油氣管道環焊縫新型修復技術研究

張永弟，常維純，郭 旭，陳洪民，陳海鵬，賈 康，孫寶鈺，陳佳興

(1.河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018；2.國家管網集團科學技術研究總院分公司，河北廊坊 065000；3.國家管網集團北方管道公司，河北廊坊 065000)

管道是目前油氣運輸最安全、最經濟的方式。為了滿足社會和工業生產對能源的需求，進一步提升油氣運輸能力，近40年來，能夠適應高壓、薄壁、大口徑長輸油氣管道性能要求的高強度管線鋼得到了持續研發和推廣應用，工業化應用鋼級已由X70鋼提升至X80鋼，試驗性鋼級已提升至X120鋼[1-5]。X80管線鋼是采用微合金控軋技術研制，強度高，韌性好，是目前中國使用的高強度級別的管線鋼，已大量鋪設在“西氣東輸”工程中。管道敷設距離跨度大，經過的地形地貌復雜，土壤介質成分復雜，由于焊接區存在較大的組織性能的不均勻性和殘余應力，加之受土體移動等附加載荷的影響，由于環焊縫缺陷而引起的事故時有發生。自2008 年以來，以西氣東輸二線、 漠大線、陜京三線等為代表的高鋼級(X70，X80)、大口徑(Ф1 016 mm，Ф1 219 mm)管道建設現場，由于焊接工藝難度增大、缺陷漏檢率較高，在管道建成試壓和投產運行初期，由于環焊縫缺陷引起的事故在70%以上。

油氣管道環焊縫的傳統修復技術有打磨、堆焊、B型套筒、環氧鋼套筒、機械夾具、換管等。在堆焊、B型套筒以及換管屬于焊接修復技術，其中B型套筒是高鋼級管道環焊縫缺陷的首選修復技術，但修復過程中由于焊接時間長、預熱不良、冷卻慢等原因，會導致角焊縫出現橫向和縱向裂紋[6]，而且套筒預制成本較高，如B型套筒修復1422管徑的X80管道，套筒加焊接，修復一次花費幾十萬元；換管修復需要停輸，修復周期長、成本高，以中俄東線為例，天然氣輸量為380億m3/a，每年輸送時長不低于350 d，停1 d，就少輸1億m3，損失巨大；而低成本的堆焊修復方式在服役管道上焊接時，存在氫脆和冷脆的危險，國外禁用[7]。打磨、環氧鋼套筒和機械夾具屬于非焊接修復技術，對一般的環向裂紋或環焊縫缺陷還有可能繼續發展的內部缺陷，不推薦使用該類修復技術[8]。

在高鋼級環焊縫缺陷頻發的情況下，為了提高管道安全性能，需采取及時有效的手段對管道缺陷進行修復。隨著冷噴涂、激光熔覆和電弧增材等新型修復技術的發展，在當前大口徑高鋼級環焊縫缺陷頻發的情況下，嘗試把新型修復技術應用于環焊縫修復，研究其可行性和經濟性具有重要的實際意義，本文對X80管線鋼環焊縫缺陷展開新型修復技術研究。

1 修復技術對比

1.1 傳統修復技術

環焊縫缺陷指由于工藝、技術或操作環境等原因產生的缺陷，主要包括裂紋、氣孔、咬邊、夾渣、未熔合和未焊透等[9]。國內外相關標準推薦了管道環焊縫缺陷的傳統修復技術及適用管材等級如表1所示。美國、俄羅斯、加拿大等國際著名管道公司(如BP，TRANSCANADA，ENBRIDGE和Gazprom等)，修復油氣管道均參照美國管道研究委員會頒布的《管道修復手冊》進行管道維修[10]。中國油氣管道標準的制定主要借鑒國外的PRCI，ASME PCC-2《壓力設備和管道維修》[11]，針對環焊縫缺陷修復的標準有：GB/T 36701—2018，SY/T 6649—2018等。各公司制定的標準之間推薦的修復方法存在一定差異，目前尚無統一的管道環焊縫缺陷修復方法行業標準[12]。

1.2 新型修復技術

隨著科技的發展，近些年出現了激光熔覆、冷噴涂和電弧增材制造等先進的增材修復技術，通過逐層堆疊材料來恢復零件失效部分的形狀、尺寸和性能，并可根據需要添加微量元素來提高零件的服役壽命。

表1 管道環焊縫缺陷傳統修復技術

1)激光熔覆(laser cladding，LC)又稱激光熔敷或激光包覆，是在基板表面添加熔覆材料，并使用高能激光束將其與基板表面薄層熔合的一種方法，激光束移除后自動冷卻而形成修復層的技術。與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有以下優點：冷卻速度快，熔覆層與基底之間冶金結合，可選擇熔覆粉末的范圍廣(鐵基，鈷基，金屬陶瓷材料等)，熔覆層厚度范圍廣，被用于重載、大尺寸損傷件的再制造修復[13]。

激光熔覆技術目前尚存在以下幾方面問題：①熔覆過程中工藝參數的不可控因素。激光熔覆的技術參數如激光能量、光斑尺寸、熔覆速度、送粉方式和送粉速度等對熔覆層的力學性能和微觀結構起著決定性的作用，而且許多技術參數仍相互影響制約。目前各類科研及生產機構所使用的參數仍以經驗數據為主[14]，缺乏理論依據；②激光熔覆用于修復應用，目前以金屬粉材居多，修復力學性能滿足要求，但修復效率低(4 000 W激光器掃描速度10～15 mm/s)、成本高，粉末利用率低(20%～70%)，熔覆過程需要惰性氣體(一般為氬氣)保護，金屬粉末直徑在48～150 μm，粉末需要干燥，對修復工況要求高。

2)冷噴涂(cold gas dynamic spray，CGDS，冷空氣動力噴涂)，通過低溫(<600 ℃)、高速(300～1 200 m/s)的小顆粒(1～50 μm)氣流撞擊金屬或絕緣基板表面時，顆粒在整個過程中不會熔化而是保持固體，并且這些顆粒經過純塑性變形并聚合形成涂層[15]。冷噴涂具有低溫(<150 ℃)、無氧化、可制備復合涂層、對基材的熱效應小、涂層的孔隙率低、成型涂層的壓應力和殘余應力低、沉積速率高，并且可以保留原始粉末材料等特性。在航空航天零部件修復中可以避免因熱輸入過大、溫度過高導致的修復部分產生氧化夾雜、熱變形和開裂等缺陷[16]。

冷噴涂修復技術目前尚存在以下幾方面問題：①冷噴涂修復最大厚度僅10 mm；②冷噴涂結合強度低，結合力在30～100 MPa，鑒于此，目前多用于保護涂層和功能涂層；③冷噴涂工藝常使用氦氣來提高噴涂質量，尤其是在噴涂鋼、鎳或高溫合金時，這會增加工藝成本[17]；④冷噴涂不能沉積在相對于噴涂方向小于約45°的表面上。

3)電弧增材制造技術(wire arc additive manufacture，WAAM)是一種利用逐層熔覆原理，利用熔化極惰性氣體保護焊(MIG)、鎢極惰性氣體保護焊(TIG)和等離子體弧焊(PAW)等焊機產生的電弧為熱源，通過金屬絲材的添加，在由缺陷數據模型生成的路徑規劃程序驅動下由點—線—面—體逐漸成形，使缺陷零件恢復形貌和性能的先進增材修復技術[18]。電弧增材為失效或缺陷零件的修復提供了高效、低成本的解決方案，在航空航天、能源化工、管道運輸等高端裝備領域具有廣闊的應用前景。

電弧增材制造技術具有如下特點：①電弧增材制造采用電弧熔化絲材，單根絲材熔化效率可達到3～6 kg/h，成形效率高、成本低[19]；②電弧增材制造的驅動裝備是多軸機器人，自由度較高，易于對大型構件任意局部位置進行修復；③電弧增材制造可外加導軌，增加機器人移動范圍，適合大型復雜構件的成形；④電弧增材制造適用材料廣泛，比如不銹鋼、鎳基高溫合金、鈦合金、鋁合金、30CrMnSiA高強鋼等[20]。

1.3 油氣管道環焊縫缺陷新型修復技術的可行性分析

目前3種新型修復技術中冷噴涂的結合力弱，涂層厚度有局限性；激光熔覆成本高，粉末利用率低，對工況環境要求較高；電弧增材修復效率高、成本低、可對大型構件的任意局部位置進行堆積。對3種新型修復技術進行對比分析，采用電弧增材制造技術用于油氣管道環焊縫修復的可行性較高，因此對電弧增材修復技術展開實驗研究。

2 電弧增材修復環焊縫實驗

寬板拉伸試驗方法是管道環焊縫缺陷評估的重要手段[21]。與常規環焊縫缺陷評估方法相比，寬板拉伸試驗具有其獨特的優越性[22]。本研究采用X80管線鋼管外徑為1 422 mm,壁厚為22 mm。 X80管線鋼基材試樣3件，編號為0，1和2號試樣，其中0號試樣是傳統焊接工藝修復的試件，人為對1號和2號試樣的環焊縫處制造深度11 mm，坡口60°的環焊縫缺陷，采用CMT工藝，送絲速度4.4 m/min，直徑為1.2 mm的ER50-6 的焊絲對其進行修復。對修復后試件機加工成標準拉伸試件，采用WE-60液壓式萬能材料試驗機進行拉伸實驗，對修復后的拉伸性能和斷面形貌進行分析。

2.1 實驗材料

垂直于X80油氣管道焊縫軸線處截取試樣，如圖1 a)所示，依據 Q/SYGJX 0110—2007 《西氣東輸二線管道工程線路焊接技術規范》和 GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》的要求將拉伸試樣加工成如圖1 b)所示的全壁厚矩形試樣。

從性別差異視角出發，即新媒體對工作匹配的影響是否會突出地表現在女性農民工身上(模型三)的具體回歸結果則如表4所示：

圖1 拉伸試樣取樣Fig.1 Sampling of tensile specimens

按照 GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》、GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》的要求，通過計算將拉伸試樣進行加工。機加工時不去除焊縫余高，并確保試樣兩端足夠夾持住，加工完成的標準件如圖2所示。

圖2 拉伸試樣Fig.2 Tensile specimen

2.2 實驗方案

1)人為制造環焊縫缺陷

在試件1和試件2環焊縫處人為制造V型坡口缺陷，如圖3所示。該坡口的關鍵參數是坡口角度(a)和坡口深度(h)。設計的V型坡口角度為60°，坡口深度為11 mm。坡口角度不宜過小，否則焊接過程中產生的熔渣和一氧化碳氣體不能翻滾、浮出，導致氣孔、夾渣缺陷發生率的增加。

圖3 環焊縫V型坡口缺陷Fig.3 V-shaped defect of girth weld

2)電弧增材修復環焊縫缺陷實驗

采用1.2 mm直徑的ER50-6焊絲，對試件1和試件2的V型坡口缺陷進行修復，執行標準參見 GB/T 8110—2008《氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》。在進行擺動焊接實驗時，除了常規焊接參數，例如焊接電流、焊接電壓等對焊縫成形產生影響外，擺動模式、擺動長度以及擺動寬度也會產生影響[23]。經過常規焊接參數對焊縫成形影響規律的研究，最終采用冷金屬過渡工藝(CMT)進行修復，具體工藝參數如表2所示。修復過程中用FLUKE(福祿克)紅外熱像儀進行溫度檢測，顯示最高溫度583 ℃，修復完后立刻離線檢測：修復面背面溫度小于240 ℃。修復后的試件如圖4所示。

圖4 WAAM修復后的試件Fig.4 Specimens after WAAM repair

表2 WAAM工藝參數

3)拉伸試驗

表3 拉伸試驗結果

圖5 斷面形貌Fig.5 Cross-sectional shape

3 結 語

本研究是新型修復技術在石油天然氣領域油氣管道環焊縫缺陷修復中的開拓性創新研究，通過理論分析和初步試驗證明其進一步研究的方向和可行性，通過對高鋼級油氣管道環焊縫缺陷的修復需求，對比并分析了激光熔覆、冷噴涂和電弧增材3種新型修復技術，研究結論如下。

1)根據目前技術發展現狀，激光熔覆金屬粉末利用率低，對修復工況要求較高；冷噴涂修復界面結合力低，力學強度不滿足要求；電弧增材制造沉積效率高、成本低，力學性能可滿足要求，CMT工藝溫度低，可行性較好。

2)通過實驗驗證了電弧增材修復的環焊縫拉伸試件抗拉強度最高達639 MPa，與母材的抗拉強度幾乎一致，與管體基材強度匹配。

研究結果得出了電弧增材制造技術離線修復油氣管道環焊縫缺陷的可行性，力學性能滿足修復要求。本研究目前尚存在以下不足：試驗樣本數較少且人為制造的環焊縫缺陷比較深、焊絲直徑偏大，關于環焊縫修復的普遍變化規律未能給出一定的量化分析。后期研究可增加試驗數量，對管道缺陷進行光學掃描，建立三維修復模型，生成修復路徑，進行數字化修復，并進一步對修復工藝參數和材料等進行深入研究。