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【摘要】本文旨在分析含硫环境对管线钢管的腐蚀，探讨焊接方法和焊材的差异，总结含硫集输管道适宜的焊接方案。并以某新建储气库群项目集输管道为例，详细介绍了该类抗硫化氢碳钢管道的焊接方案，为以后同类管道工程的焊接施工提供经验参考。
【关键词】含硫介质；集输管道；管道焊接
1. 引言
（1）某储气库群集输管线设计压力较高（最高达42MPa），部分设计参数世界范围内较为罕见，集输管道采用抗硫碳钢+缓蚀剂的方案进行气体输送，在国内外成功应用的先例也较少。在焊接环节面临着焊接工艺评定标准、焊接工艺选择、抗硫焊材选取等没有成熟经验可借鉴的困难。
（2）焊接是管道施工中的重要环节，其质量高低对管道运行安全关系紧密，合理选择焊接方案尤其重要。天然气中的H2S会导致管道硫化物应力开裂（SSC）和氢致开裂（HIC），且含硫天然气有毒性，管道腐蚀穿孔可能造成严重事故，直接威胁生命和财产安全。因此，对此类管道需采取有针对性的焊接方案来确保焊接质量，从而保证整个工程的安全性。
2. 焊接方案的确定
对输送酸性天然气管线的质量要求比输送净化气的管线更严格一些，因此在焊接之前从焊接工艺试验评定到焊接规程制订、焊工考试，都要考虑金属材料的敏感性问题。在该类管道焊接过程中，除了考虑满足常规力学性能外，还需对其耐腐蚀性能进行重点研究，以通过标准氢致开裂（HIC）和硫化物应力腐蚀开裂（SSC）实验为最终合格判定标准。
2.1焊接工艺的选择。
2.1.1根焊。
（1）该储气库群集输管道具有管径小、壁厚大的特点。根据厚壁管道的施工需要，并结合国内现有的技术，可选择的焊接工艺有手工电弧焊、氩弧焊和氩电联焊，因为氩弧焊从喷嘴中喷出的氩气有冷却作用，因此焊缝热影响区窄，热输入集中，焊件变形小，是厚壁钢管打底的最优选择，故本工程集输管道采用氩弧焊打底。
（2）焊缝根部除金属性能较差之外，表面形状也不规则，熔合不透的根部呈“V”或“M”形，这些形状的尖端部位半径很小，应力集中又最不容易检查到。焊缝根部位于管内壁又直接接触酸性天然气，因此保证焊缝质量重点在于保证焊缝根部的焊接质量。
2.1.2热焊、填充和盖面。
自保护药芯焊丝半自动焊技术，主要用于热焊、填充和盖面，是目前管道施工中最为常见的焊接工艺，具有焊接效率高、焊缝成形好、抗风能力强、适合野外作业等优点。但实践中，也会受其它因素的制约：现场焊接时常采用纤维素焊条、自保护药芯焊丝等含氢量高的焊材，线能量小，冷却速度快，会增加冷裂纹敏感性，需要采取必要的措施（如焊前预热）；现场焊接位置一般为水平固定或倾斜固定对接，包括平焊、立焊、仰焊、横焊等焊接位置，对于厚壁管因焊接应力的作用焊口根部容易产生裂纹缺陷，管径小焊工在施焊时焊条角度变化较快，焊接电流、电压变化大，掌握起来有一定难度，很容易产生焊接缺陷，因此大壁厚小管径的管道焊接对焊工的操作技能提出了更高、更严的要求。
2.1.3上向焊与下向焊的选取。
与上向焊工艺相比，下向焊工艺的特点是：焊接速度快，生产效率高；焊接质量好，向下焊电弧吹力大，穿透均匀，焊缝根部成形饱满；操作技术单一，易于掌握。但下向焊工艺的焊层较薄，随着管径减小、壁厚增加焊道层数迅速增加，焊接时间与劳动强度加大，其优点也难以体现。针对集输管道管径从114.3～323.9mm、壁厚从10～30mm不等的情况，推荐DN≤200mm的管道采用上向焊，DN>200mm的管道采用下向焊。
2.2焊接材料的选取。
（1）按药皮性质可将焊条分为酸性和碱性两类。药皮中含有大量酸性氧化物（TiO2、SiO2等）的焊条称为酸性焊条。药皮中含有大量碱性氧化物（CaO、Na2O等）的称为碱性焊条。为保证焊接质量，酸性天然气管道焊接应尽量选择超低氢型碱性焊条，与酸性焊条比较碱性焊条的优点见表1。因其熔渣属碱性，氧化性极低，对去氢和脱硫有良好的效果，不易在焊缝中形成残留物，焊缝组织良好，综合力学性能优越。
表1碱性焊条的优点
优点 原因
机械性能好 碱性焊条的机械性能好，特别是塑性、韧性好。
脱硫能力强 碱性焊条含锰量高以及药皮中的CaO成分，使其脱硫能力强，焊缝金属中有害元素S含量较低，焊缝接头热裂纹的倾向小。
脱氧能力强 当氧溶入金属中，形成的氧化物以点状存在于金属中，或者以细小网状存在于金属结晶边界线上，这些夹渣物将严重影响接头的塑性和韧性，碱性焊条含有硅铁、钛铁，因而其脱氧能力强，氧化物夹渣气孔少。
低氢型 当氢以原子状态溶于金属中，氢原子进一步结合变成氢分子压力要增到30MPa。金属溶入氢能提高屈服点，但要严重地降低延伸率及断面收缩率。在低温状态下，塑性、韧性降低更明显，在焊接试件拉伸试验中，断面上出现的“白点”，人们称它“鱼眼”，就是氢白点。碱性焊条药皮中有CaF2，它能避免氢溶于金属中，使接头金属中含氢量降低。碱性焊条药皮的去氢作用，使得焊接接头含氢量很低，故碱性焊条又称为低氢型焊条。
（2）碱性焊条虽有许多优点，但也有不足之处：药皮中的CaF2能产生一种有害于人体的可溶性的氟化物；其次对铁锈、水分很敏感，容易吸潮，铁锈是含水的氧化物，在电流作用下可分解为氢、氧。当药皮中CaF2不足时，氢有可能自由溶解在金属中。氧化铁的铁锈不受碱性焊条熔渣的约束，可直接溶入金属中，它和金属中的碳起作用会产生CO2气孔。因此在使用碱性焊条时，必须注意烘干，同时将工件表面铁锈清理干净。
（3）综上所述，确定本工程焊接方案为：对于DN≤200mm推荐手工上向焊方式；对于DN>200mm，推荐以半自动下向焊为主，局部困难地段如设备难以到达、碰死口处可采用手工电弧焊下向焊方式；所有管道均采用氩弧焊打底（见表2）。 3. 焊接注意事项
3.1管口加工及管道组对。
（1）由于管口出现椭圆直径大小不一、管壁厚薄不均、坡口角度不等、钝边不平等缺陷，在管道组装时，给焊接作业带来困难，不可避免地需经手工或胀口工具进行整形，母材必然受到冷锻、冷胀、冷拉的变形，虽然将管口组合了，但经冷加工后母材的金属机械性能将改变，塑性、韧性要下降，有的金属表面可能产生微裂纹，建设输送酸性天然气的管道时尤应慎重对待这个问题。管口整形应用胀口或对口工具，冷变形应控制在规范允许范围内，必要时进行热处理来消除残余应力。冷加工能强烈的影响碳钢和低合金钢的SSC敏感性，SY/T0599规范5.4条规定了使碳钢和低合金钢获得满意的抗SSC性能的冷加工要求。
（2）焊口在组对时，必须保证自由状态，不得形成拉应力、压应力、剪切应力等。管道内部焊缝的未焊透和错口，是高速气流容易形成旋流的原因，也是容易积液的部位。在固相颗粒的冲刷下，加速了该部位的腐蚀。组对时间隙控制在2.5～3.5mm，钝边控制在0.5～1.5mm，错边量控制在1mm以内，保证组对工艺要求后，可以得到较好的焊接接头。
3.2焊前预热及焊后处理。
（1）管道焊接必须按照经批准的焊接工艺规程的要求或按照GB50236的有关规定进行母材焊前预热和焊后热处理，焊接道间的温度不得低于预热温度。
壁厚<15mm时，预热温度25°C，道间温度135～165°C，不进行焊后热处理；15mm≤壁厚<20mm，预热温度150～200°C，焊接道间的温度不得低于预热温度不进行焊后热处理；壁厚≥20mm的C-Mn合金钢，预热温度150～200°C，焊接道间的温度不得低于预热温度焊后热处理温度620～650°C。当环境条件不能满足焊接工艺规程时，必须按要求采取措施后才能进行焊接。焊前预热宽度及焊后热处理加热/冷却速率、恒温时间应符合GB50236第6章要求。
（2）在焊接过程中，由于加热和冷却的不均匀及构件本身或外加拘束，在焊接完成后，构件中总会产生焊接应力。焊缝特别是熔合线部位存在很大的残余应力，组织分布不均匀，容易产生淬硬组织；同时焊缝热影响区晶粒粗大，此区域明显出现脆化现象，硬度明显升高。而硫化氢应力腐蚀敏感性与钢材的硬度有关，硬度越高，敏感性越大，从而使焊缝及其热影响区成为硫化氢应力腐蚀的薄弱环节，因此管道焊接后必须进行热处理。
（3）焊后热处理是指在焊接完成检测合格之后，对焊口进行加热，以实现消氢、消除焊接应力、改善焊缝组织和综合性能。热处理工艺能强烈的影响碳钢和低合金钢的SSC敏感性，SY/T0599规范5.4条规定了使碳钢和低合金钢获得满意的抗SSC性能的热处理要求。
3.3热处理后的硬度检测。
碳素钢焊缝硬度不得大于母材的120%，检测时必须对母材、焊缝、热影响区同时测量和对比。每个焊缝必须进行一次，其结果应满足焊缝熔敷金属和热影响区的硬度值均不大于200HBW。
3.4管道焊接及焊缝检验。
（1）每条焊缝要连续焊接，不能中断。如遇特殊情况焊接中断，必须进行保温缓冷，续焊前需重新预热至规定的温度；焊接必须一次成功，不允许有未熔合、咬边、未焊透及在焊件上引弧留下的焊疤等缺陷；发现有不合格焊口，应按规定认真返修，最大程度保证工程质量。
（2）在焊接过程中严格控制电流，尽量避免较大的线能量输入，避免焊缝组织性能发生变化。因为母材中的硫在液态下几乎可以全部过渡到焊缝中去，因此需要采用较为缓慢的焊接速度，便于焊接熔池中的硫等有害杂质能充分析出。
（3）焊接中的检查从根焊开始，检查是否有异常情况（气孔、裂纹、夹渣等）。焊接完成后，对外观质量做全面检查。检查合格后，方可进行下一步探伤检验。对所有焊接接头采用全周长100%射线检测；穿越水域、公路、铁路的管道焊缝，弯头与直管段焊缝以及未试压的管道碰死口焊缝应进行100%超声波检测和射线检测，均按SY/T4109执行，合格级别为Ⅱ级。
4. 结语
抗硫碳钢管焊接是较为复杂的一种焊接技术，虽然已积累了一些经验，但随着高含硫气田的开发，现场组焊技术、焊接效率及安全措施等环节仍有待于完善和提高。
参考文献
[1]《工业金属管道工程施工规范》（GB50235-2010）.
[2]《现场设备、工业管道焊接工程施工规范》（GB50236-2011）.
[3]《石油天然气工业管线输送系统用钢管》（GB/T9711-2011）.
[4]《石油天然气钢质管道无损检测》（SY/T4109-2005）.
[5]《天然气地面设施硫化物应力开裂和抗应力腐蚀开裂的金属材料要求》（SY/T0599-2006）.
【关键词】含硫介质；集输管道；管道焊接
1. 引言
（1）某储气库群集输管线设计压力较高（最高达42MPa），部分设计参数世界范围内较为罕见，集输管道采用抗硫碳钢+缓蚀剂的方案进行气体输送，在国内外成功应用的先例也较少。在焊接环节面临着焊接工艺评定标准、焊接工艺选择、抗硫焊材选取等没有成熟经验可借鉴的困难。
（2）焊接是管道施工中的重要环节，其质量高低对管道运行安全关系紧密，合理选择焊接方案尤其重要。天然气中的H2S会导致管道硫化物应力开裂（SSC）和氢致开裂（HIC），且含硫天然气有毒性，管道腐蚀穿孔可能造成严重事故，直接威胁生命和财产安全。因此，对此类管道需采取有针对性的焊接方案来确保焊接质量，从而保证整个工程的安全性。
2. 焊接方案的确定
对输送酸性天然气管线的质量要求比输送净化气的管线更严格一些，因此在焊接之前从焊接工艺试验评定到焊接规程制订、焊工考试，都要考虑金属材料的敏感性问题。在该类管道焊接过程中，除了考虑满足常规力学性能外，还需对其耐腐蚀性能进行重点研究，以通过标准氢致开裂（HIC）和硫化物应力腐蚀开裂（SSC）实验为最终合格判定标准。
2.1焊接工艺的选择。
2.1.1根焊。
（1）该储气库群集输管道具有管径小、壁厚大的特点。根据厚壁管道的施工需要，并结合国内现有的技术，可选择的焊接工艺有手工电弧焊、氩弧焊和氩电联焊，因为氩弧焊从喷嘴中喷出的氩气有冷却作用，因此焊缝热影响区窄，热输入集中，焊件变形小，是厚壁钢管打底的最优选择，故本工程集输管道采用氩弧焊打底。
（2）焊缝根部除金属性能较差之外，表面形状也不规则，熔合不透的根部呈“V”或“M”形，这些形状的尖端部位半径很小，应力集中又最不容易检查到。焊缝根部位于管内壁又直接接触酸性天然气，因此保证焊缝质量重点在于保证焊缝根部的焊接质量。
2.1.2热焊、填充和盖面。
自保护药芯焊丝半自动焊技术，主要用于热焊、填充和盖面，是目前管道施工中最为常见的焊接工艺，具有焊接效率高、焊缝成形好、抗风能力强、适合野外作业等优点。但实践中，也会受其它因素的制约：现场焊接时常采用纤维素焊条、自保护药芯焊丝等含氢量高的焊材，线能量小，冷却速度快，会增加冷裂纹敏感性，需要采取必要的措施（如焊前预热）；现场焊接位置一般为水平固定或倾斜固定对接，包括平焊、立焊、仰焊、横焊等焊接位置，对于厚壁管因焊接应力的作用焊口根部容易产生裂纹缺陷，管径小焊工在施焊时焊条角度变化较快，焊接电流、电压变化大，掌握起来有一定难度，很容易产生焊接缺陷，因此大壁厚小管径的管道焊接对焊工的操作技能提出了更高、更严的要求。
2.1.3上向焊与下向焊的选取。
与上向焊工艺相比，下向焊工艺的特点是：焊接速度快，生产效率高；焊接质量好，向下焊电弧吹力大，穿透均匀，焊缝根部成形饱满；操作技术单一，易于掌握。但下向焊工艺的焊层较薄，随着管径减小、壁厚增加焊道层数迅速增加，焊接时间与劳动强度加大，其优点也难以体现。针对集输管道管径从114.3～323.9mm、壁厚从10～30mm不等的情况，推荐DN≤200mm的管道采用上向焊，DN>200mm的管道采用下向焊。
2.2焊接材料的选取。
（1）按药皮性质可将焊条分为酸性和碱性两类。药皮中含有大量酸性氧化物（TiO2、SiO2等）的焊条称为酸性焊条。药皮中含有大量碱性氧化物（CaO、Na2O等）的称为碱性焊条。为保证焊接质量，酸性天然气管道焊接应尽量选择超低氢型碱性焊条，与酸性焊条比较碱性焊条的优点见表1。因其熔渣属碱性，氧化性极低，对去氢和脱硫有良好的效果，不易在焊缝中形成残留物，焊缝组织良好，综合力学性能优越。
表1碱性焊条的优点
优点 原因
机械性能好 碱性焊条的机械性能好，特别是塑性、韧性好。
脱硫能力强 碱性焊条含锰量高以及药皮中的CaO成分，使其脱硫能力强，焊缝金属中有害元素S含量较低，焊缝接头热裂纹的倾向小。
脱氧能力强 当氧溶入金属中，形成的氧化物以点状存在于金属中，或者以细小网状存在于金属结晶边界线上，这些夹渣物将严重影响接头的塑性和韧性，碱性焊条含有硅铁、钛铁，因而其脱氧能力强，氧化物夹渣气孔少。
低氢型 当氢以原子状态溶于金属中，氢原子进一步结合变成氢分子压力要增到30MPa。金属溶入氢能提高屈服点，但要严重地降低延伸率及断面收缩率。在低温状态下，塑性、韧性降低更明显，在焊接试件拉伸试验中，断面上出现的“白点”，人们称它“鱼眼”，就是氢白点。碱性焊条药皮中有CaF2，它能避免氢溶于金属中，使接头金属中含氢量降低。碱性焊条药皮的去氢作用，使得焊接接头含氢量很低，故碱性焊条又称为低氢型焊条。
（2）碱性焊条虽有许多优点，但也有不足之处：药皮中的CaF2能产生一种有害于人体的可溶性的氟化物；其次对铁锈、水分很敏感，容易吸潮，铁锈是含水的氧化物，在电流作用下可分解为氢、氧。当药皮中CaF2不足时，氢有可能自由溶解在金属中。氧化铁的铁锈不受碱性焊条熔渣的约束，可直接溶入金属中，它和金属中的碳起作用会产生CO2气孔。因此在使用碱性焊条时，必须注意烘干，同时将工件表面铁锈清理干净。
（3）综上所述，确定本工程焊接方案为：对于DN≤200mm推荐手工上向焊方式；对于DN>200mm，推荐以半自动下向焊为主，局部困难地段如设备难以到达、碰死口处可采用手工电弧焊下向焊方式；所有管道均采用氩弧焊打底（见表2）。 3. 焊接注意事项
3.1管口加工及管道组对。
（1）由于管口出现椭圆直径大小不一、管壁厚薄不均、坡口角度不等、钝边不平等缺陷，在管道组装时，给焊接作业带来困难，不可避免地需经手工或胀口工具进行整形，母材必然受到冷锻、冷胀、冷拉的变形，虽然将管口组合了，但经冷加工后母材的金属机械性能将改变，塑性、韧性要下降，有的金属表面可能产生微裂纹，建设输送酸性天然气的管道时尤应慎重对待这个问题。管口整形应用胀口或对口工具，冷变形应控制在规范允许范围内，必要时进行热处理来消除残余应力。冷加工能强烈的影响碳钢和低合金钢的SSC敏感性，SY/T0599规范5.4条规定了使碳钢和低合金钢获得满意的抗SSC性能的冷加工要求。
（2）焊口在组对时，必须保证自由状态，不得形成拉应力、压应力、剪切应力等。管道内部焊缝的未焊透和错口，是高速气流容易形成旋流的原因，也是容易积液的部位。在固相颗粒的冲刷下，加速了该部位的腐蚀。组对时间隙控制在2.5～3.5mm，钝边控制在0.5～1.5mm，错边量控制在1mm以内，保证组对工艺要求后，可以得到较好的焊接接头。
3.2焊前预热及焊后处理。
（1）管道焊接必须按照经批准的焊接工艺规程的要求或按照GB50236的有关规定进行母材焊前预热和焊后热处理，焊接道间的温度不得低于预热温度。
壁厚<15mm时，预热温度25°C，道间温度135～165°C，不进行焊后热处理；15mm≤壁厚<20mm，预热温度150～200°C，焊接道间的温度不得低于预热温度不进行焊后热处理；壁厚≥20mm的C-Mn合金钢，预热温度150～200°C，焊接道间的温度不得低于预热温度焊后热处理温度620～650°C。当环境条件不能满足焊接工艺规程时，必须按要求采取措施后才能进行焊接。焊前预热宽度及焊后热处理加热/冷却速率、恒温时间应符合GB50236第6章要求。
（2）在焊接过程中，由于加热和冷却的不均匀及构件本身或外加拘束，在焊接完成后，构件中总会产生焊接应力。焊缝特别是熔合线部位存在很大的残余应力，组织分布不均匀，容易产生淬硬组织；同时焊缝热影响区晶粒粗大，此区域明显出现脆化现象，硬度明显升高。而硫化氢应力腐蚀敏感性与钢材的硬度有关，硬度越高，敏感性越大，从而使焊缝及其热影响区成为硫化氢应力腐蚀的薄弱环节，因此管道焊接后必须进行热处理。
（3）焊后热处理是指在焊接完成检测合格之后，对焊口进行加热，以实现消氢、消除焊接应力、改善焊缝组织和综合性能。热处理工艺能强烈的影响碳钢和低合金钢的SSC敏感性，SY/T0599规范5.4条规定了使碳钢和低合金钢获得满意的抗SSC性能的热处理要求。
3.3热处理后的硬度检测。
碳素钢焊缝硬度不得大于母材的120%，检测时必须对母材、焊缝、热影响区同时测量和对比。每个焊缝必须进行一次，其结果应满足焊缝熔敷金属和热影响区的硬度值均不大于200HBW。
3.4管道焊接及焊缝检验。
（1）每条焊缝要连续焊接，不能中断。如遇特殊情况焊接中断，必须进行保温缓冷，续焊前需重新预热至规定的温度；焊接必须一次成功，不允许有未熔合、咬边、未焊透及在焊件上引弧留下的焊疤等缺陷；发现有不合格焊口，应按规定认真返修，最大程度保证工程质量。
（2）在焊接过程中严格控制电流，尽量避免较大的线能量输入，避免焊缝组织性能发生变化。因为母材中的硫在液态下几乎可以全部过渡到焊缝中去，因此需要采用较为缓慢的焊接速度，便于焊接熔池中的硫等有害杂质能充分析出。
（3）焊接中的检查从根焊开始，检查是否有异常情况（气孔、裂纹、夹渣等）。焊接完成后，对外观质量做全面检查。检查合格后，方可进行下一步探伤检验。对所有焊接接头采用全周长100%射线检测；穿越水域、公路、铁路的管道焊缝，弯头与直管段焊缝以及未试压的管道碰死口焊缝应进行100%超声波检测和射线检测，均按SY/T4109执行，合格级别为Ⅱ级。
4. 结语
抗硫碳钢管焊接是较为复杂的一种焊接技术，虽然已积累了一些经验，但随着高含硫气田的开发，现场组焊技术、焊接效率及安全措施等环节仍有待于完善和提高。
参考文献
[1]《工业金属管道工程施工规范》（GB50235-2010）.
[2]《现场设备、工业管道焊接工程施工规范》（GB50236-2011）.
[3]《石油天然气工业管线输送系统用钢管》（GB/T9711-2011）.
[4]《石油天然气钢质管道无损检测》（SY/T4109-2005）.
[5]《天然气地面设施硫化物应力开裂和抗应力腐蚀开裂的金属材料要求》（SY/T0599-2006）.