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在线焊接不锈钢管遇到烧穿和氢致开裂等问题的解决办法

在线焊接不锈钢管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。烧穿和氢致不锈钢管开裂问题是国内外学者研究的重点。PRCI(国际管道研究协会)对在线焊接不锈钢管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不锈钢管道运行安全。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。

国内外研究者主要对不锈钢管烧穿的发生条件、烧穿预测等方面进行了研究。

国外方面,由PRCI出版的《管道维修手册》中对烧穿的预测有比较详尽的研究。在如何防止不锈钢管烧穿方面,PRCI表示采用低氢型焊条进行焊接,若焊弧下方内表面温度低于982℃,只要使用正常焊接程序,就不会出现焊穿。如果焊池下方的未熔化区加热到足够温度(远远高于982℃),即便管压较低也会发生烧穿。因此在防止烧穿方面减压相对无效。美国的BMIEWI研究所进行了一系列在线焊接安装分输管线试验,得出发生焊穿的临界温度是980℃,其后又开发了可预测在线焊接时的管道内壁温度的软件。加拿大R. J. Belanger等人通过研究表明,不锈钢管压力和烧穿发生可能性正相关,在临界压力下内壁温度仍在规定范围内,因此,只用内壁温度来判断是否烧穿是不够准确的。另外,F. Ramos等人[3]认为综合考虑管道内壁温度和HAZ硬度来预测烧穿。管道的壁厚也能预测烧穿能否发生,PRCI认为壁厚高于6.4mm会使烧穿可能性大大降低,ASME对气体管道烧穿开展过研究[4],研究表面不会发生烧穿的管壁厚度与气体流速和管内压有关。在一定管内压下,随着气体流速的增加,管道安全壁厚(最小壁厚)减少;在一定气体流速下,不锈钢管道安全壁厚(最小壁厚)随着管内压的增加而增加。Cisilino等人对输气管线蚀坑处套袖修补的管道壁厚下限值进行了研究,结果表明,缺陷处可允许套袖修复焊接的剩余壁厚下限值随流速增加而增加。

国内方面,林泉洪等人对5种不同管线钢在不同条件下进行了焊接试验研究,结果表明,烧穿发生的可能性与输送压力正相关,与不锈钢管道壁厚负相关。试验还确定了12kJ/cm热输入下的安全壁厚。薛小龙针对含缺陷的管道,通过多次换算得出管道承受力和不锈钢管道剩余强度,进而预估烧穿发生的可能性。高强[8]比较了不同冷却方式对烧穿的影响。水冷时,由于水的导热系数高于空气,因此水冷条件下管道内壁最高温度低于空冷,更难发生烧穿。黎超文[9]X70管线钢在线焊接烧穿失稳进行研究,运用DNV-RP-F101方法计算出操作压力上限,为避免烧穿提供参考。

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。不锈钢管厂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。

国外对氢致开裂的预防措施上有过研究。EWI在一些石油公司的资助下完成了在线焊接工艺研究,颁布了WPSWelding Procedure Specification)和PQRProcedure Qualification Records)。Phelps[10]研究氢致开裂的影响因素,研究发现

回火焊道工艺对焊接接头的金相组织结构有一定改善,马氏体比例降低,减少氢致开裂发生的可能性。B. A. Graville认为在线焊接中,热影响区的高应力是引起裂纹的主要因素,多道焊工艺能减少焊接残余应力。PRCI的《管道维修手册》对氢致开裂的形成、防止等做了表述,研究表明,氢致开裂通常出现在应力集中区域,例如焊趾处或者焊缝根部,避免焊缝中出现氢致开裂的第一步就是采用低氢型焊条或者低氢型焊接工艺,除此以外,规定最小热输入量、最小预热温度、回火焊道熔敷顺序或上述三项规定的组合也能防止焊缝中出现氢致开裂。Michael Fox[12]对氢致开裂的控制提出了减少外加应力的办法,具体体现在两个方面,一方面,套袖安装过程中减少应力集中(例如减少套袖和管道之间的空隙),另一方面,应用合适的支持物和回填技术。

国内方面,王颖通过HAZ硬度来预测氢致开裂(上限硬度为350HV),首先根据母材化学成分计算出各相硬度,然后根据Blondean公式得到热影响区的硬度。靳海成研究了16Mn钢管道在线焊接修复,在实验室条件下进行了焊接接头金相组织和力学性能测试。石油大学对16Mn管线钢管在线焊接过程中焊接接头组织性能进行了研究,结果表明流动介质的快速冷却造成焊接接头容易生成贝氏体,易发生氢致开裂,提出采用多道焊可以降低残余应力,提高管道在线焊接质量。

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