料膨胀的许用应力承受范围内，当管道二次应力超过范围，而一次应力小于管道所需应力时，可以将一次用力加入许用应力，达到提高许用应力范围的目的。第三，对于气压机、汽轮机等机械的管道而言，出口嘴上的管道推力与力矩在制造商提出的允许规定内即可。

2.2管道应力分析步骤及管道布置调整

在具体进行管道应力分析和布置时，需要做好以下几方面的工作。①要根据化工装置的具体情况确定应力分析范围。②根据应力计算与装置的要求，提前设计管道走向以及支架位置、形式，一般选用吊架或滑动支架较好，而垂直管道科学要设置导向支架。③工作人员要提前规划管道应力计算的三维视图，标清管道等级、操作温度、阀门位置等相关信息。④可利用应力分析软件进行具体的应力分析。⑤工作人员要根据应力分析结果，进行管道空间布置，适当调整支架吊架位置，直到确保应力和作用力符合标准为止。

3.结语

为了保证油气压力管道的正常运行，需要对在线焊接和管道设计压力进行分析。尤其是在明确了在线焊接质量影响因素的基础上，做好管道压力设计与布置，全方位地提高管道安全性。

参考文献：

[1]薛小龙，朱加贵，桑芝富.在线焊接管道设计压力的影响因素[J].中国科学E辑：技术科学，2006（09）：991-1001.

[2]薛小龙.压力管道在线焊接技术的研究[D].南京工业大学，2006.