1、长输管道施工常见焊接缺陷的分析和控制1、 前言由于今年来我国经济的迅猛发展，致使东西部能源供需矛盾日益突出，为解决此矛盾，随着钢管制造水平与焊接技术的提高，长输管道运输这种经济高效的长距离流体介质运输方式也得到了越来越充分的应用。近年西气东输、西部管道、兰郑长管道、西气东输二线等一系列大口径管道的陆续施工，标志着我国长输管道的第四次建设高峰已到来。长输管道一般具有野外作业、焊接环境不稳定、非固定电源取电网取电、管道定位不准确、焊道内部成型难以观测等特点，固而对它出现的问题要进行分析研究，并采取相应措施予以解决。2、长输管道施工各工业简介大口径长输管道壁厚一般都在 8mm，采用多层焊接，打底和填
2、充盖面一般采用以下工艺：打底主要有手工焊、STT 手工焊、全自动焊、内焊机多推头下向焊等；填充盖面主要有手工焊、半自动焊、全自动焊等。目前应用量广的就是纤维丝焊条下向焊打底加半自药芯焊丝自保护下向焊填充盖面工艺，我国大部分管道施工都使用此种工艺。由于管径大，输送压力高，因此长输管道所用钢管一般都是高碳钢制作，钢级都在X60 以上，西气东输二线更是全国第一次采用 X80 钢，均属于高强钢。管道焊缝一般也都是此种材质的。焊材一般采用纤维素焊条、低氢焊条、药芯焊丝、实心焊丝加气保护等。管道焊接对接形式一般用坡口，一般有 V 型、U 型、复合型等，视钢管的壁厚等参数而定。3、焊缝常见质量缺陷及成因焊接
3、缺陷的种类很多，不同标准也有不同分类方法。考虑到通俗易懂，便于与长输管道施工及检测方法紧密结合，本文只简单的将焊接质量缺陷分为焊接成型缺陷及微观组织缺陷两类。其中焊接成型缺陷指的是在管道焊口从组对到焊接完成后，可以通过内聚或一些其他无损检测方式观测到得焊缝内部的夹杂、未溶合、未焊透等不符合要求的存在。焊缝微观组织缺陷在管道施工中一般不进行检测，本文微观组织缺陷主要是由于施工中不遵守焊接工艺规程，不进行预热及热处理等原因造成的焊缝内部达不到理想要求的组织，同时造成焊缝力学性能下降。但此种组织在常规的射线无损检测中一般得不到底片影像显示。本文主要讨论焊缝成型缺陷。常见焊缝缺陷有咬边、夹渣、未焊透、
4、烧穿烧融、气孔、内凹、裂纹等缺陷。其中对管道使用寿命影响最大的就是未焊透和裂纹等开口性缺陷。3.1 咬边咬边主要是由于在焊接过程中熔融金属未能盖住母材坡口，在焊道边缘留下的低于母材的缺口，浅矩的咬边可以不处理，但过聚的咬边会对焊道力学性能产生严重的影响，产生应力集中，降低接头强度。产生原因（1）电流过大，电弧过长，电弧力不集中导致熔池熔融不到位。（2）焊条或焊丝的倾斜角度不正确，出现偏吹等情况。（3）手法不对，摆动不到位。 3.2 夹渣夹渣是指焊缝中存在熔渣，铁锈或其他物质。其在焊道的根部、层间均可能存在，是常见的就是层间夹渣。夹渣形状不同，大小不一，其中危害最大的就是最尖锐形的夹渣，影响焊道
5、的韧性，尤其是在焊道受拉应力是产生严重的应力集中。产生原因（1）多层焊时焊丝、焊条等产生的熔渣没有清理干净，导致熔渣埋入焊道。（2）焊接电流较小，熔渣不能充分融化浮出熔池。（3）坡口太小，或上层焊道与坡口间形成了夹角，熔渣不能充分融化浮出熔池。3.3 未溶合及未焊透未溶合是指焊接时焊道与母材坡口、上层焊道与下层焊道之间没有完全溶化结合形成的缺陷，未焊透一般是指的根部未溶合，由于长输管道一般都是采用单面焊（除内焊机打底采取双面焊外） ，因此该类缺陷也是比较常见的，尤其是在电焊工施工经验不丰富的情况下。未焊透对焊道的危害很大，它使焊道的有效截面积减少，同时由于属于开口性缺陷，又能造成严重的应力集中
6、；在焊道进行下沟作业或承压很高的情况时，如果未焊透深度很深，还可能出现焊道沿未焊透处撕裂现象。产生原因（1） 坡口加工不规范，角度太小，间隙不够，斜边太厚。（2） 层间清理过度，造成坡口被打宽，形成沟槽等。（3） 手法不稳，电流较小，使能量输入太小。3.4 烧穿烧融烧穿是指在焊接过程中，由于种种原因导致熔池烧穿前层焊道金属，使溶化金属自坡口背面流出，造质孔制的缺陷，烧穿使焊缝有效截面积变小，在管道受内压的情况下也会造成应力集中。如果不做处理，在后层焊道中更容易出现烧穿，造成孔间越来越深。在仰焊部位，如果熔池将前层焊道金属加热至临界溶化状态，由于金属重力指向本层焊道，因此不会造成烧穿，而出现金属
7、塌落现象。这种情况在射线底片上显示和烧穿影像差别不大，施工中一般称之为烧融。产生原因（1） 电流过大，热输入太大：（2） 停留时间过长，摆动太慢；（3） 电弧太长，电弧力太大；（4） 层间清理打磨过度，导致前层焊道厚度太薄；3.5 气孔气孔一般是由于熔池中的气体在溶化金属凝固时没有逸出所形成，其形式有条形气孔、富集气孔、球形气孔、柱形气孔等（在长输管道焊接中，还有一种缩孔缺陷，其在射线检测底片上影像与气孔比较类似，但缩孔的形成一般是由于溶化金属凝固时液相变固相过程中的体积差所造成，与气孔有本质的区别，在管道施工由于焊接工艺都比较成熟，故缩孔缺陷一般很少见，本文就不做讨论） 。气孔缺陷中除了一些
8、深度很深的柱孔，面积很大的圆形气孔外，其他气孔的危害一般都比较小，甚至还有至裂倾向。产生原因（1） 焊材、坡口不清洁，有铁锈油污等，焊材受潮；（2） 电源电压不稳，电流不稳；（3） 焊接速度太大；（4） 保护方式不合适，如气保护焊时保护气流量过大或过小；3.6 内凹内凹就是指焊道层部不饱满突出，向外焊道一侧凹进的缺陷。其与烧穿烧融一样，都属于焊道厚度薄与期望值的缺陷。长度一般要长于烧穿烧融，但产生原因有根本不同，内凹都是在焊道打底产生，而烧穿烧融都是在根焊完成后，后续焊道的破坏而造成，其对焊道有效截面积也起到了减薄的影响。产生原因（1） 对口间隙太大，破口太大，钝边太薄、根焊道太宽；（2） 管
9、道内部存在垂直焊缝的气流，如连死头时管道内“喷气”等。这是由于管道内气体收温度影响膨胀，从焊道内喷出，影响焊接；3.7 裂纹裂纹是焊接中危害性最大的一种缺陷。由于其均有延伸性，在焊接存在内应力的情况下裂纹会一直延伸扩展，直到焊道破坏为止，因此在长输管道的施工中，裂纹缺陷是不允许存在的，通常也不允许返修，必须割口重焊，裂纹的形式也比较多，在焊道及热影响区也都可能出现。按照裂纹的产生原因将裂纹分为热裂纹（包括结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹） 、冷裂纹（包括延迟裂纹、淬硬脆化裂纹、低塑性脆化裂纹） 、再热裂纹、层状撕裂、应力展迫裂纹等。由于管道施工时各种焊接工艺都是经过严格的工艺评定。母材都是经过严
10、格检查，一般不存在由于工艺、材料原因导致裂纹的情况，在管道施工中裂纹产生基本是由于工艺规程执行不到位、外部应力太大等情况造成，因此本文主要讨论容易由以上原因造成的结晶裂纹、液化裂纹、延迟裂纹。3.7.1 结晶裂纹结晶裂纹是比较常见的一种热裂纹，一般是在焊缝凝固过程中所形成。结晶裂纹只存在于焊缝中，多呈纵向或弧形分布在焊缝中心及两侧，其主要产生原因是由于焊缝凝固时的先后时间顺序及组织成分不同，熔池先结晶的部分纯度较高，后结晶的部分杂质和合金元素较多。导致最后结晶的部分饱和点低，这些液相物质分散在晶粒表面，在最后凝固时由于冷却收缩的拉应力作用，就是在晶粒边界产生的裂纹，由于焊接冷却都是从破口边向中
11、心开始凝固，因此结晶裂纹都在焊缝中心级两侧产生。最常见的结晶裂纹就是弧坑裂纹，一般焊接时把弧坑填满，多增加熔融金属就可以解决。由此可见，结晶裂纹产生原因主要是由于熔池中的杂质太多，冷却速度过快（速度快容易造成结晶成分的偏析） 、外界应力太大所造成，管道施工中焊材、母材都是经过严格检查，排除材料不合格因素外，熔池中的杂质太多一般都是因不按规程多次返修造成，不预热，强行组对也是造成冷却速度快和应力大的因素。3.7.2 液化裂纹液化裂纹的形成机理基本和结晶裂纹相同，都是存在晶间熔融相或共晶，在液态变固态是由于冷却收缩在晶粒边界产生了裂纹，但是液化裂纹一般是在多层焊时，母材二次或多次受热后，晶间层溶化
12、重新熔化后形成的。因此在母材的坡口返修及前层焊道的存在偏析处量容易出现液化裂纹，在管道焊接中，无损检测底片显示裂纹出现在焊道层间，则通常都是这种情况。3.7.3 延迟裂纹延迟裂纹在管道施工中是最常见的裂纹。它属于冷裂纹的一种，一般在焊后几小时甚至几天后才开始出现，并随着时间的推移逐渐增多和加长。延迟裂纹的产生原因主要决定于母材的淬硬倾向、焊接连头承受的应力以及焊缝中的氢含量，以下简述其产生因素。（1） 组织因素：母材的淬硬倾向于组织晶粒越大，延迟裂纹产生倾向也越大。由于晶粒粗大，相变温度降低，使晶界偏析严重，增大了冷却倾向。同时淬硬组织里晶格缺陷多，进一步导致了冷裂纹的产生。（2） 应力因素：
13、焊接连头承受的应力主要包括焊接时产生的内应力及焊缝外加拘束应力。焊接时热影响区金属膨胀，冷却时收缩所产生的体积差导致了热应力的产生，并且在焊缝相变时也存在一定的相变应力，当存在不预热、预热不均匀、线速度及热输入不稳等情况时。这种现象局部更严重。在管道施工中，只要严格按照焊接工艺规程施工，以上两种情况产生的应力均可以控制在一个可以接受的范围，当在两个管口角度相差较大而组对的情况下，拘束应力一般是产生冷裂纹的重要原因。（3） 氢含量因素：在高强钢的焊接中，氢是导致冷裂纹产生的重要因素，焊接时由于电弧温度很高，使焊材、空气、坡口的赃物等其中含有的水分分解，形成氢原子或离子进入焊缝熔池中，当熔池焊道冷
14、却后，未来得及逸出的氢便以饱和态留在了焊缝中。由于过饱和的氢很不稳定，因此会自发的向周围和大气中扩散，氢的扩撒速度与焊接冷却速度、焊缝组织情况及应力方向有关，通常在以下原因的共同作用下，氢一般是在焊缝的溶合线附近特别是应力集中的部位聚集，当达到一定的临界值时，就会诱发延迟裂纹产生。综上所述，避免延迟裂纹的产生主要从减缓焊缝冷却速度，改善焊缝组织和减小焊接应力三方面进行控制。常用的措施有：（1） 选用抗裂性好的钢材制做钢管，合理选择焊接材料及烘干，严格按照焊接工艺施工来确保焊缝的组织结构、塑性和韧性；（2） 严格按照工艺要求进行预热，冬季施工时应采取保温措施，必要时可进行预热处理或焊后加热；（3
15、） 严格控制组对应力，尽量不使用外对口进行强制组对。尤其是在管道进行述死头时，既不可以采用千斤顶、吊管机提、挖掘机下压等来调节对口间隙的强力组对方式。 4、 焊接缺陷的返修处理焊接完成后，施工机组进行焊缝外观自检，合格后向检测公司进行无损检测申请（通常的检测方式都是射线检测和超声波检测） 。探伤完成后，合格的焊口进行防腐处理，不合格的焊口进行返修处理。评定标准按照设计要求进行。目前一般采用的是 SY/T4109-2005,通常大口径的长输管道都是要求级以上合格。返修采用的方法通常都是按照射线检测底片位置在焊口上进行标记，然后采用角向磨光机或碳弧气刨将焊缝打开，找到缺陷后磨除，然后补焊。由于碳弧
16、气刨难以掌握，同时管道的壁厚一般也在 20mm 以下，因此一般都采用角向磨光机进行返修。常见的各类焊接成型缺陷在射线底片上的显示及成因和返修方式见表 1表 1 长输管道施工半自动焊常见缺陷分析缺陷名称 缺陷影像特征 产生原因 排除方法气孔多数为圆形、椭圆形黑点，其中心处黑度较大，也有针状、柱状气孔，其分布情况不一，有密集的，单个的和链状的。1 焊材和焊接材料有油污、锈及其他氧化物。2 焊接区域保护不好；3 焊接电源过小，弧长过长，焊接速度太快；4 与焊条药皮、焊剂成分和保护气体有关。磨去气孔处的焊缝金属，然后进行补焊。夹渣形状不规则，有点、条块等，黑度不均匀。一般条状夹渣都与焊缝平行。或与未焊
17、透、未熔合混合出现。1 焊接材料不好；2 焊接电流太小，焊接速度太快，熔池搅动不足；3 焊渣密度太小，阻碍熔渣上浮；4 多层焊时，熔渣未清理干净。铲除夹渣出的焊接金属，然后进行补焊。未焊透在底片上呈规则的甚至直线状的黑色线条，对于我们管道施工，未焊透通常在底片显示一条直线，即为坡口的原始钝边未熔化。1 焊接电流太小；2 焊接速度太快；3 坡口角度间隙太小，钝边太厚；4电弧太长或电弧偏吹。1 对于短节处，可在焊缝背面直接补焊（管线太长时不推荐）；2 对于不能直接焊补的位置，应铲去未焊透的焊缝金属，重新焊接。热裂纹1 材料、工艺问题；2 接头附近应力集中（密集、交叉的焊缝） ；3 焊接线能量过大，
18、温度过高，使熔化区及热影响区结晶晶粒粗大，引起结晶裂纹；4 熔深太大，熔宽不够。尤其连头处坡口过窄，每层焊接过厚。裂纹一般为直线或略带锯齿状的细纹，轮廓分明，两端尖细为毛状，中部稍宽，有时呈树枝状影像。 冷裂纹1 焊缝处在应力较大去，尤其是连头时强力组对；2 母材太厚，焊缝拘束度高，尤其是 V形坡口；3 不预热，焊缝冷却太快；4 材料、焊材含氢量太高；5 焊接线能量过大，加大焊缝拘束度。允许返修时，在裂纹两端钻止裂孔或铲除裂纹处的焊缝金属，进行焊补。或采取吊管机上提、挖掘机下压钢管，以消除裂纹延伸倾向，再进行焊补。不允许返修时，必须割口重焊。夹钨 呈现圆形或不规则的亮斑点、且轮廓清晰、在管道施
19、工中一般只有站场、阀室等采用钨及氩弧焊。1 手法不稳；2 引弧不当。 应铲去未焊透的焊缝金属，重新焊接。焊瘤 底片上呈现大块圆形亮点，通常中心亮度最高，均匀向周围降低；1、焊接工艺参数选择不正确；2 、运条不正确；3、管道焊缝不水平倾斜度较大。可用铲、磨等手工或机械方法除去多余的堆积金属。烧穿 底片上呈现大块圆形黑点，通常中心黑度最大，均匀向四周降低。1、焊件搭配不当；2 、焊接电流太大；3、焊接速度太慢；4 、对口间隙过大。1、对于短节处，可清除孔洞残余金属后，在焊缝背面直接补焊（管线太长时不推荐） ；2、外部返修时，应铲去未焊透的焊缝金属，重新焊接。咬边 内咬边一般弧形黑线，通常为焊后熔池
20、轻微塌陷造成的影像。若为熔合不好造成的影像，一般为未焊透。1、焊接工艺参数选择不当；2 、焊条角度和摆动不正确；3、焊条药皮端部的电弧偏吹；4、管道焊缝不水平，倾斜度较大。轻微的、浅的咬边可不做处理，严重的、深的咬边应进行焊补。弧坑 影像与烧穿类似，可从根焊道是否被破坏来区分烧穿与弧坑。操作时熄弧太快，未反复向熄弧处补充填充金属。在弧坑处焊补凹坑 影像与烧穿基本相同，只是缺陷成因不同，通常凹坑缺陷的大小要小于烧穿。焊接电流太大且焊接速度太快 铲去焊缝金属重新焊接（指封闭结构） 。对于短节处的焊接，可在其焊道背面直接焊补。5 管道施工常用质量检验方法大口径的长输管道一般均是输油输气，运行压力较高
21、，为确保管道使用寿命及施工安全，必须对焊缝的施工质量进行检验，以确保管道不会在运行中泄露、爆裂等导致输送介质外泄，造成经济损失和环境污染。常用的焊缝质量检验大体分有非破坏性检验和破坏性检验两种方式。非破坏性检验是不破坏被检物体的外观及内部结构的方法，包括外观检查、无损检测、压力试验等方式。破坏性检验是指从焊道上取样（或焊件整体）进行破坏性试验，以检验其力学性能、金相组织、成分等，包括力学性能试验、化学分析试验、金相分析试验等。在任何项目的施工中，对焊道进行大规模的破坏性试验都是不科学的。因此长输管道一般只采用非破坏性检验来对管道的施工质量进行检查。近几年的施工中除了全自动焊接的焊口采用 AUT
22、（全自动超声波检测）外，其余都是采用射线检测机超声波检测。在管道焊接、无损检测完成后，管道质量的最后一道检验工序就是压力试验。试压一般均分段进行，按照管道试压时最低点压力的要求进行分段试压。由于长输管道输送压力都比较高，通常为安全起见，试压介质一般都是采用洁净水。水压试验时一般都要进行强度试验和严密性试验。输气管道按照地区等级不同强度试验压力也不同，一般 4 级地区要求达到设计压力的 1.5 倍。输油管道要求强度试压压力达到设计压力的 1.25 倍。分段试压完成后管道的连头焊缝将无法再进行试压。因此施工时要求连头用管必须是单独试压完成的管材，连头焊口必须采用射线超声波检测。6 管道焊接质量控制
23、管道质量控制因素主要可以归纳为以下几个面：（1） 人员设备因素；（2） 材料因素；（3） 环境因素；（4） 工艺因素。由于管道施工前的焊接工艺都是经过严格的制订，并经过了多种检验手段的检定，因此施工中产生的质量问题一般都是由前三个方面导致。6.1 人员设备控制任何长输管道工程都要求参与焊接的每个电焊工都必须有压力容器操作资格证，同时开工前都要对拟上岗的电焊工进行一次考试，合格后方可上岗。如 2009 年开工的榆济输气管道工程，就在建设单位的组织下分批对各单位的电焊工进行了上岗考试，并发放上岗资格证。长输管道施工一般具有施工环境随时变化不稳定的特点，因此焊接电源一般都是采用发电机发电，很少从民用
24、固定电网取电。这样要求施工采用的发电设备必须质量可靠，发出电流的强度、频率等符合焊接要求。同时对于起重设备、对口设备的要求也比较高，不得出现吊管设备卸压、对口器的对口支撑伸缩量不均匀等情况。在江苏油建承建的川气东送管道工程中就是采用管道人全液压焊接工作站配 MPS-500型电焊机、SB-30 型吊管机进行管道的焊接施工，由于各种设备的性能都比较可靠。因此在其承建的第 29 标段施工中由于设备原因导致的焊接质量问题一直比较少。6.2 材料因素焊接材料是影响焊接质量的关键因素。如某公司在输气管道的施工中，由于材料员不谨慎，误将已受潮的一桶半自动焊丝发与施工机组使用，导致该机组在当日的焊接中连续在热
25、焊层发现气孔。幸好机组技术员及时发现，检查填充焊工的焊丝发现问题、才未造成大的质量事故。对于焊接材料的控制，通常从采购、运输、保管、焊前烘干几个方面进行控制。如焊丝焊条必须采用工艺规程中要求的牌号型号，选购厂家必须是合格的供货商等。对于焊剂、保护气等主要起保护作用的材料、也应注意对其纯度、干燥度等情况。焊前烘干是必须进行的一道关键工序，尤其对于低氢焊条，更应该严格注意。6.3 环境因素长输管道的施工环境一般都比较恶劣。尤其是水网、风区、雨季对焊接的施工质量影响更大。一般在焊接工艺规程中都会对施工环境进行要求。通常焊接时对于湿度的要求不得大于 90%。对于环境温度，一般低于 5就属于冬季施工，需
26、要采取特定的工艺措施，低于-15 时都将不允许施工。但是由于近年来全国各施工单位的焊接技术水平不断提高，高强钢材质的管道也已经开始进行冬季施工。采用防风棚、防雨棚、保温被等是在环境恶劣时保证焊接质量的有效措施。现在这些配置都已经成为焊接施工机组的必备材料。对于一些高坡、大型冲沟等地段，由于地形本身带有较大的坡度，使焊接位置也都带有一定的斜度。这对焊接质量也就提出了更高的要求，通常此类地段均应由具有 6G 位焊接资格证的焊工进行焊接，以确保施工质量。7 结语目前西气东输二线已经开始进行施工，三线、四线也都已经开始进行可行性研究。瞻望中国管道建设的前景，除去已开工的西气东输工程外，中俄管道、陕京管道、西部管道、川气东送管道、榆济输气管道等都已在建或已建设完成。西气东输二线开始采用 X80 钢作为主材，国外某些管道甚至已经开始进行 X120 钢级管道的研究与施工。由于管道用钢向着高强度发展，这就要求有更先进的焊接技术支持，以提高管道的施工质量与施工队伍的竞争能力。长输管道的使用特殊性决定了其质量的重要性。随着近年来国内国际一大批管道工程的建设，我国目前已经能够培养了一大批优秀的管道施工人才，同时施工技术质量水平、管理水平等方面也都得到了很大提高。按照目前的发展趋势，相信我国将会很快的接近或达到国际管道施工的先进水平。蒋伟 2009 年 11 月 19 日
