石化在役管道焊縫開裂原因分析及修復(fù)工藝

李方杰

福建聯(lián)合石油化工有限公司 福建泉州 362800

1 序言

2022年2月，某石化公司在役管道法蘭與管道連接焊縫在法蘭側(cè)熔合區(qū)開裂，導(dǎo)致高溫介質(zhì)泄漏，在不停車的情況下嘗試了捻縫、扎鋼帶、包盒子等石化管道泄漏在線搶修的常用方法，但均失敗。因?yàn)樯a(chǎn)任務(wù)重，所以需緊急停產(chǎn)搶修。該管道設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見表1。經(jīng)光譜檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，焊縫材質(zhì)與1Cr5Mo鋼類似。該管道于1992年4月安裝完成后投入生產(chǎn)使用至今。

表1 管道設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

2 泄漏焊縫失效分析

2.1 宏觀分析

目視泄漏焊縫、管道和法蘭頸外表面，除焊縫局部泄漏外，其他部位均完好無形變。沿焊縫中心線整圈切割后，觀察管道和法蘭內(nèi)表面，發(fā)現(xiàn)焊縫法蘭側(cè)附近內(nèi)表面金屬基本減薄殆盡，焊縫管道側(cè)內(nèi)表面、法蘭內(nèi)側(cè)的316L堆焊層表面完好。但在該法蘭頸端內(nèi)表面存在20mm寬整圈未堆焊316L不銹鋼層的情況，該部分法蘭頸端基體20鋼裸露在高溫含腐蝕介質(zhì)的拔頭油中，也是焊縫法蘭側(cè)內(nèi)表面減薄開裂泄漏位置。

從無316L堆焊層的20鋼減薄開裂處可看出，基本為均勻減薄，經(jīng)超聲波檢測(cè)，該部位金屬最小厚度僅為2mm，有些部位金屬減薄殆盡導(dǎo)致開裂。在法蘭頸內(nèi)側(cè)20鋼基體與堆焊層之間形成周圈深度約15mm的空腔，如圖1所示。

圖1 法蘭頸部?jī)?nèi)壁空腔狀態(tài)

2.2 原因分析

對(duì)于輸送含有S和環(huán)烷酸的拔頭油管道材料選用，應(yīng)根據(jù)正常操作條件下拔頭油中的酸值和S含量為依據(jù)，并應(yīng)考慮最苛刻操作條件下可能達(dá)到的最大酸值、酸與硫的共同作用，以及介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)、速度等因素。對(duì)于操作溫度≥240℃的管道、介質(zhì)中含活性硫化物的管道，根據(jù)該管道操作溫度和介質(zhì)中的S含量，應(yīng)選擇4Cr以上合金鋼或不銹鋼材料，才可以抵抗該處介質(zhì)腐蝕[1]。

由于20鋼基體的法蘭頸內(nèi)表面存在約20mm寬無316L堆焊層，使20鋼直接裸露在高溫拔頭油介質(zhì)中，經(jīng)過30多年腐蝕介質(zhì)浸蝕，導(dǎo)致法蘭背面20鋼部分嚴(yán)重腐蝕并局部貫穿。由于316L不銹鋼堆焊層、材質(zhì)為1Cr5Mo合金鋼焊縫和管道的wCr＞4%，因此與腐蝕介質(zhì)接觸面均完好無損。觀察到的整圈空腔是從裸露的20鋼表面長(zhǎng)期不斷地向厚度和法蘭面方向腐蝕而形成的。

分析該管道原設(shè)計(jì)及安裝過程資料，應(yīng)是施工過程質(zhì)量控制不到位，從而導(dǎo)致法蘭頸內(nèi)表面存在約20mm寬無316L不銹鋼堆焊層的情況發(fā)生。

3 維修方法確定

通過上述觀察分析可知，法蘭頸部腐蝕嚴(yán)重，不符合法蘭標(biāo)準(zhǔn)尺寸要求，應(yīng)該整體更換。根據(jù)原設(shè)計(jì)圖樣及安裝技術(shù)要求，以及上述腐蝕原因分析得知，需要更換的法蘭材質(zhì)可以選用20鋼+316L不銹鋼（堆焊）或1Cr5Mo合金鋼。

由于發(fā)生管道焊縫開裂泄漏是不可預(yù)見的，該公司無備用類似材質(zhì)和同規(guī)格法蘭，也無法及時(shí)采購(gòu)到貨，因此為了保證修復(fù)進(jìn)度，只能對(duì)原法蘭進(jìn)行維修。

同時(shí)，因法蘭頸部腐蝕嚴(yán)重而導(dǎo)致長(zhǎng)度變短，所以在恢復(fù)安裝時(shí)需要增加管段。在同材質(zhì)和規(guī)格的管道材料無庫(kù)存的情況下，需要利用庫(kù)存的其他材料代用。

3.1 法蘭修復(fù)

現(xiàn)場(chǎng)拆下法蘭后，采用車床切削去除法蘭頸腐蝕部位，直至見到金屬光澤并加工出25°坡口。為便于后續(xù)組對(duì)、焊接，保留3～5mm法蘭頸。

由于腐蝕嚴(yán)重且需保留部分法蘭頸，因此在車床切削后的坡口表面還留有部分深度約5mm的凹槽。凹槽最寬處約6mm，且凹槽兩側(cè)材質(zhì)為316L不銹鋼與20鋼，將凹槽兩側(cè)和兩端修磨出坡口形狀，用E309、φ2.5mm焊條進(jìn)行補(bǔ)焊。使修補(bǔ)完成的焊縫金屬比凹槽周邊金屬高出1～2mm，然后用不銹鋼專用砂輪片將高出部分磨平，對(duì)補(bǔ)焊處進(jìn)行PT檢測(cè)，I級(jí)合格[2]。

3.2 管材代用分析

車床切削法蘭頸后，法蘭整體長(zhǎng)度縮短約25mm，恢復(fù)安裝時(shí)需要增加管段。該公司庫(kù)存僅有φ530mm×12mm的20鋼管道材料，擬采用該管道材料代用，因此需進(jìn)行復(fù)核計(jì)算和可行性分析。

復(fù)核計(jì)算公式為[3]

式中ts——直管計(jì)算厚度（mm）；

P——設(shè)計(jì)壓力（MPa）；

D0——管子外徑（mm）；

[σ]t——設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力（MPa）；

Ej——焊接接頭系數(shù)；

Y——系數(shù)。

已知：P=2.3MPa、D0=530mm，查相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)得到20鋼在425℃時(shí)的相關(guān)性能系數(shù)：[σ]425＝78MPa，Ej=1，Y=0.4，則

該管道介質(zhì)拔頭油對(duì)碳素鋼的最大腐蝕速率為0.6mm/a（數(shù)據(jù)由該石化公司防腐蝕部門提供），且該石化公司定于2024年10月停工大修，故需要增加腐蝕裕量約1.65mm，因此管道代用材料使用厚度至少為：7.72mm+1.65mm=9.37mm＜12mm。

綜合以上計(jì)算結(jié)果和使用分析，采用20 鋼φ530mm×12mm管道材料代用，可以滿足設(shè)計(jì)和使用條件。

4 安裝焊接

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，增加φ530mm×12mm的20鋼管段長(zhǎng)度至少150mm，故需要焊接兩道焊縫，即修復(fù)后的法蘭與新增管段對(duì)接焊縫1，材質(zhì)為20鋼+316L不銹鋼；新增管段與原管道對(duì)接焊縫2，材質(zhì)為20鋼+1Cr5Mo鋼。焊縫1、焊縫2組對(duì)焊接如圖2所示。

圖2 焊縫1、焊縫2組對(duì)焊接

4.1 焊縫1的組對(duì)焊接

根據(jù)管道規(guī)格參數(shù)，增加的管段外徑與原法蘭頸外徑相同，但內(nèi)徑不同，壁厚差有8mm，導(dǎo)致焊縫組對(duì)時(shí)內(nèi)壁不平齊，但是法蘭直徑較大，焊縫背面可以施焊，因此在預(yù)制場(chǎng)采用雙面施焊，正面為對(duì)接接頭，背面為角接接頭，免除了厚壁法蘭的減薄處理。

采用φ3.2mm的E4315焊條打底、填充和蓋面，完成焊縫正面坡口焊接。背面焊縫用砂輪機(jī)清根打磨直至見到金屬光澤，然后用φ3.2mm的E309焊條進(jìn)行封底角焊，焊腳高度與法蘭背面平齊（見圖2）。

焊接完成后需進(jìn)行射線檢測(cè)，II級(jí)合格，底片質(zhì)量滿足AB級(jí)要求[2]。

4.2 焊縫2的組對(duì)焊接

（1）焊前準(zhǔn)備 新增管道φ530mm×12mm的20鋼與φ530mm×20mm原管道1Cr5Mo合金鋼組成異種鋼、壁厚差較大的對(duì)接接頭。兩種材料管道組對(duì)后外壁平齊，內(nèi)壁差為8mm（＜10mm），需要對(duì)合金鋼管道內(nèi)壁做減薄處理（見圖2）。

機(jī)械加工管道30°坡口，鈍邊為1～1.5mm，PT檢測(cè)1Cr5Mo合金鋼管道修磨好的坡口表面，I級(jí)合格[2]。

1Cr5Mo合金鋼管道焊接背面需充氬保護(hù)，在管道組對(duì)前需在管道內(nèi)壁貼好水溶紙。因?yàn)?Cr5Mo合金鋼管道焊接預(yù)熱溫度較高，所以水溶紙不得貼在預(yù)熱位置，以防被燒壞。

（2）焊縫組對(duì) 將20鋼管段與1Cr5Mo合金鋼管道組對(duì)，保證外壁平齊，錯(cuò)邊量≤1.2mm。采用兩組20鋼帶加減絲扣的定位夾具對(duì)稱焊接，在需要組對(duì)的兩管道表面，調(diào)整組對(duì)間隙為2～2.5mm，貼好封口膠布，安裝好充氬管嘴。

在焊縫組對(duì)過程中，發(fā)現(xiàn)原有1Cr5Mo合金鋼管道含有較強(qiáng)的磁性，無法進(jìn)行正常電弧焊接，因此必須進(jìn)行消磁處理。

將焊接電纜線纏繞到含有磁性的管道上，開啟直流焊機(jī)使其處于焊接狀態(tài)，這樣直流電通過纏繞在管道上的焊接電纜線。根據(jù)通電螺線管原理，通有直流電的纏繞電纜線產(chǎn)生反向磁場(chǎng)與原有管道磁性相抵消，利用焊接消磁輔助尺協(xié)助消磁，如圖3所示。

圖3 焊接電纜線現(xiàn)場(chǎng)消磁法

（3）焊接及熱處理工藝要求 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際及施焊單位的焊接工藝評(píng)定報(bào)告，選擇φ2.4mm TIG-J50焊絲和φ3.2mm E4315焊條，采用氬弧焊打底，焊條電弧焊填充蓋面方法。焊前采用陶瓷履帶加熱器對(duì)1Cr5Mo合金鋼管道坡口側(cè)100mm范圍內(nèi)進(jìn)行電加熱，預(yù)熱到250℃以上?？刂茖娱g溫度不低于300℃[4]。

為了保證焊接質(zhì)量、節(jié)約搶修時(shí)間，對(duì)焊接完成的焊縫先進(jìn)行后熱處理，即加熱到350℃，保溫1h緩冷后[5]，再進(jìn)行射線檢測(cè)，II級(jí)合格，并對(duì)焊接接頭進(jìn)行硬度預(yù)檢測(cè)。

焊縫射線檢測(cè)合格后立即對(duì)焊縫進(jìn)行熱處理。根據(jù)硬度預(yù)檢測(cè)值來制定熱處理工藝參數(shù)，同時(shí)熱處理工藝必須滿足異種鋼焊接熱處理工藝要求。熱處理后，需對(duì)焊接接頭進(jìn)行硬度檢測(cè)，要求1Cr5Mo合金鋼管道焊接接頭硬度≤241HBW為合格[6]。

由于1Cr5Mo合金鋼管道有延遲裂紋傾向，其焊縫無損檢測(cè)時(shí)機(jī)應(yīng)在焊縫焊接完成24h后進(jìn)行，故需要再對(duì)焊縫全面進(jìn)行無損檢測(cè)。為了避免射線檢測(cè)的輻射影響，滿足白天施工要求，提高搶修進(jìn)度，故采用超聲波檢測(cè)，結(jié)果I級(jí)合格[2]。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）由于20鋼不能用在輸送含腐蝕介質(zhì)的高溫拔頭油管道上，因此需重視運(yùn)送腐蝕介質(zhì)壓力管道的材料選擇。

2）由于石油化工裝置持續(xù)生產(chǎn)的需要，壓力管道泄漏搶修應(yīng)急采用的不符合設(shè)計(jì)要求的管道材料代用，因此需要計(jì)算復(fù)核及腐蝕狀態(tài)分析，在投入生產(chǎn)使用后要加強(qiáng)對(duì)搶修部位的監(jiān)控。

3）加強(qiáng)石油化工裝置安裝過程質(zhì)量管理，及時(shí)檢查安裝質(zhì)量與設(shè)計(jì)的符合性，保證其使用壽命。