石化在役管道焊縫開裂原因分析及修復工藝

李方杰

福建聯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熔合區開裂，導致高溫介質泄漏，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。因為生產任務重，所以需緊急停產搶修。該管道設計技術參數見表1。經光譜檢測發現，焊縫材質與1Cr5Mo鋼類似。該管道于1992年4月安裝完成后投入生產使用至今。

表1 管道設計技術參數

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，觀察管道和法蘭內表面，發現焊縫法蘭側附近內表面金屬基本減薄殆盡，焊縫管道側內表面、法蘭內側的316L堆焊層表面完好。但在該法蘭頸端內表面存在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的拔頭油中，也是焊縫法蘭側內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，經超聲波檢測，該部位金屬最小厚度僅為2mm，有些部位金屬減薄殆盡導致開裂。在法蘭頸內側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 法蘭頸部內壁空腔狀態

2.2 原因分析

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

由于20鋼基體的法蘭頸內表面存在約20mm寬無316L堆焊層，使20鋼直接裸露在高溫拔頭油介質中，經過30多年腐蝕介質浸蝕，導致法蘭背面20鋼部分嚴重腐蝕并局部貫穿。由于316L不銹鋼堆焊層、材質為1Cr5Mo合金鋼焊縫和管道的wCr＞4%，因此與腐蝕介質接觸面均完好無損。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。

分析該管道原設計及安裝過程資料，應是施工過程質量控制不到位，從而導致法蘭頸內表面存在約20mm寬無316L不銹鋼堆焊層的情況發生。

3 維修方法確定

通過上述觀察分析可知，法蘭頸部腐蝕嚴重，不符合法蘭標準尺寸要求，應該整體更換。根據原設計圖樣及安裝技術要求，以及上述腐蝕原因分析得知，需要更換的法蘭材質可以選用20鋼+316L不銹鋼（堆焊）或1Cr5Mo合金鋼。

由于發生管道焊縫開裂泄漏是不可預見的，該公司無備用類似材質和同規格法蘭，也無法及時采購到貨，因此為了保證修復進度，只能對原法蘭進行維修。

同時，因法蘭頸部腐蝕嚴重而導致長度變短，所以在恢復安裝時需要增加管段。在同材質和規格的管道材料無庫存的情況下，需要利用庫存的其他材料代用。

3.1 法蘭修復

現場拆下法蘭后，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。為便于后續組對、焊接，保留3～5mm法蘭頸。

由于腐蝕嚴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，且凹槽兩側材質為316L不銹鋼與20鋼，將凹槽兩側和兩端修磨出坡口形狀，用E309、φ2.5mm焊條進行補焊。使修補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，對補焊處進行PT檢測，I級合格[2]。

3.2 管材代用分析

車床切削法蘭頸后，法蘭整體長度縮短約25mm，恢復安裝時需要增加管段。該公司庫存僅有φ530mm×12mm的20鋼管道材料，擬采用該管道材料代用，因此需進行復核計算和可行性分析。

復核計算公式為[3]

式中ts——直管計算厚度（mm）；

P——設計壓力（MPa）；

D0——管子外徑（mm）；

[σ]t——設計溫度下材料許用應力（MPa）；

Ej——焊接接頭系數；

Y——系數。

已知：P=2.3MPa、D0=530mm，查相關材料標準得到20鋼在425℃時的相關性能系數：[σ]425＝78MPa，Ej=1，Y=0.4，則

該管道介質拔頭油對碳素鋼的最大腐蝕速率為0.6mm/a（數據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。

綜合以上計算結果和使用分析，采用20 鋼φ530mm×12mm管道材料代用，可以滿足設計和使用條件。

4 安裝焊接

根據相關標準要求，增加φ530mm×12mm的20鋼管段長度至少150mm，故需要焊接兩道焊縫，即修復后的法蘭與新增管段對接焊縫1，材質為20鋼+316L不銹鋼；新增管段與原管道對接焊縫2，材質為20鋼+1Cr5Mo鋼。焊縫1、焊縫2組對焊接如圖2所示。

圖2 焊縫1、焊縫2組對焊接

4.1 焊縫1的組對焊接

根據管道規格參數，增加的管段外徑與原法蘭頸外徑相同，但內徑不同，壁厚差有8mm，導致焊縫組對時內壁不平齊，但是法蘭直徑較大，焊縫背面可以施焊，因此在預制場采用雙面施焊，正面為對接接頭，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。背面焊縫用砂輪機清根打磨直至見到金屬光澤，然后用φ3.2mm的E309焊條進行封底角焊，焊腳高度與法蘭背面平齊（見圖2）。

焊接完成后需進行射線檢測，II級合格，底片質量滿足AB級要求[2]。

4.2 焊縫2的組對焊接

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

機械加工管道30°坡口，鈍邊為1～1.5mm，PT檢測1Cr5Mo合金鋼管道修磨好的坡口表面，I級合格[2]。

1Cr5Mo合金鋼管道焊接背面需充氬保護，在管道組對前需在管道內壁貼好水溶紙。因為1Cr5Mo合金鋼管道焊接預熱溫度較高，所以水溶紙不得貼在預熱位置，以防被燒壞。

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

在焊縫組對過程中，發現原有1Cr5Mo合金鋼管道含有較強的磁性，無法進行正常電弧焊接，因此必須進行消磁處理。

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

圖3 焊接電纜線現場消磁法

（3）焊接及熱處理工藝要求 根據現場實際及施焊單位的焊接工藝評定報告，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1Cr5Mo合金鋼管道坡口側100mm范圍內進行電加熱，預熱到250℃以上。控制層間溫度不低于300℃[4]。

為了保證焊接質量、節約搶修時間，對焊接完成的焊縫先進行后熱處理，即加熱到350℃，保溫1h緩冷后[5]，再進行射線檢測，II級合格，并對焊接接頭進行硬度預檢測。

焊縫射線檢測合格后立即對焊縫進行熱處理。根據硬度預檢測值來制定熱處理工藝參數，同時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，需對焊接接頭進行硬度檢測，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，其焊縫無損檢測時機應在焊縫焊接完成24h后進行，故需要再對焊縫全面進行無損檢測。為了避免射線檢測的輻射影響，滿足白天施工要求，提高搶修進度，故采用超聲波檢測，結果I級合格[2]。

5 結束語

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

2）由于石油化工裝置持續生產的需要，壓力管道泄漏搶修應急采用的不符合設計要求的管道材料代用，因此需要計算復核及腐蝕狀態分析，在投入生產使用后要加強對搶修部位的監控。

3）加強石油化工裝置安裝過程質量管理，及時檢查安裝質量與設計的符合性，保證其使用壽命。