含硫化氢天然气压力管道的焊接.pdf

材料与焊接 石油化工设备技术 ．201 1，32312 PetrochemicalEquipmentTechnology 含硫化 氢天然气压力管道的焊接 马文宏，蔡毅德 ，韩涛，徐文 超，关熠 中国石油塔里木油田油气田产 能建设项目部．新疆库尔勒84 1000 摘要高舍硫 油气田中管道腐蚀非常严 重。文章在分析了管道硫 化氢应力 腐蚀开裂机理的基础上，通 过选 取抗硫化物腐蚀材料管材和焊 材、消氢处理、焊后热处理等方法，取得了比较好的效果，减小 了管道 的 腐蚀程度．使管道能够安全、平稳、正常运行，延长了管道 的使用年限。 关键词高含硫 天然气压力管道 焊接 塔里木油田近几年对塔 中地区开发的规模日 益加大，各种单井的 开发，构成了庞大 的集输管 网。各单井所产天然气硫化 氢 含量均比较 高，其 中，中古 7井H S含量为88000 10 ～ ，中古4 3 井 H 。S含量 3200010 ～ 。腐蚀介质H。S不仅 对地 面集输管道和 设备安全构 成极大威胁，还会 危及人体的生命健康及环境安 全。因 此 ，严格控 制高含 H S天然气管道的焊接质量尤为重 要。 1 管道材质简介 在高含硫化氢的天然气 集输 管道中，天然气 环境对管道 的腐蚀最危险的是硫化物应力腐蚀开 裂S S C C，金 属材料的化学成分及 强度是影响管 材S S C C的重 要因素n ] 。因此输送高含硫化 氢天 然气的管道 选 用国内衡阳钢厂生产的 L 360QC S 钢管，规格 为4323．9 10 mm ，其焊接 性能良好， L360Qcs硬度小于HRC22，能 有 效地防止硫 化 物应力腐蚀开裂 l_2J 。 L3600cs钢管的化学成 分和力 学 性 能 分 别 见表1和表2。 表1 L360QCS钢管 的化 学成分 ┏ ━━ ━ ━━━ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━┓┃ 化学 成 分 【 、 S iMnPs ┃┣ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ┫┃┃ ┣ ━━━ ━ ━━━ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ┫┃ 化学fJE 分 NiL ’ r、II L 、 u ┃ ┣━━ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━━━ ━ ━━━ ━ ━━━ ━ ┫┃ ⋯一一⋯一⋯一一● ┃┗━ ━ ━━ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━━ ━ ┛ 2 焊 接材 料的选择 为保证焊接质量，应选择超低 氢型碱性焊条， 由于熔渣属于碱性，并且氧 化性极低，对于去 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。 为了筛选 适 宜 的焊材 ，特意进行了焊 接工艺 评定。在评定试 验中，选择了四川大西洋焊 接材 料股份有限公司 生产的三种 焊 材焊 条和焊丝。 焊材的基本 特 性、化学成分、力学 性 能 分 别见 表3、表4和表5。 表2 L 360QCS 钢管的力学性 能 414506 3 焊接工艺要求 3．1 焊口组对的要求 在钢材 的硫化物应 力腐蚀 开裂事 故 中，焊缝 的熔合线 部 位 最易发生破裂。因此焊口在组对 时，必须保证自由状 态，不得形成拉应 力、压应 力、 剪切 应 力等。同时，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。天然气集输管焊接时，间隙控制在2．5 ～ 3．5mm ，钝边保证在0．5 ～ 1．5mm ，错口控制在 1t r i m以内，保证了组对工艺要求，可以得到较好 的焊接接头。 收稿日期2010 1 1 - 26 ；修改稿收到日期201 卜03 一08 。 作者 简介马文宏 ．男，2008年 毕业 于新疆农业大学土木工 程专业 ．现从事项目管理工作，助理工程师 。 Email4 624 137 qq．cor n 第32卷第3期马 文宏等．含硫 化氢天然 气压力管道的焊接 表3焊 材种 类 表5力学性 能 C H、rSH534 1054 0 33 30290290290 C HE507SHA4 0050027．5 3022124 3252 特殊要求 cHG SH5 3；ds 一 400 ～ 484MPa， ab 480～5 70MPa；cH E 507sHA 盯。 一 360～4 60MPa；乱 4 50 550MPa 注焊接材料CH CrS H 53 和C H E 507S H A为特殊订货．除了满足表 中 “ 特殊要求 ” 栏要求外，其化 学 成分和力学 性能均应满足相关 标准 的要求。 3．2 焊接方法及参数 的选择 本工程 的焊接方法为G T AwSMAW ，全 程 为手工焊。焊接时，做好母材的的预热 ，预热温 度为 100 ～ 150℃ 。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。 焊接时采用 多层多道焊接工艺，且每层焊接 全部完成后才 能进行下 一 道的焊接。在进行下 一 道焊接时保证层 问 温度 在 100 ～ 200 。C 且时间不 能超过 10min。禁止在压力管道 表面引弧 和 试 验电流 ，注意其他容易影响焊接质量 的施工环境。 如当进 行根焊时，若环境风 速大于2 m／s及进 行 填充 、盖 面焊 接时，环境风速大于5 m／s，必须 采 取加设 防风棚措施。 4无损检测技术要求 管道焊缝 的 内部缺陷是介质腐蚀 的 发源 地 ， 必须保证管道的焊接质量合格。焊接 结束后 ，必 须进行 1009 ／ 6超 声 波探伤及 100％X 射线检查 ， 检验合格后 进行焊后热处理 ，热处理完毕后，再 对 焊口按 lO％抽检进行超声 波检验 。同时注意 ，管 道焊缝如出 现裂纹，只允许返修 一 次。 5 焊后 热处理 在焊接过 程中，由于加热和冷却的不均匀性 ． 以及构件本身产生拘束或 外 加 拘束，在 焊接工作 结束后，在构件中总会产生焊接应力。焊缝特别 是熔合线部位最容 易 受 到腐蚀 ，因为该部位存在 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。 热处理采用电加热法。电加热法温度 易于控 制 ，无环境污染，热效率高。 焊后热处理的目的有三个消氢、消除焊接应 力、改善焊 缝组织 和综合性 能。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 ．主要 步骤 如下 1室 温约 为4 00 ”C 时升温速 度不限； 石油化工设备技术 2 4 0 0 ～6 0 0。C时升温 速度为 2 0 0。 C ／ h ； 3 6 0 0℃时保温 1 h ； 4 6 0 0 ～4 0 0。 C时降温 速度 为 1 ] C／ h ； 5 4 0 0℃ 以下 自然冷 却 。 加快焊缝 及 热影 响 区中氢 的逸 出 ， 对于 防 止 焊 接时产 生焊接 裂纹 的效 果极 为显著 ] 。 6热处 理后 的硬 度检 测 碳素钢焊缝硬 度不得 大于母 材 的 1 2 0 ， 检测 时必须对母 材 、 焊 缝 、 热 影 响 区 同时测 量 和 对 比。 周向分布检测数量不得低于 4个点 ] ， 见 图 1 。 图 1 硬 度 检 测 点 分 布示 意 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 2 0 0HBW 。 7 结 语 1 通 过对 硫 化 氢 应 力腐 蚀 机 理 的学 习 ， 认 识到 集输系统 是硫 化氢腐 蚀危 害的高发 区 ； 2 通 过 对 管道 材 质 和 焊 材选 择 的分 析 ， 认 识到材料的化学成分 、 强 度及焊接残余应力等对 硫化 物应力 腐蚀 开裂有 直接影 响 ； 3 为 防止 S S C C， 焊接 完 成 后 ， 严 格进 行 焊 后热 处理及 硬度 检测 ； 4 施工 过 程 中如 果 发现 不 合 格 焊 口， 应 按 规 定认 真返修 ， 最大程 度保证 工程 质量 。 参考 文献 [ 1 ] 杨 军 ， 陈 玉林．管 道 防腐 技 术 的质 量 控制 与应 用 [ J ] ．石油工业技术监督 ， 2 0 0 9 ， 7 l 一 5 ． [ 2 ] 崔文霞 ， 王瑞娥．含硫油 气井 中的硫化氢 气体检测 和防护应急程序 E J ] ．企业技术开发 ， 2 0 1 0 ， 1 5 ． E 3 ] 刘亚青 ， 李晓平 ，张 明江 ，张果．川东北地 区高温 、 高压 、 高含硫气井测试工艺技术E J ] ．油气 田地 面工 程 ，2 0 1 0 ， I 7 ． [ 4 ] 余 腾义．X 5 2高频直缝焊管热影响 区裂纹 原因分析 [ J ] ．钢铁钒钛 ，2 0 0 4 ， 1 i - 1 2 ． 上 接 第 】 I页 2 ． 3不锈钢 换热 管腐蚀分 析 不锈钢 的最 主要失效 形式 为腐蚀失 效 。该 换 热 管拉伸试 样 断 口为 典 型 的韧 窝 断 口 见 图 3 ， 从 而可 以初 步断定 换热管 没有 发生 晶间腐蚀 。因 为 如果有 晶间腐蚀 ， 在 断 口处会 出现 沿 晶断裂 ， 且 拉 伸试样 断 口呈典 型 的脆 性 断裂形貌 。冲击 试样 没有 冲断 图 4 ， 表 明材 料有 良好 的韧 性 ， 同 时 ， 也 进 一 步 证 明 该 材 料 未 发 生 晶 间 腐 蚀 。 因 此 ， 0 C r 2 5 Ni 2 0不锈钢 换 热管 在 管 内温 度 为 3 0 0。C、 压力为 5 MP a的高 温蒸汽 ， 外部 为 2 8 0。C的焦 油 环境 中 ， 没有 发生 晶间 腐蚀 。发 生 应力 腐 蚀 破裂 需具备 三个基 本条件 敏感 材料 、 特定环境 和拉 伸 应力 。抛光后 截 面与 外 侧 面 的 S E M 图 见 图 2 没有 发现应 力腐蚀 裂 纹 ， 同时不 锈 钢 换 热器 不 受 拉伸 应力 的作 用 ， 而且 腐 蚀 产 物 中杂 质元 素 含 量 较少 ， 因此不具 备发 生应力 腐蚀 的条件 。 3 结语 综 合上述 分析 ， 裂 解 器 不锈 钢 换 热管 外 壁 失 效 的机理为 当高 温蒸汽进 入换 热管 时 ， 换热 管被 加热。当温度较低的液体焦油与温度较高的换热 管外壁 接触 时 ， 在 换 热管 外 壁 表 面产 生 气泡 并 随 即破裂 ， 气泡 破 裂 产 生 的力作 用 在 管外 壁 上 。 由 于一直 有温 度较 低 的液 体 流 人壳 程 ， 在 换 热管 的 外壁上就会不断的产生气泡并破裂 ， 冲击力作用 在管 外壁上 。久 而 久 之 ， 在管 的外 壁上 生 成较 小 的凹坑 。当温度 较低 的液体进 入到 已形成 的 凹坑 底 部 并 与 之 接触 时 ， 再 重 复 气 泡 、 破 裂 这 个过 程 时 ， 随 着时 间的延 长 ， 较小 的凹坑 就 会变 得 较大 。 最终使换 热 管壁 厚 减 薄直 到 失效 。因此 ， 该 换 热 管失效 的主要类 型是 空蚀 。 为减 缓换 热管失 效速度 ， 提高 其使用 寿命 ， 建 议从尽 量减小 换热 管 内外 温差 方 面 人手 ， 可采 取 以下措施 1 通 过其 它 方 法 使 焦 油进 入 容 器 前 就加热到较高的温度， 以达到减少换热管内外温 差 的 目的。 2 在 焦 油 入 口处 的容 器 内 加 装 弯 管， 使焦油进入到容器时不直接与换热管接触， 而 是先在弯管 内运行一段时间， 此弯管外是较早进 入到容 器并 已经加 温 的焦 油 。这样经 过预热 的焦 油再 与换热 管接触 ， 其管 内外 的温差 就大大 减小 。