低溫環境下長輸管道焊接裂紋防護策略

倪京華

摘 要：焊接裂紋是焊接件中最常見的一種嚴重缺陷。在焊接應力及其他致脆因素共同作用下，焊接接頭中局部地區的金屬原子結合力遭到破壞而形成的新界面所產生的縫隙。隨著油氣長輸管道的不斷發展，在國內外管道工程施工越來越多，中石化在國內近些年相繼建設了很多大型工程，例如川氣東送、西氣東輸二線和西氣東輸三線管道工程等等，管線材質也在不斷提高，從X 60、X 70逐漸升高到X 80甚至達到了X 90，壁厚也從11mm、17.5mm 上升到22mm、26.4mm 和33mm ，材質等級越高產生焊接裂紋的傾向越大。尤其在冬季焊接時極易產生致命的焊接裂紋缺陷，對管道的安全運行埋下極大隱患，本文通過冬季施工經驗的總結和研究，總結了在極端低溫條件下焊接施工預防措施。

關鍵詞：冬季管道施工；焊前預熱；層間加熱；焊后保溫；焊接裂紋

針對國內外很多地區冬季管道施工雪大、風大、溫度低、天氣寒冷，焊接時需要采取防護措施，本文著重介紹了寒冷天氣下采取的冬季焊接裂紋的防護措施，在焊前預熱、層間加熱、焊后保溫等方面做了詳細的介紹。

1 管道焊接裂紋產生的原因

管道焊縫裂紋是焊接過程中或焊接完成后在焊接區域中出現的金屬局部破裂的表現。焊縫金屬從熔化狀態到冷卻凝固的過程經過熱膨脹與冷收縮變化，有較大的冷收縮應力存在，而且顯微組織也有從高溫到低溫的相變過程而產生組織應力，再加上母材非焊接部位處于冷固態狀況，與焊接部位存在很大的溫差，從而產生熱應力等等，這些應力的共同作用超過材料的強度極限則導致開裂。裂紋的存在大大降低了管道焊接接頭的強度，并且焊縫裂紋的尖

端也成為管道運行承載后的應力集中點，是導致結構斷裂的起源。管道焊接最常見的裂紋主要為冷裂紋和再熱裂紋，而冬季施工最容易出現冷裂紋。冷裂紋即焊接完成后冷卻到低溫或室溫時出現的裂紋，或者焊接完成后經過一段時間才出現的裂紋（這種冷裂紋也稱為延遲裂紋），冷裂紋多出現在焊道與母材熔合線附近的熱影響區中，管道壁厚越大，冷卻過快造成冷裂紋可能性越大，其成因主要是與焊道熱影響區的低塑性組織承受不了快速冷卻時體積變化及組織轉變產生的應力而導致開裂。

長輸管道絕大多數裂紋發生在冬季環境下施工，通過現場實際調查，在產生的裂紋口中的98% 焊口都在冬季焊接時出現的，甚至還出現了比較少見的橫向裂紋。綜上所述，在保證焊材、管材本身不出現問題，不受地形因素影響，設備性能保證正常，焊接時參數嚴格執行焊接工藝評定的情況下，產生管道焊接裂紋的原因主要有以下三個方面：（1）焊前預熱措施不到位，很難保證焊縫區域溫度；（2）母材厚度較大，冷卻太快，過于迅速；（3）施工準備不足，層間伴熱和焊后防護措施不到位。

2 冬季焊接裂紋防護措施

根據管道冬季焊接時產生裂紋的原因，為了保證管道焊接質量，避免出現裂紋和其他缺陷，結合西氣東輸三線西段二標段管道工程的焊接施工經驗，總結出了在冬季焊接時預防裂紋產生的預防措施：（1）較低溫度下焊前預熱措施。在冬季管道焊接時，必須提前預熱，在焊接工藝評定允許的情況下提高預熱溫度，如果管線壁厚比較大，應延長預熱時間，使管道整個圓周方向均勻預熱。同時，由于環境溫度太低，冷卻速度較快，在冬季-5℃以下使用火焰加熱效果不佳，應采用電加熱帶或者感應加熱的方式對焊口位置進行預熱，但能保證預熱均勻、預熱溫度滿足工藝要求，確保預熱充足，提高根焊焊接質量，避免根部裂紋的出現。（2）層間持續伴熱措施。在冬季較低溫度下管道焊接，冷卻速度快，尤其根焊結束后熱焊、填充時層間溫度下降較快，即使采用火焰反復加熱，對于大口徑管道來說，該層還沒有焊接完溫度已經降到很低。造成施工效率低下且焊口層間溫度無法保證，為了保證層間溫度，可采用電加熱帶進行持續伴熱焊接，可以有效保證在冬季低溫嚴寒條件下焊口的層間溫度。（3）焊后保溫緩冷措施。冬季氣溫低、焊接完成后冷卻過快極易產生冷裂紋，采取措施降低焊口冷卻速度，采用焊接后立即鋪設保溫被保溫（見圖），降低冷卻速度。保溫被的寬度應比裸露的鋼管母材寬度寬0.4m 以上，長度比管道圓周周長長0.2m以上，厚度具體根據管徑大小、壁厚大小而定，一般至少要保持在250m m 以上，例如在西三線管道工程中焊后保溫被達到了1m 寬、14m 長、0.5m 厚，有效保證了焊接質量。（4）提高焊接周圍環境溫度措施。

考慮冬季焊接周圍環境條件比較惡劣，在極端嚴寒天氣下，制作保溫棚，同時在保溫棚內增設浴霸、小太陽等輔助加熱設施，盡最大可能提高施焊周圍環境溫度，保證冬季焊口質量。

3 結束語

在冬季進行管道焊接時，為了保證焊接質量，減少裂紋的出現，避免今后管線的運行出現安全事故，為工程提供寶貴的經驗。1）使用環形火焰加熱器、電加熱帶或其他感應加熱

方式進行預熱，適當提高預熱溫度，保證根部焊接質量。2）采取電加熱帶伴熱的方式保證焊口層間溫度符合規范要求。3）焊后立即鋪設符合要求的保溫被，使焊縫緩慢冷卻到室溫，特別是壁厚大的管線要注意保溫措施，避免冷卻過快出現裂紋等缺陷。4）使用焊接保溫棚，提高焊接環境溫度，充分利用浴霸、小太陽等輔助設施進行加熱。

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