酸性天然气输送管道的焊接问题.pdf

酸性天然气输送管道 的焊接 问题 郑 照 东 佟雷 张弥 中国石油天然气管道 1 程有 限公司 郑照东佟雷等 酸性天然气输送管道的焊接问题， 油气储运 ， 2 0 0 7 ， 2 6 3 5 4 ～5 6 。 摘 要 针 对泰 国 WANG N OI KAE NG K OI 天然 气输送 管道 设计 的复 杂性 ， 故 障发 生 时 多 处 于酸 性环 境 ， 对钢 管成分 提 出 了不 同要求 ， 同时提 出在 焊接材 料 的选择 和 焊接 工艺 制定 时应注 意 的问题 ， 并 考虑采 取 措施 以减少 或避 免 在 某些敏 感 区域 射 线探 伤过 程 中对 周 围人 员的身体 伤害 。 主题 词 输 气管道 酸性 天然 气 焊接 无损 检测 一 、管道概况 一、 官遇僦况 泰国 WANG NO I KAE NG K I 酸性天然气输 送 管道 不 足 8 O k m， 线 路情 况 复杂 ， 有 8 k m 的 ⋯地 、 4 O k m 的沼泽地和水稻 田。 有 3 0 k m管道与 2 3 O k V 高 线 并行 ， 问距 为 1 0 m， 有 2 O k m 管 道 完 令 与 高 速 公路 并行 ， 距 离公 路路 肩不 足 3 m， 局部 管 道就 在 高速公路的斜坡上开挖敷 没， 管道设计很复杂。 1 、 输 送气 体介 质化 学成 分 管道常规输送介质是经过处理 的非酸性气体， 当出现 故障 时 ， 管 道 不 町避 免地 处 于酸 性 气 体 环 境 中 ， 因此 整 个系统 按照 输送 酸性 气体 来设 计 ． 具 体 气 体 特性数 据 见表 1 。 表 1 输送气体介质特性 注 除总热f f f 和求 ， 其余均为最 大值。 2 、 钢 管化 学成 分 本项 目所 用 钢 管 为 AP I 5 L X6 5钢 管 ， 符 合 NAC E MR 0 1 7 5标准要求 ， 化学成分见表 2 。 表 2 A P I 5 L X 6钢管的化学成分 化学成分 重量 比 ％ 化学成分 重量 比 ％ C ≤ 0 ．1 0 Ti ≤ 0 ． 0 3 0 Mn 0 ． 8 ～ 1 ． 6 B ≤ 0 ． 0 0 0 3 S i O ．1 5 ～ 0 ． 3 5 Nb ≤ 0 ． 0 5 P ≤ 0 ． 0 2 0 V ≤ O ． O 8 S ≤ 0 ． 0 0 2 Nb V ≤ 0 ． 1 O C a ≤ 0 ． 0 0 6 N ≤ O ． O 1 0 Cu ≤ 0 ． 3 5 Al To t a 1 0 ． 0 1 j ～ 0 ． 0 5 Cr ≤ 0 ． 3 0 Al S o l u b l e ≥ 2 N Mo ≤ 0 ． 2 0 Nb V Ti Cu ≤O ． 7 Ni ≤ 0 ． 3 0 Cr MO *0 6 5 0 0 0 ， 河 北省廊坊 市金 光道 2 2号； 电话 0 3 1 6 2 0 7 7 5 7 2 0 。 可以看Ⅲ， 该钢管为高纯净钢 超低硫 ， 含镍量 也低 ， 符合输送酸性气体介质的要求 。 根据上述钢管的化学成分以及管道设计的输送 酸性 气体 的要求 ， 可 以初 步 判 断 钢管 母材 的组 织 形 态为 针状 铁素 体组 织 。 二 、 钢 管的焊接 1 、 焊接技 术要 求 本工程焊缝金属的主要性能要求为 ， 钢级 X 6 5 ， 平均值为 4 7 ． 5 J ， 单个最小值为 3 8 J ； 焊缝各部位硬 度最大为 2 4 8 HV1 0 ， 焊缝 金属镍含量最高为0 ． 9 9 ／ 6 。 在焊接过程 中， 焊前预热温度最低为 1 0 0 。 C， 返修预 热 温度 最 低为 1 2 O C 。 维普资讯 第 2 6卷第 3期 郑照 东等 酸性 天然气输送管道焊接 问题 2 、 焊 接材 料 根 据钢 管 的屈服 强度 和管 道 路 由不适 合全 自动 焊接 的实际情况 ， 决定采用以半 自动焊接为主 ， 于工 焊 为辅 的焊接 工 艺 。根 据 设 计 的焊 接 技 术 要 求 ， 初 步选 择焊 接材 料 系列组 合 如下 。 1 手 工焊接 工 艺 根焊 E 6 0 1 0 ， 4 ． 0 mm。 热焊 E 8 0 1 0 一P， 4 ． 0 mm。 填充 焊 E 8 0 1 8一G， 4 ． 0 mm。 2 半 自动焊接 工艺 根焊 E 6 0 1 0 ， 4 ． 0 1 T I I T I 。 填充 和盖 面焊 E 7 1 T8 一K6 ， 2 ． 0 mm。 3 翻 修 焊接 根焊 E 6 0 1 0 ， 3 ． 2 mm。 填充 和盖 面焊接 E 8 0 1 8 一G， 4 ． 0 mm。 考虑 到 管 道 输 送 酸 性 气 体 ， 根 据 NAC E MR 0 1 7 5要求， 焊缝金属的镍含量不能高于 1 ． 0 ， 因此 规定熔敷金属 的镍含量不能高于 0 ． 9 ％， 焊 接材料 本身的镍含量不 高于 1 ． 0 。同时 ， 考虑 到焊缝 较 高的冲击韧性要求 ， 暂定半 自动焊接 的药芯焊丝采 用 E 7 1 T 8一K6 系 列 中 的 E 7 1 T8一Ni l 。 3 、 焊 接工 艺规 程 的制定 出于对不同的环境温度、 输送介质等 的考虑， 钢 管本身的化学成分 和组织不 同， 本工程采用的钢管 为铁素体基 ， 一般可用于低 温冲击韧性有要求 的情 况或输送 的气体介质有腐蚀性 的情况， 利用其组织 的均匀性 ， 尽量防止服役期间在某些敏感部位 沿金 属双相组织的界面形成腐蚀通道。 鉴于本工程 的钢管和输送气体介质的不 同， 制 定焊接工艺规程 时要 特别注意采用适 当的焊接工 艺， 防止焊缝金属因扩 散氢滞 留而形成明显 的鱼眼 或 白点 。 4 、 焊接 工艺 的评 定 P QR 在焊接工艺评定中， 借鉴其它工程的经验， 要求 将预热温度降低到 6 0 。 C。截止 到 2 0 0 5年 1 0月 2 0 日， 焊接工艺评定结果显示 ， 各项力学性能 ， 包括屈 服强度、 抗拉 强度 ， 硬度 、 面弯 、 背弯等都符合要求 ， 但刻槽锤断结果表明 ， 锤断断面发现密布 的氢气孑 L 俗称鱼眼或白点 ， 不符合 AP I 1 1 0 4的要求。 从理论上对结果分析可能存在的原 因有， 预热 温 度不 足和 预热 范 围不够 ； 层 间温度 不够 ； 环境 温 度 低 ， 而盖 面焊 接完 成后 没有 采取 后热 或保 温措施 ； 焊 接材 料本 身 化学 成 分特 别 是 镍 含 量 不稳 定 ， 试 验 用 焊接材料镍含量偏高。 以上单个或几个因素相互作用 ， 会导致焊缝金 属高温停留时问不足， 焊缝金属中氢扩散不完全 ， 特 别 是 铁素体 钢对 比尤 其 敏感 。 焊 接过 程 是在一 定介 质氛 围 的保护 下 由固态 向 液 态 ， 再 由液 态 向 固态 ， 进 而 固态下 相变控 制 的转变 过程 ， 在 由较高温度时的固态奥 氏体 一般 7 0 0 C以 上 向趋 向常 温 的铁素 体 的转变 过程 中 ， 由于组 织形 态 的不 同和 温度 区 间 的差 异 ， 氢 在 这 两 种组 织 中 的 溶解 度 和扩散 速 度差 别 很 大 ， 而 且组 织 本身 的变 形 能 力 差 别 也 很 大 ， 在 奥 氏 体 中 的 扩 散 速 度 很 慢 8 0 0 。 C时 约 0 ． 0 8 m／ s 。 1 0 0 0 C以上 扩 散 速 度 才 迅 速加快 ． 而在铁素体 中的扩散速度则很快 2 0 0 。 C时 可 达 到 0 ． 0 8 m／ s ， 8 0 0 C时 达到 1 m／ s ， 如果 焊接过 程 上 述 固 态 相 变 过 程 中 高 温 奥 氏 体 阶 段 1 0 0 0 C左右 的存 留时间过短 ， 焊缝中大量 的氢来 不 及扩 散析 出 ， 就 会 造 成 常 温下 铁 素 体 焊缝 中扩 散 氢 大量 存在 ， 并迅 速扩 散 ， 容易 在焊缝 中 的夹渣 和微 气孑 L 处汇聚而结合成为氢分子 ， 加大从焊缝 中析 出 的难度 ， 从而 导致 鱼眼 或 白点 的形成 。 镍是一种奥 氏体化元素 ， 焊缝中的含量如果超 过 1 ％， 并与其它合金元素共 同作用 ， 会使焊缝金属 相变过程 中由奥氏体 向铁素体转变 的临界 温度更 低 ， 这 就是 所 谓 的镍 对 氢 的 吸 附 作 用 ， 也 是 NA C E MR0 1 7 5等标准中要求限制母材以及焊接材料 中镍 含量 的原 因 。 三、 高速公路敷设管段的无损检测 管道焊接的 X射线探伤对周 围人员 的健康 危 害很大。但从技术角度 ， X射线探伤又是一种 成熟 可靠 、 可操作性很强的检测技术。理论上， 除了全 自 动 焊接 的焊 口可 以用 自动超 声 波 进 行 检 测 ， 并 且 检 测结果具有 比较高的可靠性外 ， 其余焊 口都应采用 X射线探伤方法进行检测 。 泰 国管道建设市场几十年来被 国外公司占据 ， 形 成 了一 整 套 严 格 的质 量 保 证 体 系 ， 对 HS E 的要 求尤其严格 。由于本 工程有近 1 6 k m 的管道与高 速公路伴行 ， 为了减少焊 口检测过程 中 X射线对路 上行人的危害， 业主最初要求采用全 自动焊接 配合 全 自动超声波探伤来保证这段管道 的焊接质 量， 但 维普资讯 w w w . b z f x w . c o m 油 气 储 运 该段高速公路的走向很 曲折 ， 路边障碍物多 ， 很难采 用 全 自动 焊接 技术 来 进 行 施 工 ， 最 终 决 定 采 用 半 自 动焊接 技 术 。 为 了在保证 焊 口检 测质 量 的情况 下 减少对 周 围 路 人 的危 害 ， 设 计人 员考 虑 了路上 通行 车辆 高度 、 管 道检测过程 、 射线发散范围等因素 ， 提出在探伤 域 前后 3 0 m 的范 围 内 ， 采用 高 2 ． 5 m， 宽 1 m， 厚 2 c m 的铅 屏来 隔离公 路 和 检 测 现场 ， 使 之 在公 路 和 检 测 现 场之 间形 成一道 铅板 屏 蔽 层 ， 利 用 铅板 对 X射 线 的强力吸收功能 ， 将可能散射 到路人身上的 X射线 剂 量减少 到最 低 水 平 ， 达 到 保 护 路 人 的 目的 。经 过 美国技术人员和泰 国焊接协会的专家评审， 最后业 主同意采用半 自动焊 接工艺配合 x射线探 伤作 为 该段 管道 的焊 接施 工 方 案 ， 为项 目节 省 了可 观 的施 工 费用 。 国内工程 建设对 HS E 的要求越来越 严格 ， 特 别是随着城市用 电量 的增加 ， 各大城市都正 在或计 划兴建电厂 ， 用户要求将管道直接与电厂连接 ， 这样 输气管道工程的建设越来越靠近城镇和市区等人流 和建 筑密 集 区域 ， 减 少管 道 施 工 过 程 中对 周 围 的干 扰和周围群众的健康危害， 是设计人员必须考虑和 上 接 第 4 8页 的结果 中， 油罐底板 的等效应力和变形都显示 了较 好 的状况 ， 最大等效应力为 2 0 8 ． 6 8 1 MP a ， 最大垂向 位移 为 2 0 3 ． 1 6 8 mm。 另外 ， 壁 板 的状 况 也 较 好 ， 即 使在举升架水平杆作用的第一圈和悬拉点作用的第 十圈也没有出现等效应力与变 形现象 ， 罐壁最大的 等效应力 为 1 5 3 ． 0 2 2 MP a ， 最 大 的变 形也 仅仪 是 4 0 ． 3 7 mm。因此可 以认为 ， 两种方案的四种T况都 在可选 之列 。 比较 4 8个 和 6 4个举 升 点 两 种方 案 ， 并 没 有 显 示出 6 4个举升点的优势 ， 其原 因可能是罐壁_ J 受力 点的复杂组合 ， 例如罐壁上的受力点有举升架水平 杆作用点 、 牛腿对罐壁的作用点、 稳定楔块对罐壁的 支撑作用以及顶圈壁板悬拉点等 ， 这些作用点垂向 重合或是错开 ， 都可能造成 内力 的复杂组合 。但为 了避开焊缝或某种构件， 将有可能改变理论计算中 的理想对称位置 ， 这种情况下 ， 内力的分布又有可能 发生变 化 。另外 ， 方 案 制 定 过 程 中 还要 考 虑 液 压举 升器的举升能力和最佳工作范围等情况 。虽然理论 计算基本上定位 了 4 8个到 6 4个举升点的可实施范 必 须解 决 的 问题 。随 着 国外 项 目的 增 加 ， 积 累 相关 经验 ， 提高技术水平 ， 加速设计环节和国际接轨 。 为保 证 焊 口质量 ． 要求 对焊 口采用 双 百探伤 ， 但 自动超声波探伤涉及对 比试块 、 耦合剂和坡 口尺寸 相对 稳定 ， 理论 上 只适 合 于 全 自动 焊 接 。手 工 超 声 波检 测技 术 由于 受 限于 检 测 人 员 的 技 术 水 准 和 经 验 ， 不 具备 可 复核性 和 可控制 性 ， 除非业 主和 监理 人 员都是这方面的专业人员 ， 并具有较高的专业水准 ， 采取 全程 跟踪 的方式 和检 测单 位 的检测 人员共 同来 完成检 测过 程 ， 焊 口质 量才 能 得 到 有 效 的保 证 。当 前 ， 国外公司倾向于将手工超声波检测技术作 为一 种辅助检测措施， 通常只在三方对 x射线探 伤结果 的解释存 在争议 的时候才采取 的一种对 比检测措 施 ， 只适 用于 细致 研究 ， 不适 用于 长距 离管道 的 流水 作业 。 相 关 的 国 内外 标 准 和 规 范 只规 定 了 一 般 性 要 求 ， 而且是 在前 人 大 量 的经 验 和 教 训 的基 础 上 给 出 的， 应在详细了解后执行。 收稿 L 】 期 2 0 0 6 0 1 0 4 编辑 杜 娟 围， 但在这个范围内采取的举 升点数量还要参照其 它的因素。因此 ， 在 4种方案都可 以考虑的情况下， 建议采取 6 4个举升点和钢缆 牛腿的二级悬拉方 案 ， 这样可以进一步提高稳定性和强度的安全储备。 上述计算结果以某油库 5 0 0 0 0 m。 浮顶油罐为 算例， 计算模型也是以理想的对称形态建立 的。主 要 考察 了油 罐举 升 工艺 和 技 术 相对 于 5 0 0 0 0 m。 浮 顶 油罐 的可行 性 。从 安 全 的角 度 出 发 ， 对 于 目标 油 罐要采用 的整体举升的实施方案 ， 还应进行针对性 的设计 与校 核 。 参 考 文 献 1 ， 邓 彦 前金钊等 会 属储罐举 升技 术及其应用 ， 石油工 程建 设 ， 1 9 9 9 ， 2 5 2 。 2 ， 司刚强邓 彦等 2 O 0 0 0 m。 浮顶油罐 举升应力 监测与分 析， 油气储运 ， 2 0 0 2 ， 2 1 9 。 3 ， 术 安 张惠民等 油罐整体举升中力与应力公式 的推导 ， 天津 大学学报 ， 2 0 0 3 ， 3 6 3 。 收稿 f _j 期 2 0 0 4 0 4 2 3 编 辑 仇斌 维普资讯