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试论油气管道不等壁厚焊接坡口设计及应用

发表时间：2021/6/10 来源：《探索科学》2021年4月作者：靳国利

[导读] 针对大口径天然气管道不等壁厚焊接存在的焊接、无损检测和应力集中问题，通过对国外文献、工程案例等研究，基于对这些变壁厚焊接接头所采用的焊接工艺、无损检测方法和拟期望降低的焊接应力集中系数，文中结合上述三方面因素，首次提出了一种新型不等壁厚焊接坡口的设计方法，利用该方法设计的孔锥型坡口已成功应用，对提升油气管线环焊缝的安全有重要意义。

中石化胜利油建工程有限公司靳国利

摘要:针对大口径天然气管道不等壁厚焊接存在的焊接、无损检测和应力集中问题，通过对国外文献、工程案例等研究，基于对这些变壁厚焊接接头所采用的焊接工艺、无损检测方法和拟期望降低的焊接应力集中系数，文中结合上述三方面因素，首次提出了一种新型不等壁厚焊接坡口的设计方法，利用该方法设计的孔锥型坡口已成功应用，对提升油气管线环焊缝的安全有重要意义。
关键词:大口径；天然气管道；不等壁厚焊接；设计应用
        天然气输送管道建设中，根据设计标准的要求，在不同的地区等级或穿跨越地段，管道设计时将采用不同的强度设计系数，不同管段选用不同壁厚规格的钢管;考虑到热煨弯管弯制过程中的壁厚减薄，热煨弯管的设计壁厚一般情况下要高于直管段壁厚;由于管道沿线钢管和管件壁厚的变化，在管道现场焊接过程中，不等壁厚钢管的焊接较为常见，尤其在复杂山区犹为突出。目前国内外的研究发现，变壁厚钢管连接处主要存在以下不利因素:①变壁厚处焊接结构不连续，存在较大的应力集中;②不等壁厚焊接时，根焊缝质量不易控制，容易出现焊接缺陷;③由于外形尺寸的不规则，无损检测时容易对根部缺陷出现漏检。通过对国内外环焊缝大量失效案例分析，也充分证实了这个问题，如我国X80钢7起失效案例中，有3起发生在不等壁厚连接口上，不等壁厚连接引起的应力集中和焊缝质量不佳是造成失效的一个重要因素。为提升不等壁厚环焊接头质量，尽量减小应力集中，避免根焊缝焊接缺陷和缺陷漏检问题。
        1不等壁厚焊接接头的相关要求
        1.1相关标准规范要求
        笔者按照国家标准GB50251—2015《输气管道工程设计规范》和ASMEB31.8—2007《输气和配气管道系统》要求，对于陆上天然气管道建设均是采用等外径设计，对于不同壁厚的钢管，其外径相等，内径不等。对于这些不等壁厚的钢管焊接时，但如果壁厚差不大于2.5mm，厚壁管端部可以不进行处理，直接焊接;如果壁厚差大于2.5mm，则就需要对厚壁管内的端部采用倒角式坡口处理，如图1所示。

图1倒角式坡口
        对于现状条件下的不等内径焊接，主要存在的问题是:①内坡口现场加工难度大，坡口质量低;②不等壁厚处焊接质量不理想，易出现焊缝缺欠缺陷;③基于现有的无损检测技术，管道的不等壁厚焊接常常会导致环焊缝缺陷的漏检或误判，不利于保证管道的焊接质量;④由于不等壁厚处的特殊焊接结构，变壁厚焊缝处通常产生较大应力集中，当管道受到外部载荷作用时，将一定程度扩大载荷应力。
        1.2国外相关处理方法
        对于传统倒角式坡口存在的不足，国外已做过类似方面的研究，XiaotongHuo等认为，采用孔锥形坡口和倒角式坡口对环向承压基本相同，采用孔锥形内坡口，壁厚过渡从环焊缝移动到母材，可以显著降低环焊缝处的应力集中，从而降低氢致裂纹与疲劳裂纹扩展的驱动力，同时有助于提高现场焊接质量和无损检测质量。对于俄罗斯博乌管道不等壁厚焊接的坡口形式，根据采用焊接工艺规程的不同，对不等壁厚的焊接坡口形式也有不同的要求，如:在采用实心焊丝气体保护单面自动焊时，采用的焊接坡口形式如图2所示。

图4实心焊丝气体保护单面自动焊焊接坡口
        2不等壁厚内对齐施工坡口的考虑因素及设计原则
        针对大口径天然气管道不等壁厚焊接存在的焊接、无损检测和应力集中问题，通过对国外文献、工程案例等研究，基于我国对这些变壁厚焊接接头所采用的焊接工艺、无损检测方法和拟期望降低的焊接应力集中系数，文中结合上述三方面因素，首次提出了一种新型不等壁厚焊接坡口的设计方法，利用该方法设计的孔锥型坡口已成功应用于密马香天然气管线和唐山LNG管线，对提升油气管线环焊缝的安全有重要意义。
        2.1不等壁厚内对齐施工方法
        目前用于大口径高钢级天然气管道的焊接方法主要有半自动焊和自动焊2种工艺。与半自动焊技术相比，全自动焊因具有较高的熔敷率，环焊缝的强度、韧性等综合性能优良。2015年之后，为克服半自动焊焊接接头夏比冲击值离散不稳定的问题，以及提升焊接生产效率，降低现场劳动强度等因素，我国大力推进自动焊的应用，从中靖联络线、陕京四线、漠大二线到中俄东线黑河—长岭段，自动焊的应用比例不断提高，从最初的40%已提高至现在的100%。在现场自动焊接中，根据根焊采用工艺的不同，分为2种，一种是采用内焊机+外焊机自动焊填充盖面的焊接方法，称之为全自动焊;一种是根焊采用STT，ＲMD或手工根焊+外焊机自动焊填充、盖面的焊接方法，称之为组合自动焊。对于线路直管－直管变壁厚焊接，可采用全自动焊，也可采用组合自动焊;对于直管－热煨弯管变壁厚焊接，受制于内焊机
        通过能力限制，只能采用组合自动焊。
        2.2孔锥形内坡口设计原则
        为满足内对齐施工的要求，孔锥形内坡口应满足:①能够满足现场焊接;②满足无损检测的要求;③显著改善因形状变化产生的应力集中。
        3某工程用孔锥形内坡口设计案列
        3.1不等壁厚过渡焊缝情况
        某拟建工程管径为D1422mm，设计压力为12MPa，钢级为X80M，全线采用自动焊施工，其涉及的不同变壁厚焊口焊接方法和无损检测方法见表1。
表1 不同变壁厚焊口采用的焊接方法和无损检测方法

        3.2现场焊接对锥孔形坡口尺寸要求
        全自动焊的根焊采用内焊机，内焊机涨紧器的涨靴宽度决定了锥孔形内坡口的锥孔长度。目前，我国大口径管道施工采用的内焊机主要有CＲC，熊谷公司和管道局的产品，不同厂家产品的涨靴宽度尺寸有所不同。为满足内焊机组对、焊接要求，涨靴涨紧位置可以放在厚壁管原始内壁处，也可以放在厚壁管镗孔后的切削区。基于调研的3家设备尺寸，可计算出全自动内焊机对锥孔形内坡口尺寸的要求。由于组合自动焊焊接时，不需要内焊机和内对口器，从焊接施工方面，对锥孔长度无特别要求。
        3.3无损检测锥孔形坡口尺寸要求
        变壁厚焊口由于两侧管道壁厚不一致，为有利于无损检测对缺陷的扫查和发现，不同壁厚、不同检测方法需要的锥孔长度有所不同，通过模拟计算和分析，不同无损检测方法对最小锥孔长度要求见表2。                            表2 无损检测对锥孔长度的要求

参考文献:
［1］张良，张广利，杨锋平，等．环焊缝开裂原因分析［J］．金属热处理，2014，39(12):151－156．
［2］张圣柱，程玉峰，冯晓东，等．X80管线钢性能特征及技术挑战［J］．油气储运，2019，38(5):481－491．
［3］李为卫，许晓锋，方伟，等．X80及其以上高强度管线钢焊接的几个技术问题［J］．石油管材与器材，2016(2):88－92．