含硫化氢天然气压力管道的焊接.pdf

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1、材料与焊接石油化工设备技术201 1，32(3)12PetrochemicalEquipmentTechnology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

2、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

3、43239 10mm，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1L360QCS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

4、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2L 360QCS钢管的力学性 能4145063焊接工艺要求31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2535mm，钝边保证在0515mm，错口控制在1tr im以内，保证

5、了组对工艺要求，可以得到较好的焊接接头。收稿日期：20101 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。Email：4 624 137qqcorn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 03330290290290C HE507SHA4 005002753022124 3252特殊要求cHGSH5 3；ds一400484MPa，ab=4805 70MPa；cH E 507sHA：盯。一3604 60MPa；乱=4

6、 50550MPa注：焊接材料CH CrS H53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。32焊接方法及参数 的选择本工程 的焊接方法为GT Aw+SMAW，全程 为手工焊。焊接时，做好母材的的预热，预热温度为100150。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

7、下一道的焊接。在进行下一道焊接时保证层 问 温度 在100200。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2ms及进 行填充、盖 面焊 接时，环境风速大于5ms，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100X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

8、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。

9、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

10、、 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

11、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

12、 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

13、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

14、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

15、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 。