大口徑火炬氣管道在役焊接工藝安全性分析

曾金令

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司,上海 200540)

在役焊接是管道在運(yùn)行狀態(tài)下的焊接,可使管道連續(xù)運(yùn)行、無(wú)污染,因此具有廣闊的應(yīng)用前景。但在役焊接存在焊接過(guò)程可能發(fā)生管道燒穿、焊縫容易產(chǎn)生氫致開(kāi)裂等問(wèn)題,上述問(wèn)題一旦發(fā)生就會(huì)引起管道內(nèi)可燃介質(zhì)的燃燒和爆炸,造成重大的安全環(huán)保事故[1-2]。因此,分析在役焊接工藝是否滿足安全性要求具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。文章從研究管道燒穿和焊縫氫致開(kāi)裂出發(fā),分析了在某大口徑火炬氣管道上焊接斜(45°)短接頭和補(bǔ)強(qiáng)板所用的在役焊接工藝的安全性。

1 在役焊接條件

為滿足火炬氣管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行需要,中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海石化)在某大口徑火炬氣管道上成功地在役焊接了斜向下45°、開(kāi)孔率為42%的支管短接頭和補(bǔ)強(qiáng)板,并順利完成了在役開(kāi)孔改造任務(wù)(見(jiàn)圖1)。

圖1 某大口徑火炬氣管道在役焊接及開(kāi)斜(45°)孔改造示意

該大口徑火炬氣管道為16MnR的螺旋焊縫管線鋼,短接頭和補(bǔ)強(qiáng)板均為Q345R的無(wú)縫管線鋼,其規(guī)格、實(shí)測(cè)壁厚、設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1 火炬氣管道、短接頭及補(bǔ)強(qiáng)板的材質(zhì)、規(guī)格、實(shí)測(cè)壁厚及運(yùn)行參數(shù)

16MnR和Q345R均為低合金高強(qiáng)度鋼,屬鍋爐壓力容器專用鋼,抗拉強(qiáng)度分別為510～640 MPa和470～640 MPa,屈服強(qiáng)度不小于345 MPa,伸長(zhǎng)率不小于21%,力學(xué)性能優(yōu)良。16MnR和Q345R所含主要化學(xué)成分如表2所示。

表2 16MnR和Q345R的主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表3 不停輸大口徑管道內(nèi)火炬氣的主要化學(xué)成分的體積分?jǐn)?shù) %

2 在役焊接工藝

在管件規(guī)格與材質(zhì)、連接結(jié)構(gòu)、輸送介質(zhì)確定的情況下,綜合考慮焊條類型和焊接方法、電壓、速度、電流及線能量等參數(shù)對(duì)焊接缺陷、穩(wěn)定性、燒穿及焊縫質(zhì)量等的影響[6-10],制定了在該大口徑火炬氣管道上焊接短接頭與補(bǔ)強(qiáng)板的手工電弧焊在役焊接工序,具體如圖2所示。

圖2 短接頭與補(bǔ)強(qiáng)板的在役焊接工序

由圖2可知：直接在火炬氣管道上施焊的工序分別為焊接工序1、2、4、a及b。短接頭和補(bǔ)強(qiáng)板的在役焊接工藝參數(shù)如表4所示。由表4可知：焊接工序1、2及4施焊時(shí)線能量的均值分別為2.38 kJ/mm和2.36 kJ/mm,兩者相當(dāng)且為短接頭在役焊接工序中的最大值;焊接工序c施焊時(shí)線能量的均值為3.31 kJ/mm,為補(bǔ)強(qiáng)板在役焊接工序中的最大值。

表4 短接頭和補(bǔ)強(qiáng)板的在役焊接工藝參數(shù)

從直接施焊和最大熱輸入考慮,直接在火炬氣管道上施焊的焊接工序1、2、4、a及b和線能量較大的焊接工序1、2、4及c施焊時(shí)不停輸火炬氣管道存在發(fā)生直接燒穿或失穩(wěn)燒穿的可能性。通過(guò)分析上述在役焊接工藝的穿透深度和可焊壓力來(lái)評(píng)價(jià)不停輸火炬氣管道發(fā)生直接燒穿或失穩(wěn)燒穿的風(fēng)險(xiǎn)水平。

3 在役焊接工藝分析

在役焊接主要存在兩大問(wèn)題：一是焊接過(guò)程可能發(fā)生管道燒穿;二是焊縫易產(chǎn)生氫致開(kāi)裂。上述問(wèn)題一旦發(fā)生就會(huì)引起管內(nèi)可燃介質(zhì)的燃燒爆炸,造成重大的安全環(huán)保事故。因此,分析在役焊接工藝是否滿足安全性要求具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在此從研究管道燒穿和焊縫氫致開(kāi)裂出發(fā),分析在該大口徑火炬氣管道上焊接斜短接頭和補(bǔ)強(qiáng)板所用的在役焊接工藝的安全性。

3.1 管道燒穿分析

參考在役焊接穿透深度、內(nèi)壁最高溫度的計(jì)算方法[1,11],綜合考慮縱向焊縫因子、管道設(shè)計(jì)安全因子、管道壁厚、線能量及在役焊接時(shí)管道內(nèi)壁最高溫度等因素對(duì)可焊壓力的影響,采用ASME B 31.8—2012標(biāo)準(zhǔn)中氣體傳輸和配油管道在役焊接可焊壓力的計(jì)算方法[1-2,11],可得到短接頭在役焊接工序1、2及4和補(bǔ)強(qiáng)板焊接工序a、b及c施焊時(shí)不停輸火炬氣管道上產(chǎn)生的穿透深度、未穿透管壁厚度、內(nèi)壁最高溫度及可焊壓力(見(jiàn)表5)。

表5 關(guān)鍵工序在役焊接相關(guān)安全性評(píng)價(jià)值

焊接時(shí)穿透深度為焊接熔池深度。由表5可知：補(bǔ)強(qiáng)板焊接工序c施焊時(shí)產(chǎn)生了最大的穿透深度5.25 mm和最大的內(nèi)壁最高溫度510 ℃。從焊縫c的位置和補(bǔ)強(qiáng)板厚度(16 mm)來(lái)看,焊接工序c施焊時(shí)產(chǎn)生的5.25 mm穿透和510 ℃內(nèi)壁最高溫度發(fā)生在補(bǔ)強(qiáng)板、焊縫a和b內(nèi),未穿透至不停輸火炬氣管道內(nèi)。因此,焊接工序c施焊時(shí)不停輸火炬氣管道不存在在役焊接安全風(fēng)險(xiǎn)。

由表5還可知：短接頭焊接工序2、4和補(bǔ)強(qiáng)板焊接工序b施焊時(shí)不停輸火炬氣管道上產(chǎn)生了最大的穿透深度4.55 mm和最大的內(nèi)壁最高溫度480 ℃,管道最小的未穿透管壁厚度為6.45 mm,允許的最小可焊壓力為1.37 MPa。在短接頭與補(bǔ)強(qiáng)板整個(gè)在役焊接工序施焊過(guò)程中,不停輸火炬氣管道的未穿透管壁厚度維持在6.45～11.00 mm,管道不會(huì)發(fā)生直接燒穿;管道運(yùn)行壓力為0.07 MPa,小于允許的最小可焊接壓力1.37 MPa,管道不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)燒穿現(xiàn)象。

3.2 焊縫氫致開(kāi)裂分析

因在短接頭與補(bǔ)強(qiáng)板在役焊接工序施焊過(guò)程中,不停輸火炬氣管道的未穿透管壁厚度維持在6.45～11.00 mm,且管道不會(huì)發(fā)生直接燒穿和失穩(wěn)燒穿,可判斷不停輸管道內(nèi)火炬氣中高含量的氫不會(huì)通過(guò)未穿透管壁層擴(kuò)散至焊縫從而使其氫致開(kāi)裂。

采用型號(hào)為DL-VB(17032)的射線檢測(cè)儀,執(zhí)行NB/T 47013.2—2015檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)采用上述焊接工序施焊成型的6道焊縫做了100%的射線檢測(cè)。射線檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有焊縫質(zhì)量均滿足Ⅱ級(jí)合格要求。綜上所述,該火炬氣管道在役焊接工藝滿足在役焊接安全性要求。

4 結(jié)語(yǔ)

文章從研究管道燒穿和焊縫氫致開(kāi)裂出發(fā),分析了在某大口徑火炬氣管道上焊接斜(45°)短接頭和補(bǔ)強(qiáng)板所用的在役焊接工藝的安全性。在役焊接過(guò)程中,不停輸火炬氣管道的未穿透管壁厚度維持在6.45～11.00 mm,管道不會(huì)發(fā)生直接燒穿;管道運(yùn)行壓力為0.07 MPa,小于允許的最小可焊壓力1.37 MPa,管道不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)燒穿;管道內(nèi)高含量的氫不會(huì)通過(guò)未穿透管壁層擴(kuò)散至焊縫致使其氫致開(kāi)裂,該火炬氣管道在役焊接工藝滿足安全性要求。