碳鋼內襯625合金復合管設計技術研究

張瑞峰，王戰勇，方新，劉吉飛，邵艷紅

碳鋼內襯625合金復合管設計技術研究

張瑞峰，王戰勇，方新，劉吉飛，邵艷紅

（海洋石油工程股份有限公司設計公司，天津 300450）

對于高含硫化氫(H2S)等腐蝕性介質的石油天然氣管道，傳統的防腐措施難以滿足日益發展的工程需要，通過對碳鋼內襯英科耐爾(Inconel)625合金復合管設計技術研究，基于625材料良好的抗硫化氫性能，可以有效提高625合金復合管質量，使鎳基合金雙金屬復合管以更加優異的力學性能和耐蝕性能而得以在高含硫化氫(H2S)等腐蝕性介質的石油天然氣管道中更加廣泛的應用。

合金復合管；耐蝕性能；高含硫化氫管道

對于高含硫化氫(H2S)等腐蝕性介質的石油天然氣管道，傳統的防腐措施難以滿足日益發展的工程需要，基于英科耐爾(Inconel)625材料良好的抗硫化氫性能，內部堆焊英科耐爾625的 鎳基合金雙金屬復合管以其優異的力學性能和耐蝕性能而得以在高含硫化氫(H2S)等腐蝕性介質的石油天然氣管道中開始廣泛應用，并展現了良好的應用前景。

1 研究背景

由于目前石油天然氣資源的減少，開發難度的增大，含有大量硫化氫介質的石油天然氣油田提上開發日程。此類油氣田中油氣處理管線易腐蝕，危險性極高，一旦發生系統故障或者泄露，可導致資產損失、環境污染、停產維修，甚至生命安全問題。所以本項目采用純材625管線和碳鋼內堆焊625材料管線以降低故障和泄露風險。一般情況下， 4英寸（10.16 cm）及以下管道采用了純材英科耐爾625材質；6英寸（15.24 cm）及以上的主工藝管道和海管均采用了碳鋼內堆焊英科耐爾625的材質。

卡塔爾NFA項目的業主是卡塔爾國家石油公司（以下簡稱QP），QP有著完備的質量管理體系和技術體系，而且要求極為嚴格。該項目要求符合卡塔爾國家法律法規、項目的技術文件要求、QP公司的技術標準和SHELL技術標準、ISO和ASME/API等國際規范。卡塔爾NFA項目WHP3平臺油井壓力較高（管道設計壓力高達34.5兆帕，管道等級達到2500磅），所以碳鋼內襯英科耐爾625的管道的設計壁厚較大，超過了常規的ASME系列管道壁厚，需要采用非ASME標準壁厚。管道最大尺寸是20英寸（50.8 cm），20英寸（50.8 cm）管道壁厚達到79.8 mm，管道直徑和壁厚遠超其他項目同類管道的使用尺寸。為保障項目順利開展，必須針對英科耐爾625內襯的技術要求開展專門研究。

2 技術研究簡介

碳鋼內襯625合金復合管設計技術研究主要依據SHELL標準中關于碳鋼內襯625的相關技術要求。內襯英科耐爾625管道、管件和法蘭等主要采取在碳鋼內部堆焊英科耐爾625（Weld Overlay）材料這種方式實現。首先針對碳鋼管道、管件、法蘭、堆焊材料的基材及制造誤差進行研究及確定，用于堆焊的管道基材主要采用API 5L Gr X65/ASTM A333-6兩種，管件基材材質主要采用ASTM A420-WPL6，法蘭基材材質主要采用ASTM A350-LF2 Cl 1；其次針對堆焊層厚度、層數及誤差進行研究及確定，堆焊層的厚度要求是最小3 mm，厚度誤差為0~2 mm，堆焊層厚度是2層；再次針對焊接工藝及參照標準進行研究及確定，堆焊方法是全自動堆焊，不允許手工焊接，焊接方法遵循相關焊接標準，基材和堆焊材料都要滿足NACE MR-0175/ISO 15156的要求。最后針對焊后處理及檢驗標準經行研究及確定，為最終滿足使用要求，焊后要進行熱處理，熱處理過后要進行機械性能測試、化學成分分析、堆焊層和基材抗張測試、導向彎曲測試、微觀結構檢驗、硬度測試（堆焊后硬度不超過345HV）、沖擊測試、腐蝕測試、水壓試驗、各種無損檢驗等。

3 技術原理

一般實現碳鋼內襯的方法有兩種：一是復合管道（機械復合或冶金復合）；另一種就是碳鋼內部堆焊。本技術主要研究碳鋼內部堆焊（weld overlay）的方式，主要依據QP和SHELL的相關技術規范，另外也參考了ASME/API/ASTM等關于CRA堆焊的相關標準。

堆焊的基材按照管道管件法蘭的材質不同而不同，本項目管道基材主要有API 5L Gr X65 / ASTM A333-6兩種，管件基材主要有ASTM A420-WPL6，法蘭基材材質主要有ASTM A350-LF2 Cl 1，用于內襯的英科耐爾625主要選擇ALLOY 625焊材。

焊口兩端尺寸偏差較大，焊口處管道易錯皮，影響內襯英科耐爾625管道內部堆焊層的連續性，管道內部流體容易直接接觸管道基材，造成管道腐蝕，因此，管道、管件、法蘭等基材的尺寸偏差控制在（0~±3）mm之間。

堆焊的INCONEL 625要求碳質量分數不超過0.1%，PREN（點蝕當量）值不低于46。

堆焊層的厚度根據SHELL DEP的要求是最小3 mm，厚度誤差為0 mm~＋2 mm，堆焊層厚度范圍是3~5 mm，堆焊層厚度最少是2層。

堆焊方法是100%全自動堆焊，不允許手工焊接，焊接方法遵循API RP582[1]及相關標準。

基材和堆焊材料都需要滿足NACE MR-0175/ ISO 15156[2]的要求。堆焊前后對基材和堆焊材料都需要進行PMI分析，分析標準依據SHELL DEP 31.10.00.10-Gen[3]。

堆焊后要進行熱處理(PWHT)，在（950+50）℃溫度條件下進行正火，然后空氣冷卻后淬火。然后再在620~650 ℃條件下回火，然后空氣冷卻，詳細的控制條件應當經過焊接技術評定確定。

熱處理過后要進機械性能測試，主要包括屈服和抗張強度測試、焊縫拉伸性能測試、導向彎曲試驗、微觀結構檢驗、硬度測試等，測試結果應符合相應的SHELL以及相關國際標準。其中對硬度要求是：硬度只能使用維氏硬度HV10方法測量，基材硬度不超過248 HV10，堆焊層硬度不超過345 HV10。

此后進行剪切測試、延展測試、沖擊試驗、晶間腐蝕試驗、點蝕試驗、硫化氫應力腐蝕試驗(SSCC)、無損檢驗（射線檢驗、焊接牢固性試驗、磁粉檢驗）等。

對于堆焊層要單獨進行下面的測試：液體滲透檢驗、硬度測試、化學成分分析、正合金分析（PMI）。

以上檢驗測試均要滿足可追溯性等級和檢驗等級最高等級的要求，需要第三方在全程關鍵節點見證，滿足EN 10204 TYPE3.2的認證要求。

4 結束語

碳鋼內襯625合金復合管設計技術研究對碳鋼內襯625合金復合管基材、誤差、焊接工藝及檢驗標準都進行了明確要求，部分技術要求填補了此項技術領域的空白，也為焊接程序制定和焊接質量檢驗提供了指導，并且為建造現場的后續施工作業提供了有利的技術支持，促進碳鋼堆焊英科耐爾625特材的整體技術實力的提升，經過該項目實施，該技術要求運行良好。同時該技術要求也為采辦相關材料，包括碳鋼內襯625合金閥門、管線、管件、法蘭、墊圈等提出了明確的技術指標，確保了各廠家為項目提供的產品符合項目要求，保障了項目最終交付的產品質量達到業主滿意。

［1］American Petroleum Institute. Welding of Metals：API RP582［S］. American Petroleum Institute, 2004．

［2］NACE International The Corrosion Society. Petroleum and natural gas industries-Materials for use in H2S-containing environments in oil and gas production：NACE MR-175/ISO 15156［S］. NACE International The Corrosion Society , 2005.

［3］SHELL Design and Engineering Practice. Gen Positive Material Identification (PMI) Program: SHELL DEP 31.10.00.10［S］. SHELL Design and Engineering Practice, 2013.

Research on Design Technology of Carbon Steel Lined 625 Alloy Composite Pipe

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（Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Design Company, Tianjin 300450, China）

For the oil and natural gas pipeline of high H2S and other corrosive medium content, the traditional anti-corrosion measures are difficult to meet the growing engineering needs. Through the research on the design technology of carbon steel lined Inconel 625 alloy composite pipe, based on the good hydrogen sulfide resistance of 625 material, the quality of 625 alloy composite pipe can be effectively improved, so that the nickel base alloy bimetal composite pipe can be more widely used in oil and gas pipelines for high H2S and other corrosive media due to its excellent mechanical properties and corrosion resistance.

Alloy composite pipe; Corrosion resistance; High hydrogen sulfide pipeline

2020-04-27

張瑞峰（1985-），男，工程師，黑龍江省安達市人，2010年畢業于東北石油大學油氣儲運工程專業，研究方向：海洋石油工程技術。

TQ 021

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1004-0935（2020）09-1115-02