L245NS抗硫化氢腐蚀管材的焊接工艺
闫光宁;王强;张西雷;唐远刚
【摘 要】新疆哈拉哈塘油田二期产能建设工程地面输气管道含有H2S,为了避免地
面输气管道发生硫化物应力腐蚀开裂(SSC)事故,分析了硫化物应力腐蚀开裂的特征
及其影响因素,最终选用L245NS作为管道钢.对L245N2管材的焊接工艺及焊缝的
力学性能、抗氢致裂纹(HIC)及抗硫化物腐蚀开裂性能(SSC)进行研究.对L245NS
管材焊接选用的填充材料、坡口型式、焊接工艺参数、焊接操作、焊后热处理、焊
缝质量检验等内容进行了研究.焊缝外观检验、无损检测、焊缝力学性能及抗硫化
物应力腐蚀性能试验、抗氢致开裂试验结果表明选用的焊接工艺能够满足设计质量
要求.最后通过工程施工的检验,其焊接质量得到了有效验证.
【期刊名称】《石油工程建设》
【年(卷),期】2018(044)002
【总页数】5页(P83-86,92)
【关键词】L245NS钢;焊接关于三的成语 工艺;硫化物腐蚀
【作 者】闫光宁;王强;张西雷;唐远刚
【作者单位】中国石油天然气管道第二工程有限公司培训中心,江苏徐州221008;
中国石油天然气管道第二工程有限公司培训中心,江苏徐州221008;中国石油天然
气管道第二工程有限公司培训中心,江苏徐州221008;中国石油天然气管道第二工
程有限公司特种作业分公司,江苏徐州221008
【正文语种】中 文
管道钢腐蚀是管道失效事故的主要原因,管道腐蚀及随后造成的泄漏和断裂所占比
例很高,世界上第一次由于H2S引起的失效事故出现在波斯湾的海底管道。随着
新钻井技术的采用以及原有技术的提高,油气井深度越来越深,腐蚀性介质含量越
来越高。在引起酸性油气田管道腐蚀的众多因素中,H2S是最危险的,由于管输
天然气中H2S的含量偏高,最高可达400~500 mg/m3,使天然气中H2S分压
达0.003 MPa或更高,具备了发生硫化物应力开裂(以下简称SSC)的条件,使
输气管道破裂事故不断,而且H2S的毒性也严重威胁着人身安全[1]。普通的碳钢
类材质已经无法满足要求,因此,国内外油气田在对腐蚀性介质含量较高的管道进
行设计中,越来越多地采用了抗硫化氢腐蚀的管材。
1 H2S应力腐蚀开裂的特征
管道钢在含有H2S、CO2及水分的油气环境中,因H2S和H2CO3解离、腐蚀而
产生的氢,侵入钢内并在非金属夹杂物和偏析带聚集,从而引起氢致鼓泡,甚至开
裂。硫化物应力腐蚀破坏多表现为突发性,裂纹的产生和扩展非常迅速,腐蚀断口
一般为脆性断口,裂纹源及稳定扩展区呈灰黑色,从其贝氏体组织可发现覆盖的腐
蚀产物[2]。
新疆哈拉哈塘油田二期产能建设工程地面输气管道的设计输量为8.53万m3/d,
管道规格D323.9mm7.1 mm,设计压力4.0 MPa。由于输送气体中含有H2S
气体,会对管道产生严重腐蚀,因此管道设计中采用了抗硫化氢腐蚀的L245NS
管材。
2 硫化物应力腐蚀开裂的影响因素
影响H2S应力腐蚀开裂的因素主要有材料、环境和结构设计及制造缺陷等。材料
因素包含材料的化学成分、强度、硬度、冷加工量、热处理状态、显微组织、材料
的洁净度等。环境因素包含介质中H2S分压、pH值、温度、介质的流速、氯离
子浓度以及氢氰酸、二氧化碳、氨等介质的含量。结构设计及制造缺陷因素包含产
生应力集中区、表面缺陷等[3]。因此在焊接操作中要注意质量过程控制,减小硫
化物应力腐蚀开裂倾向。
3 抗硫化氢腐蚀材料的选用
L245NS PSL2管材是根据GB/T 9711-2011《石油天然气工业管线输送系统用钢
管》的要求生产制造的,是用于酸性服役条件的PLS2钢管,屈服强度245~450
MPa,抗拉强度415~760 MPa,以正火组织状态交货。L245NS钢管的化学成
分及碳当量见表1。其碳当量不超过0.4%,焊接性好。
表1 L 245NS钢管的化学成分(质量分数)及碳当量
为确保L245NS管材的焊接质量,选用焊接质量好、适用于现场施工的“钨极氩
弧焊(根焊)+焊条电弧焊(填充、盖面焊)组合”焊接方法。填充材料除了考虑
强度符合要求外,还应考虑其化学成分及耐腐蚀性能,因此选用抗硫化氢腐蚀的专
用焊材进行焊接,根焊层焊接材料采用ER50-G焊丝,填充层、盖面层焊接材料
采用E4315P焊条。焊材的熔敷金属化学成分质量分数符合要求,熔敷金属力学
性能见表2。
表2 熔敷金属的力学性能
4 焊接工艺
4.1 坡口型式及焊接顺序
根据设计要求,采用的坡口型式为V型,管道壁厚为7.1 mm,坡口角度为
605,根部间隙为2.5 ~ 3.5 mm,钝边为 0.5 ~ 1.0 mm,坡口型式及尺寸
见图1。
图1 坡口型式及尺寸
4.2 焊接工艺参数
经过不断的焊接试验调试,确定了合适的焊接工艺参数,具体的焊接工艺参数见表
3。
表3 L 245NS管材焊接工艺参数注:DC-是指钨极与焊接电源负极相连接;DC+
是指焊条与焊接电源正极相连接。
4.3 焊接操作要领
4.3.1 焊前准备
管口组对前应将管内的杂物彻底清除干净,用角向磨光机打磨坡口,清除坡口内外
表面至少20 mm之内氧化层、油漆、油污等杂物。同时对焊丝表面的铁锈等污物
用砂纸打磨露出金属光泽。焊接设备采用林肯DC-400直流电源或具有陡降外特
性的直流电源,装配钨极氩弧焊枪,采用直流正接分别在3、9、12点钟位置对管
件进行定位焊,定位焊长度15~20 mm。
4.3.2 焊前预热
普通的L245N钢管可以不预热直接焊接,但为减小L245NS钢管焊缝的硫化物应
力腐蚀开裂倾向,焊前必须预热以降低接头冷却速度,减小焊接应力和淬硬倾向,
加速焊接接头中氢的逸出。预热方式为火焰加热,预热温度控制在100~150℃。
4.3.3 根焊层的焊接
采用手工钨极氩弧焊,焊接电流100~120 A,电压10~13 V,焊接速度5~8
cm/min,焊接气体流量8~12 L/min。焊接采用连续送丝外填丝,引燃电弧形成
熔池,当熔池被电弧加热到呈现白亮将要流动时,将焊丝送入,靠熔池的热量将焊
丝熔化,确保每次送丝都要送在熔池内,避免造成根部穿丝现象。焊枪保持后倾角
在70~85,小幅度均匀做横向摆动,焊接速度控制在5~8 cm/min,摆幅过大
会降低焊接速度,熔化金属温度过高会造成根部内凹。焊丝送入角度、送入方式与
熟练程度有关,直接影响到焊缝的几何形状。焊丝应低角度送入,一般为10~
15,通常不大于20。这样有助于熔化端被保护气体覆盖并避免碰撞钨极,使焊
丝以滴状过渡到熔池中的距离缩短。送丝动作要轻,不要搅动气体保护层,以免空
气侵入。焊丝在进入熔池时,要避免与钨极接触短路,以免钨极烧损落入熔池,引
起夹钨。焊接时观察熔孔大小,保持较快的焊接速度,确保仰位根焊时,内部成型
良好,无提高视力的方法 咬边、内凹、穿丝等缺欠。平焊位为避免根焊内部过熘,应减小焊枪后倾
角度,适量加大运条摆敷宽度。
4.3.4 填充层的焊接
填充层采用焊条电弧焊,焊接电流80~110 A,电压18~28 V,焊接速度6~16
cm/min。确保根焊清理干净,填充层1采用短弧焊接,锯齿形或月牙形运条方法,
坡口两侧稍停留使焊道间温度均匀,焊缝平整,选择合适的较小的电流和较快的焊
接速度,以保证根焊内部不会被热熔击穿。填充层2采用与填充层1相同的运条
方式,适当增加焊接电流,减小焊接速度,以保证填充层厚度达到盖面焊条件,仰
位填充预留凉拌红薯 要小于0.5 mm,尽量填的饱满平整,其他位置预留0.5~1 mm 即可。
4.3.5 盖面层的焊接
盖面层焊接电流为85~95 A,电压18~23 V,焊接速度6~13 cm/min,运条
方式和填充层基本相同。由于E4315P焊条焊接时熔池铁水发黏,易下坠,流动
性较差,外观成型不易控制,焊接时适当加快横向摆动运条速度,注意焊道两侧停
留时间,控制好熔池温度,防止熔池中间铁水过热下坠影响外观成型。需要注意的
是,母材与焊缝表面不得有深度大于0.5 mm尖锐缺陷存在,应与母材圆滑过渡。
5 外观检查及无损检测
焊缝外观应整齐、均匀,无裂纹、表面气孔、表面夹渣等缺欠,焊缝余高0~韩国足球 3
mm,焊缝外表面宽度应比坡口宽度每侧增加0.5~2.0 mm。
所有抗硫化氢腐蚀管材的环焊缝应进行100%射线和100%超声波检测,无损检测
标准采用NB/T 47013-2015《承压设备无损检测》,Ⅱ级合格。
6 焊后热处理
焊后热处理不仅能消除残余应力,还可以降低硬度,提高塑性,提高焊缝抗硫化物
应力开裂的能力[4],从而降低产生硫化物应力腐蚀的可能性。L245NS管材焊缝
经无损检测合格后,应进行焊后热处理。热处理应按焊接工艺规程规定的焊后热处
理温度进行升温、恒温和降温操作。升温速度不大于200℃/h,加热到600℃~
640℃后保温0.5 h以上,缓冷(冷却速度不应大于250℃/h)。
热处理完成后,应对焊缝及热影响区进行硬度检测,焊缝及热影响区任何测试点最
大硬度值不得超过HV10 248。当硬度检测不合格时,可再进行一次热处理。进行
第二次热处理后应按规定进行硬度检测。如硬度检测仍不合格,则该焊口应从管道
上割除。
7 焊缝力学性能及耐腐蚀性
L245NS管材焊接工艺评定根据SY/T 0452-2012《石油天然气焊接管道工艺评定》
和SY/T 4117-2010《高含硫化氢气田集输管道焊接集输规范》的要求进行力学性
能试验、硬度试验、抗氢致裂纹试验及抗硫化氢应力腐蚀试验等。
7.1 力学性能试验
按SY/T0452-2012《石油天然气焊接管道工艺评定》要求进行焊缝力学性能试验,
试验结果见表4。
7.2 硬度试验
材料的耐蚀性能与材料的硬度密切相关,按照SY/T4117-2010《高含硫化氢气田
集输管道焊接集输规范》的要求取样,对焊接接头不同区域进行硬天秤男天蝎女 度测试。共计测
试19点(见表5),HV10197最大硬度值为,符合焊缝及热影响区任何测试点
HV10197最大硬度值不得超过HV10248的要求,硬度测试点位置如图2所示。
表4 焊接接头的力学性能试中考总结 验结果
7.3 抗硫化物应力腐蚀开裂性能(SSC)试验
试验方法及试验结果见表6。
7.4 抗氢致开裂性能(HIC)试验
试验方法及试验结果见表7。
表5 L 245NS焊接接头硬度测试结果(HV10)
图2 硬度测试点位置
表6 抗硫化物应力腐蚀破裂性能试验
8 结束语
焊缝力学性能及耐腐蚀性试验表明,所述L245NS管材焊接工艺合格。该工艺应
用在新疆哈拉哈塘油田二期产能建设地面工程输气管道的施工建设中,线路总长度
26.67 km,焊口2 158道,焊接一次合格率为96.65%。焊接质量和焊接效率均
达到了工程的要求,并取得了较好的经济效益和社会效益。
表7 抗氢致开裂性能试验
L245NS管材具有其特殊性,在焊接施工中必须严格执行焊接工艺规程要求,进行
坡口清理、焊前预热、焊接过程控制、焊后热处理等工作,加强管理,确保焊接质
量,降低焊接接头硫化物应力开裂的可能性,确保管道安全可靠运行。
参考文献
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[4]雷晓青,毛升好,高武.陕224储气库抗硫化氢腐蚀管材焊接质量控制[J].石油
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