高腐蝕性油田N08825復(fù)合管現(xiàn)場施工應(yīng)用

楊昕

（四川石油天然氣建設(shè)工程有限公司，四川 成都 610213）

0 引言

我公司承建的中東某油田復(fù)產(chǎn)項(xiàng)目，包括對(duì)一座原油處理廠、一座集油站及配套井場設(shè)施和集輸管線進(jìn)行維修工作。由于原油中含有復(fù)雜的腐蝕介質(zhì)：閃蒸氣中H2S含量為15.38%，CO2為2.51%，生產(chǎn)分離器分離油中H2S含量為2.1%，CO2為0.34%，生產(chǎn)分離器分離水中Cl-含量為142g/L。為保證復(fù)產(chǎn)項(xiàng)目運(yùn)行安全，降低運(yùn)行成本，新更換管道采用N 08825鎳基合金純材、N08825鎳基合金復(fù)合管、S31803雙相不銹鋼等，屬于新材料、新工藝、新技術(shù)；施工技術(shù)要求高，施工難度大。其中N08825鎳基合金復(fù)合管組焊施工難度最大。

1 材料選擇

在國內(nèi)同類油田工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于含H2S-CO2-Cl-等復(fù)雜腐蝕介質(zhì)油田集輸及處理廠建設(shè)項(xiàng)目均采用碳鋼+緩蝕劑方案來解決管道內(nèi)腐蝕問題，但該方案具備一定的局限性：碳鋼適應(yīng)性強(qiáng)，一次性投入低，但后期現(xiàn)場的管道防腐蝕管理非常重要；需要長期加注緩蝕劑、投入人力資源較多，導(dǎo)致后期運(yùn)行費(fèi)用高；管道系統(tǒng)運(yùn)行期間，緩蝕劑加注量、加注方式等需根據(jù)管道的腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)、腐蝕介質(zhì)情況的改變進(jìn)行調(diào)整，出現(xiàn)事故概率較大。本項(xiàng)目部分原油管線在運(yùn)行不到半年就出現(xiàn)腐蝕穿孔，如圖1所示[1]。

圖1 H6井輸油管線腐蝕穿孔形貌（管道下半圓周）

為提高工程可靠性和全壽命周期經(jīng)濟(jì)性，國外基本采用N08825及以上的耐蝕合金作為防腐蝕首選材料，但由于鎳基合金價(jià)格昂貴，大量耐蝕鎳基合金鋼管的使用，導(dǎo)致工程成本的大幅提高。為保證工程安全性，同時(shí)減少管道全壽命周期內(nèi)維護(hù)費(fèi)用，本項(xiàng)目主要管道材質(zhì)選擇如下：DN200-DN400的原油管線全部采用X52NS+N08825合金復(fù)合管，壁厚為（9.27+3）mm，其中基層提供強(qiáng)度保證，復(fù)層保證管道耐蝕性能[2]。

2 焊接工藝開發(fā)

復(fù)合管的基層碳鋼X52NS焊接性良好，可用于一般含硫介質(zhì)輸送，同時(shí)滿足管道強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能要求；N08825鎳基合金在酸性和堿性介質(zhì)環(huán)境下都具備優(yōu)異的抗腐蝕性能，但其為單相奧氏體合金，導(dǎo)熱性差，線膨脹系數(shù)較大，熔池流動(dòng)性差，在焊接時(shí)容易出現(xiàn)氣孔、焊接熱裂紋、未熔合、焊接變形、咬邊等缺陷。同時(shí)，在焊接高溫環(huán)境下，鎳基合金易發(fā)生晶間貧鉻現(xiàn)象，導(dǎo)致晶間腐蝕發(fā)生[3]。

綜上，N08825鎳基合金復(fù)合管焊接應(yīng)采用小線能量、低熱輸入焊接方法，焊接時(shí)嚴(yán)格控制層、道間溫度，焊前徹底清除坡口及兩側(cè)母材油污、雜質(zhì)，嚴(yán)格控制焊材中硫、磷等有害元素的含量等。

2.1 坡口

（1）坡口設(shè)計(jì)。為保證焊縫金屬具備良好的抗腐蝕性能，除選擇Ni、Cr、Mo、Nb等抗腐蝕合金元素含量較高的焊材外，還需要在焊接時(shí)防止基層碳鋼中的Fe、C等元素滲入復(fù)層焊縫中，降低內(nèi)表面以上3mm焊縫金屬抗腐蝕性能，因此必須優(yōu)化坡口設(shè)計(jì)方案。常用的管道環(huán)縫焊接坡口基本采用單V型坡口（坡口角度為60～70°，如圖2.a所示），為保證復(fù)合管環(huán)焊縫金屬具備優(yōu)異的抗腐蝕性能，選擇了U型坡口，如圖2.b所示。相比V型坡口，U型坡口存在如下優(yōu)點(diǎn)：將基層碳鋼和復(fù)層N08825合金分開；焊接時(shí)根焊和熱焊層僅焊接3mm耐蝕合金層，有效避免熔化的基層碳鋼滲入耐蝕層焊縫金屬中，確保焊縫金屬純度和抗腐蝕性能。

圖2 坡口設(shè)計(jì)

（2）坡口加工?？紤]到等離子下料時(shí)只能從外側(cè)碳鋼層向內(nèi)切割，同時(shí)等離子切割時(shí)飛濺大，會(huì)損傷和污染復(fù)層耐蝕合金，因此N08825鎳基合金復(fù)合管的下料和坡口加工均采用機(jī)械冷加工。組對(duì)前，必須對(duì)坡口和坡口兩側(cè)至少50mm 范圍內(nèi)進(jìn)行清理，可用丙酮擦洗坡口及其附近區(qū)域，確保坡口面清潔度達(dá)到質(zhì)量要求[4]。

（3）坡口面檢查。為保證環(huán)焊縫焊接質(zhì)量，在坡口加工完成后，需對(duì)坡口面進(jìn)行外觀質(zhì)量檢查，如有必要可采用滲透探傷（PT）進(jìn)行確認(rèn)，確保坡口面無分層、裂紋、夾渣等缺陷。

2.2 焊材選擇

為彌補(bǔ)因?yàn)楹附舆^程中合金元素的燒損，保證焊縫金屬具備優(yōu)異的抗腐蝕性能；同時(shí)由于N08825對(duì)焊接熱裂紋極其敏感，應(yīng)選用低S、P的焊接材料，綜上，N08825鎳基合金復(fù)合管管焊接選用合金元素含量更高的鎳基焊材（ERNiCr Mo-3/ENiCr Mo-3）。本項(xiàng)目使用的焊材化學(xué)成分見表1，其具備良好的抗熱裂紋性能，同時(shí)可獲得較好的焊接工藝性能。

表1 焊材化學(xué)成分

2.3 焊接方法及工藝參數(shù)

由于復(fù)層N 08825鎳基合金的導(dǎo)熱系數(shù)小，熱膨脹系數(shù)大，因此必須采用小線能量、快速焊，既減小熱裂紋傾向又防止變形。為保證耐蝕層金屬抗腐蝕性能，同時(shí)保證焊接效率，選擇了氬電聯(lián)焊工藝（GTAW+SMAW），其中氬弧焊必須焊接三層，即根焊、熱焊、填充第1層。針對(duì)氬弧焊，試驗(yàn)初期選擇了普通高頻氬弧焊、脈沖氬弧焊試驗(yàn)，通過對(duì)不同焊接電流的試件進(jìn)行性能分析，最終選擇脈沖氬弧焊進(jìn)行根焊、熱焊、填充第1層，焊條電弧焊填充蓋面，焊接工藝參數(shù)見表2，焊接順序見圖3[5]。

表2 焊接工藝參數(shù)

圖3 焊接順序

為保證復(fù)層焊縫金屬具備優(yōu)異抗腐蝕性能，焊接時(shí)，嚴(yán)格控制每層厚度，特別是根焊和熱焊焊道厚度，即根焊焊道厚度在1.5-1.8mm，熱焊完成后焊縫厚度小于3mm，確?；鶎犹间摬槐蝗刍瑴p少碳鋼中C、Fe、P、S滲入根焊焊縫金屬中。

2.4 焊接工藝評(píng)定

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件及ASME IX相關(guān)條款要求，結(jié)合現(xiàn)場管道材質(zhì)種類及對(duì)接方式，進(jìn)行了熱軋復(fù)合管（X52NS+N08825）、熱軋復(fù)合管與堆焊復(fù)合管（X52NS+ERNiCr Mo-3）、熱軋復(fù)合管與N08825純材管道對(duì)接工藝，具體如下：

表3 焊接工藝試驗(yàn)

圖4 點(diǎn)蝕試樣圖片

綜上，通過一些列評(píng)價(jià)試驗(yàn)驗(yàn)證，評(píng)定試件性能滿足設(shè)計(jì)文件和項(xiàng)目所在國標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

現(xiàn)場組焊采用以車間預(yù)制為主、現(xiàn)場焊接為輔，大量依靠維修車間行車配合組對(duì)，在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)提高焊接效率。焊接效率主要取決于根焊+熱焊+填充1完成后的射線探傷結(jié)果，如上午完成的6～8mm根焊部分，中午射線探傷，下午上班時(shí)間得到RT結(jié)果，下午則可以完成填充蓋面；下午完成的6～8mm根焊，晚上射線探傷，次日早上拿到RT結(jié)果，則上午可以完成填充蓋面焊[6]。

4 結(jié)語

針對(duì)首次推廣應(yīng)用的N08825鎳基合金復(fù)合管，結(jié)合復(fù)合管特征及焊接施工特點(diǎn)，在前期大量實(shí)驗(yàn)和查閱文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，研發(fā)了適合本項(xiàng)目施工的焊接工藝，制定了一系列工藝措施和工裝，確?，F(xiàn)場施工質(zhì)量和效率。結(jié)合前期準(zhǔn)備工作及現(xiàn)場施工情況，針對(duì)后續(xù)項(xiàng)目作如下建議：

（1）用于抗腐蝕的復(fù)層N 08825合金僅有2.5～3.5mm厚，因此施工過程中必須嚴(yán)格控制組對(duì)質(zhì)量，復(fù)層錯(cuò)邊量必須控制在0.5mm以內(nèi)，要求復(fù)合管、管件的橢圓度、壁厚偏差等指標(biāo)必須滿足現(xiàn)場管道組對(duì)質(zhì)量要求；

（2）復(fù)合管、管件、法蘭本體質(zhì)量，特別是靠近坡口面50mm寬范圍內(nèi)的質(zhì)量控制，要求進(jìn)行射線探傷或者超聲波探傷，做到零缺陷；

（3）焊接材料選擇除滿足設(shè)計(jì)文件對(duì)焊縫金屬力學(xué)性能和抗腐蝕性能要求外，還應(yīng)重視焊材的焊接操作性能及成型性能，其不僅影響焊接質(zhì)量，還影響焊接效率。

（4）專業(yè)的施工器具是提高焊接質(zhì)量、焊接效率的重要保障，包括管材下料、坡口加工、開孔、對(duì)口器以及內(nèi)充氬裝置等，要求所有機(jī)具規(guī)格齊全、結(jié)實(shí)耐用、操作簡單、維修方便。

（5）焊工的技能水平和責(zé)任心是提高焊接質(zhì)量關(guān)鍵因素之一，因此焊前對(duì)焊工的技能培訓(xùn)、素質(zhì)考核等工作就顯得尤為重要。