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带压输油管线套管焊接修补时易出现的缺陷及预防措施

2018-1-23 13:58:46      点击:
带压输油管线在为保障焊接时不烧穿管线,每次作业前利用试验台对带压焊接做了试验,得出了带压焊接的参数,可在实际焊接中作为标准参考。
但是在焊接过程中还是会易出现了焊缝氢致裂纹问题,针对这一问题,我们进行深入研究,并找出裂纹产生的原因并制定防止措施,顺利完成了管线带压维修任务。
1、如何防止带压管线的焊接烧穿:
烧穿就是焊接电弧灼伤管壁造成破裂。在带压管道上施焊时,如焊接熔池下方的金属不能承受熔池重量或内压应力时,就会出现烧穿泄漏现象。
1.1影响焊接烧穿的因素:如图1所示
管线的壁厚、焊接参数的大小、运行管线的压力、焊接材料的类型、管线内介质的种类及流动条件决定了焊接是否会被烧穿。

图1 运行管线焊接时影响烧穿因素之间关系
1.2烧穿试验
为了确保焊接时运行管线不被烧穿,进行带压焊接试验(图2)。压力从1MPa开始,采用Φ3.2mm碱性焊条,在正常焊接工艺规范条件下(焊接电流100A),直至压力达到3MPa时,没有发生烧穿现象。
襄阳处管线设计压力4.2MPa,一般出站运行压力在2MPa。通过上述实验可得出,烧穿现象只有在管壁较薄时才会发生,正常情况下当管壁厚度大于6.4mm时,只要焊接参数合适,发生烧穿的可能性较小。

图2 试验装置简易图 Ф426㎜×7㎜×4000㎜
1.3防止烧穿的措施
虽然经过试验验证带压焊接时可以不考虑烧穿的问题,但试验与实际还存在差别。为了防止发生焊接烧穿,必须做好以下防范措施:
(1)输油管线部分腐蚀严重,在其附近找出没有受腐蚀的管段,打磨干净,以备与套管之间进行焊接。用超声波测厚仪测出焊接部位管线的实际厚度,确认焊接部位,根据实际情况选择焊接参数。
(2)如果管线运行压力较高,待修部位又腐蚀严重,不具备直接的焊接条件,可以降压运行(维修焊接时管线压力不超过1MPa),确保焊接不被烧穿。
(3)根据管线腐蚀或受损面积,测量好需要加固套管的长短,避开腐蚀受损管段,增加焊缝位置的管线壁厚,减少焊接烧穿的可能性。
(4)选择合适的焊接材料和焊接参数,如酸性焊条容易烧穿,而碱性焊条不容易烧穿。
2、氢致裂纹
埋地管线Φ426mm×7mm,材质Q345,因为腐蚀严重,需对管线加套管焊接。管线运行压力为2.0MPa,温度50℃。施工时管线应分段开挖,一是为了保温,二是减少悬空管线的长度,一般不得超过10m。
套管与主管线焊接主要是两侧的环向角焊缝、横向直焊缝两种。焊接时为了保证安全,采取降压运行,管内压力降至1.0MPa,横向直焊缝使用J507焊条,环向焊缝使用E6010焊条向下焊。
采用向下焊可以提高焊接速度,缩短管线低压运行时间。但焊接后检查发现,环向焊缝根焊处出现裂纹,横向焊缝的点口处也有撕裂现象。裂纹对管线的表面损伤很小,基本出现在母材与焊缝的交界处。
2.1外观观察判断
裂纹是在焊接过程中出现的,裂纹呈纵向分布位于焊缝上,起源于母材与焊缝的交界处,裂纹走向与焊道平行,由焊趾表面贯穿至焊缝深处,裂口处有金属光泽,微观上为穿晶形态。这些都符合氢致裂纹的特征,可以确定为氢致延迟裂纹。
2.2氢致裂纹产生原因
(1) 焊接接头的硬化及淬硬倾向的影响
在运行的输油管线上焊接时,由于管内的原油流动带走了大量热量,使焊接区的温度下降很快,层间温度差较大,促使了焊接接头硬化。
焊接接头的淬硬倾向主要与钢的化学成分、焊接工艺、结构板厚及冷却条件有关,钢的淬硬倾向越大越易产生冷裂纹。主管线的材料是Q345钢,其化学成份见表1,套管材料是L360钢,其化学成份见表2。
表1 Q345管线材料化学成分
表2 L360管线材料化学成分
根据其各合金元素含量,依根据IIW推荐使用的碳当量公式:
Ce=W(C)+W(Mn)/6+[W(Cr)+W(Mo)+W(V)]/5+[W(Ni)+W(Cu)]/15,计算出Q345材质的碳当量Ce=0.342%~0.497%。
L360材质的碳当量Ce=0.437%(当板厚小于20 mm,Ce<0.40%时,钢材淬硬倾向不大,焊接性良好,不需预热)。通过对上述两种钢材的对比分析和碳当量计算,可见这两种材料焊接时有少许淬硬倾向,须采取适当预热措施,淬硬倾向才会得到有效改善。
防止措施:
为了防止降温速度过快,减少淬硬组织,在焊接前用液化气烤枪按规定对焊接部位预热,焊后用石棉被进行缓冷。选择套管材质要与待修管线材质相匹配。
采用低氢型焊条,并按要求进行烘干保温。在作业中为了提高焊接速度,选用了E6010型纤维素焊条,焊接实践证明该选择是错误的,因为该焊条在电弧中会产生大量的氢原子,为了达到低氢的规定不应采用该焊条。而应全部采用J507焊条,既减少了氢致裂纹也有利于防止烧穿。
(2)扩散氢的影响
焊接接头扩散氢含量越高,裂纹的敏感性越大。所有的熔化焊工艺都会在不同程度上将氢引入焊缝,氢的来源主要是潮湿的药皮、空气、焊道表面的油污、铁锈或其他有机物。焊接前对输油管线上的防腐层清理是否彻底也是产生裂纹的主要原因之一。
防止措施:
焊接前必须用电动钢丝刷认真清理输油管线的焊接部位,一般焊缝位置两侧50~60mm也要清理,以防焊接时过热使周围的油漆或油污熔化流进焊缝位置,影响焊缝质量。
对套管的坡口内外两侧20~30mm清理,除去锈迹、污物。焊口组对好后,再用液化气烤枪对焊口进行加热,除去其水分。
(3)焊接应力的影响
较大应力的存在也是裂纹产生的原因之一。
应力的来源:
一是外部应力,包括刚性约束条件、焊接结构的自重、工作荷载等引起的应力。由于套管组对用链钳进行固定、紧压,套管两端位置在气割割开时存有变形,所以组对时外力作用比较大,导致焊口有较高的拘束应力。
二是焊接时所产生的应力,与焊工的分布、焊接速度的快慢、焊缝的冷却快慢都有直接关系。
防止措施:
控制套管的变形量,组对时要注意间隙不能过大。所用套管和输油管线都是螺旋焊接管材,应错开两个螺旋焊缝,既减小了焊接间隙,又有利于减小焊接接头的应力集中。
在焊接环向焊缝时,可以将输油管线的螺旋焊缝打磨修理平整,以便组对。要避开管道底部的螺旋焊缝,此处间隙过大,不方便焊接操作且应力较集中。组对较长的套管时,考虑到管线自重较大,需要多打几处链钳固定套管,先从横向焊缝的中间对称向两侧进行点焊,点焊长度不宜过短,防止焊缝受力导致开裂。
最后进行环向焊缝的组对。整体焊接时,焊工要分布均匀,同步焊接,有利于减小应力集中,避免产生裂纹。
3、电弧擦伤
由于焊工操作不当、不慎使焊条与坡口外管线接触,或地线与工件接触不良,引起电弧,会在管线表面留下伤痕。电弧擦伤在输油管线上焊接时不会引起注意,但是它的危害很大。
由于电弧擦伤处冷却速度快,硬度很高,会产生淬硬组织,同时电弧擦伤的不规则形状还将引起应力集中,可能导致脆性破坏产生裂纹。因此电弧擦伤严重的影响输油管线的运行安全。
防止措施:
首先焊接回路的地线一定要牢靠,且应该连接在焊口附近,严禁利用管线做为传导电流的地线使用。针对管线焊接的特点,制作了接地线的卡环,可以牢牢的卡在管壁上,能够使地线钳很灵活的装拆。
其次是焊接时一定要在焊道坡口内引弧,严禁在管线上引弧。一旦管线上出现擦伤,必须用角磨机清理干净后再对擦伤处进行补焊处理。
4、焊缝完成后注意事项
整体补强后的套管,在横向焊缝处每间隔300mm,焊接一个15mm×6mm的加强拉筋,防止主管线泄露后,横向焊缝过长导致不能承受管线压力。焊接完成后利用着色探伤,检查焊缝的质量。
输油管线套管修理焊接时,还会产生其他的焊接缺陷,如气孔、夹渣、咬边、焊瘤等,虽然这些缺陷在一定程度上是允许存在的,但在焊接时也要尽量避免,把结构做到最安全。
5、结束语
管线不停输焊接工艺在石化系统中应用的地方很多,输油、输气管线的维修、补强及工程改建、扩建中都离不开,针对上述对输油管线套管焊接维修时产生氢致裂纹、电弧擦伤缺陷,按以上工艺措施认真做了修复,取得了很好的效果,使后期焊缝都一次性焊接成功。
文章来源:现代焊接