冬季X70钢连头根焊层返修裂纹的控制

王 帅，崔 嘉，付雪松，秦 军，周 毅

（1.西南油气田公司输气管理处成都管道抢险维修中心，四川成都610213；2.西南油气田公司川中油气矿龙岗净化厂，四川仪陇637648；3.重庆市渝川燃气有限责任公司，重庆404000）

冬季X70钢连头根焊层返修裂纹的控制

王 帅1，崔 嘉1，付雪松1，秦 军2，周 毅3

（1.西南油气田公司输气管理处成都管道抢险维修中心，四川成都610213；2.西南油气田公司川中油气矿龙岗净化厂，四川仪陇637648；3.重庆市渝川燃气有限责任公司，重庆404000）

X70钢输气干线在冬季停气连头施工受到低温天气的影响，焊口容易出现焊接缺陷，尤其在根焊层返修过程中裂纹的产生最为明显。针对这一实际问题进行裂纹产生原因分析，并提出相应的控制措施。

X70钢；返修裂纹；控制措施

0 前言

目前，在新建或在建的油气输送大口径管线中大量采用X70高强管线钢（以下简称X70钢）。这种管材与其他常用管材相比，具有强度高、韧性好的力学性能特点，同时能节约管材，减少投资，是一种理想的管道建设用管材。但X70钢在冬季停气连头（以下简称连头）施工的焊口根焊层返修中（指全焊缝厚度返修，即焊缝打穿返修），因环境、人员操作、焊接工艺控制不妥，易产生返修裂纹。年末对某输气管道（X70钢，规格D813mm×10mm)开展安全隐患整改，进行管道停气换管作业时，在焊口根焊层的一次返修中出现裂纹缺陷，严重影响连头施工周期，以至推迟管道恢复输送的时间，影响了下游用户的生产和生活。

1 焊口返修裂纹产生原因

1.1 冷却速度对X70管线钢返修焊缝的影响

X70钢属于微合金化控轧钢，其含碳量低，为提高钢材强度，加入大量的固溶和沉淀强化合金元素，原始组织主要为细小的针状铁素体。但在根焊层返修过程中，由于冬季室外温度相对较低，加之焊口返修是在管线施工刚性拘束较大的情况下进行局部小区域的槽内焊接，其冷却速度较大，焊缝热影响区最终转变为含碳量较高的贝氏体和马氏体，且得到马氏体的临界速度要低，焊缝易产生脆性淬硬组织[1]。

1.2 焊接工艺

通常焊缝金属是熔敷金属和母材熔化金属的混合物，其性能和母材金属、熔敷金属有所区别。在有熔敷金属填入的多层焊中，同一焊接方法和坡口类型，其焊缝根部是焊接过程中发生稀释作业最大的地方，严重影响焊缝组织稳定性。此外在返修焊接时由于一些连头状况的影响，常采用含氢量高的纤维素焊条根焊，以及自保护药芯焊丝半自动填盖焊等线能量小、冷却速度快的焊接工艺，均会增加冷裂纹的敏感性。

1.3 连头施工的特殊性

1.3.1 应力现象较突出

连头施工的焊口由于新旧管线的管材规格、型号偏差，造成管壁错边量较大、对口间隙不均匀等现象，一般存在借助外力（如千斤顶强顶压、倒链强拉）强力组对或组对尺寸超标而强行组对，使焊缝产生较大的残余应力。其次，连头作业工序时间一般为上午下料→中午组对→下午焊接，检测报告出来后，焊口返修时间段处于外界气温的下降阶段，热胀冷缩在长距离管道长度方向表现明显，管线收缩应力增加突出。此外返修时撤除吊装设备，往往会改变管的受力状况，使返修位置呈现应力状况。

当上述应力方向为拉应力时，会与根焊层返修焊缝横向收缩方向冲突，如图1所示。根焊层焊缝厚度达到的最大抗拉强度小于根焊层返修处形成的横向收缩应力与管道拉应力共同作用下的应力合值，导致根焊层返修处形成的焊缝被拉断，产生根焊裂纹。当共同作用下的应力合值略小于根焊层焊缝最大抗拉强度时，虽然焊口返修处焊缝不会产生裂纹，但会使返修处焊缝的内部留下较大的内应力，管道受载运行后，在疲劳、应力腐蚀等因素影响下，最终导致焊缝产生开裂。

图1 返修焊缝应力状况

1.3.2 管内气流和污物

管道内部气体受昼夜温差、放空管的抽吸现象、控制阀门关闭不严等因素影响，在根焊层返修时会受到气流的影响，管内气体的流动不仅使根焊操作变得更加困难，也增加返修焊缝的冷却速度，而且原管道管内的污物（川渝天然气管道主要是硫化铁粉）堆积或附着于打开间隙的管道内壁两侧，返修焊接时熔入根焊层，硫、磷等杂质严重影响根焊层焊缝质量，其变形能力极差，使焊缝金属在厚度方向上的力学性能，特别是断面收缩率严重下降。在垂直于厚度方向的焊接拉应力作用下，该夹杂处首先开裂并扩展。硫、磷等杂质还会影响氢从钢中的析出，加剧层状撕裂倾向[3]。

1.4 返修打磨、焊接对焊缝组织影响

X70管线钢焊接接头的脆化问题是引起管线开裂和脆性破坏的主要原因，焊口返修使焊缝组织晶粒粗大、硬度增加，尤其根焊层最为明显。经X70管线钢焊口与返修焊口根焊层硬度HV10试验（见图2、表1）得知返修打磨、焊接对焊缝根焊层硬度影响为：热影响区硬度增加约9％，焊缝硬度增加约22％。可见返修打磨与二次焊接严重影响根焊层焊缝组织硬度，增加焊缝脆硬倾向，是促使根焊层返修产生裂纹的最根本因素。

图2 硬度HV10试验取点状况

表1 硬度HV10试验数据

1.5 内错口状况下，返修焊缝打磨失误

焊缝返修处存在管内错边状况，且未彻底打磨原根焊焊缝，在根焊焊缝热收缩的影响下，焊缝薄弱位置受到拉应力大于其最大承载强度时，根焊边缘焊缝拉裂形成根焊焊趾裂纹，如图3所示。

2 防止产生返修裂纹的措施

要防止根焊层返修裂纹的产生就要从连头施工裂纹产生因素着手——热裂纹产生因素是低熔共晶体和热应力，冷裂纹产生因素是扩散氢、脆硬组织和拘束应力，其关系如图4所示。

图3 原焊缝错边时，容易引发根焊处焊趾裂纹的打磨示意

图4 返修裂纹产生因素与控制措施

2.1 焊接方法和材料

返修时按相应的返修工艺评定进行，除返修处受到气流和磁场影响，采用电弧挺度高、吹力大的纤维素焊条根焊工艺，其他情况下尽量采用钨极氩弧焊、低氢焊条等低氢性焊接工艺，降低根焊层焊缝含氢量，有效防止根焊层氢致冷裂纹的产生。

2.2 打磨及管内壁清理

结合返修处管壁外部状况、RT片的两侧色度差异等，分析管内部错边状况，若返修处存在内错边状况，打磨时不仅打磨掉返修缺陷，还应打磨掉原根焊焊缝，但坡口间隙打磨过宽会给返修焊接带来困难，根部背面易成形不良，产生焊穿、内凹等缺陷。此外打磨长度尽量控制在150mm内，若缺陷过长，采取分段修复，避免一次打磨过长，导致剩下焊缝单位面积上的受力增大而引发的焊缝拉裂现象。

打磨后用薄锯片或专用工具处理掉坡口边的卷边，用铁丝钩住浸丙酮棉纱从坡口间隙处清理管坡口两侧污物，避免硫、磷等污物进入焊缝产生低熔共晶体，降低焊缝热裂纹倾向。钢材及焊缝处的化学成分（主要是S、P、C、Si、Mn等元素的含量）是影响热裂倾向的主要因素。

此外采用一些先进的内窥技术让返修人员充分了解打磨、清理后坡口的内面状况，确定打磨、清理工作是否完善。

2.3 改善返修焊口处应力状况

根据现场实际管道铺设状况，分析返修时焊口返修位置受到管道长度方向上的热胀冷缩、管道自重等因素影响下的受力方向，通过千斤顶、葫芦等吊装支撑设备改变受力方向或减小受力，如返修处受管道自重引发的拉应力，如图5所示。

2.4 降低焊缝冷却速度

返修过程必须使用红外线测温仪严格监控预热、层间温度、焊后保温等工序。预热的主要目的是降低焊接接头的冷却速度，有利于焊缝金属中扩散氢逸出，并使原焊缝应力再次释放，减小焊接结构的拘束度，改善焊接接头性能，降低焊缝组织淬硬性。X70钢在施焊环境温度为0℃时，其预热温度约为120℃，返修焊口焊缝两侧加热宽度大于100mm，预热要求整个焊口均匀加热，并根据母材厚度严格控制管壁升温速度，减小区域、厚度上的温度差，降低焊缝的热应力影响。严格控制层间温度（层间温度不低于预热温度），在完成返修根焊后5min内进行下一层焊缝焊接。返修焊接完成后可采用保温棉包裹焊口的保温缓冷措施，防止焊口冷却速度过快，导致焊缝产生淬硬组织。

图5 管道自重引发的拉应力与控制措施

2.5 控制焊缝扩散氢含量

根据施工现场实际情况，若出现严重增加焊缝扩散氢含量的因素时，如大风、大雾、沟底潮湿等状况，可在返修焊缝完成后立即进行后热处理，即焊缝温度尚未冷却至100℃以下时，立即将焊件加热到一定温度（200℃～350℃），并保持一定时间后（0.5～6 h，视管壁厚度而定），缓冷至室温的工艺方法。后热处理可加快焊缝中的扩散氢逸出，降低焊缝氢含量，也能适当降低焊接接头残余应力水平，对防止产生冷裂纹效果明显。

2.6 其他因素的控制

2.6.1 操作人员和设备的因素

加强操作人员技能培训，提升技能素质，操作技能差的人员在焊接返修操作过程中出现根焊层裂纹缺陷的机率较大。采用高素质焊接操作人员是提高返修质量的关键。先进、稳定、实用的焊接设备也是保证焊接质量的重要环节。

2.6.2 返修次数

焊缝返修次数增加使金属晶粒粗大、硬化、甚至引起裂纹等缺陷，并降低接头性能，严格执行同一部位返修次数不应超过两次的要求。

2.6.3 返修引弧控制

根焊层返修引弧段相对于正常焊接时的引弧段要长些，约20mm，并将引弧段前端10mm打磨掉，降低温度瞬升瞬降对焊缝组织影响。其余每层焊缝引弧错开20mm。返修焊缝相对较短，尽量减短每层间隔时间。

2.6.4 锤击焊缝，降低应力

锤击点要对准焊缝及熔合线附近，填充层逐层进行锤击，锤击温度控制在100℃～250℃，尽量避免在300℃～400℃进行，因为此时金属材料正处于蓝脆阶段，锤击焊缝容易造成焊缝开裂[4]。

3 结论

随着X70、X80等高强钢管线在天然气输气管网建设中的大量投运，不断完善管道维抢修技术是保障天然气管道平稳供气、促进管道完整性管理的有效手段。阐述X70钢在根焊层返修过程中避免裂纹缺陷产生采取的控制措施，并通过近年连头施工实践证明，该措施对提高焊缝返修一次合格率、保证返修焊缝质量具有明显成效，对同行业的同类型焊缝返修具有一定借鉴作用。

[1]吕向阳.X70管线钢焊接工艺研究[D].天津：天津大学，2007.

[2]阮鑫，葛爱菊.天然气长输管道焊接裂纹及防范对策[J].化工设备与管道，2006，43（6）：58-61.

[3]杨伟光，刘奇威.核电站大型钢结构焊缝锤击法消应力[J].电焊机，2013，43（12）：73-77.

Control of X70 steel root even repair welding layer crack in w inter

WANG Shuai1，CUIJia1，FU Xuesong1，QIN Jun2，ZHOU Yi3
（1.Gas management office Pipeline Emergency Repair Center，Southwest Oil and Gas Field Company，Chengdu 610213，China；2.SouthwestOil and Gas Field Company Upper Oil and GasMining Siltstones Longgang Purification Plant，Yilong637648，China；3.Chongqing Chongqing Sichuan GasCo.，Ltd.，Chongqing 404000，China）

X70 steelgas transmission trunk line due to the influence of the cold weather in the mix together construction，itwill lead to welded junction appear defects，especially in the roots welding crack repair.To deal with the practical problems，analyze the causes of cracksand put forward the corresponding controlmeasures.

X70 steel；repair crack；controlmeasure

TG457.6

B

1001-2303（2015）07-0148-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.32

2014-11-21；

2015-01-26

王帅（1975—），男，高级技师，德国DVS焊接指导教师，主要从事管道抢修维修焊接工作。