帶涂層的鎳基合金復合管焊接施工

陸傳航，程晉宜，夏德亮，楊建，戴世超

海洋石油工程（青島）有限公司 山東青島 266520

1 序言

在油氣平臺的工藝管道中，使用熱固性重防腐環氧粉末涂料形成的涂層是一種有效緩解管道腐蝕的措施。其應用環境為：低流速、間歇流、滯流工況管道、最小流速＜4.6m/s的單相燃氣管道、最小流速在1m/s以內的液相管道；最小流速在3.05m/s以內的氣/液雙相流管道；飲用水、公用水、開排和生活污水系統中的公用管道等。熱固性重防腐環氧粉末涂料是一種無三廢污染的環保型涂料。

雖然涂層具備較強的耐化學腐蝕、耐磨、成本相對較低的特點，但涂層也存在不能二次受熱的缺點，而在工藝管道焊接接頭中二次受熱是不可避免的。對于大壁厚的工藝管道，也涉及到焊后熱處理。另外，在工藝管道總裝現場的接頭焊接完成后，無法進入管道內對涂層進行涂覆或修補，因此需要對此類接頭施工方案進行研究。

2 接頭連接形式

由于管道內側需要內涂覆熱固涂層，在車間預制階段可以在完成接頭焊接與焊后熱處理后統一進行涂覆，此方法可以保證涂層的連續性。然而，在現場連接的總裝接頭，焊接完成后無法進入管道內施工，無法實現涂層的涂覆，因此給出了兩種替代方案。

（1）方案一 將現場焊接接頭更改為法蘭連接。施工步驟為：首先完成管道與法蘭焊接接頭的焊接與焊后熱處理，隨后完成內壁涂層涂覆，最后將法蘭連接。但此種方法會增加整體的設計重量，影響管道的布置空間，對油氣平臺重量控制不利。另外，增加法蘭也會增加烴類系統潛在的泄漏風險，存在安全隱患，因此法蘭方案并非最優方案。

（2）方案二 將總裝接頭兩側的管道修改為復合管管段PUP-PIECE，如圖1所示。此種方案施工步驟為：首先完成接頭A的焊接與焊后熱處理，隨后完成內側涂層的涂覆，最后完成接頭B的焊接與焊后熱處理。相較于法蘭替代方案而言，不會增加平臺重量，對于控制平臺減重比較有利。但也存在如下問題：由于內側涂層不耐熱，在焊接過程或者焊接完成后進行的焊后熱處理會燒損涂層導致其失效，因此需要對復合管管段的長度進行研究。

圖1 接頭連接示意

由于復合管接頭距離內部涂層長度L影響涂層功能，因此需要從如何避免熱處理過程對涂層的影響角度對方案二進一步研究，從而得出有效施工方案。

3 施工方案

3.1 焊后熱處理施工方案

熱燒結環氧涂層一般耐受溫度在100℃以內，根據相關標準[1]的推薦，焊后熱處理的保溫區間（Soaking Band，SB）為594～649℃，而不同的管徑壁厚對應的保溫區間、加熱區間（Heating Band，HB）、均勻控溫區間（Gradient Control Band，GCB）均不同。熱處理加熱帶布置如圖2所示。

圖2 熱處理加熱帶布置

保溫區間寬度一般為焊縫邊緣+t（管道厚度）或50.8mm，二者取其小；加熱區間寬度一般為保溫區間寬度+4；均勻控溫區間寬度為加熱區間寬度+4（R為熱處理管道公稱半徑）。

在使用標準熱處理條件下，不同直徑、壁厚管道焊后熱處理時溫度場的分布將直接決定復合管管段的長度。

溫度場的分布區間可以采用模擬試驗確定，本文僅選取了管徑762mm、壁厚40.7mm的復合管管道開展模擬試驗，管道整體長度為2500mm。試驗過程中加熱區間加熱帶寬度為400mm，均勻控溫區間寬度為600mm。需要說明的是，加熱帶的寬度小于推薦數值，原因在于加熱帶的寬度只要保證加熱帶邊緣溫度高于50%的保溫溫度即可。一般用保溫區邊緣處和加熱區邊緣處的溫度之比k表征軸向溫度梯度，美國標準AWSD 10.10 /D10.10M：1999（R2009）中規定，當k≤2時，才能滿足局部焊后熱處理要求。寬度增加會使熱處理區域溫度衰減更加均勻。

試驗過程中保溫區域溫度為620℃，隨著與焊道中心距離的增加，溫度逐漸遞減，具體溫度場分布如圖3所示。從圖3可看到，距離焊道中心1000mm處溫度區間已經低于100℃，不會對涂層性能產生影響。由于不同直徑和壁厚以及不同寬度的加熱范圍、溫度場的分布完全不同，因此需要對施工中出現的所有尺寸進行模擬，最終得出不同的溫度場分布。

圖3 模擬試驗的溫度場分布

模擬試驗的方法雖較為直接，但需要注意以下幾點。

1）在相同布置條件下，熱處理管道的長度不同，會導致管道內外壁的溫差不同。根據相關文獻研究[2]，隨著熱處理管段長度的增加，熱處理內外壁溫差先迅速增大，隨后增幅逐漸減緩，最后達到一個穩定值。為保證模擬試驗的有效性，建議最短熱處理管段長度為L=（2.12OD+127）lgt－1.97OD+186（OD為熱處理管道外徑）。

2）管道內部的空氣流速增加對管道內外壁的溫差梯度產生線性影響[3]，模擬試驗按照兩側封堵情況進行模擬，模擬試驗可以得到保守情況下堆焊管段的長度。

3.2 免除焊后熱處理施工方案

堆焊管段的焊后熱處理要求決定著堆焊管段的長度，因此若取消此焊后熱處理操作，堆焊管段將極大縮短。

按照ASME B31.3—2016《工藝管道》的規定，在焊接時若可以保證預熱溫度及層間溫度不低于95℃，則設計方可以考慮免除焊后熱處理。按照免除焊后熱處理施工方案，施工后溫度場的分布和接頭的性能可通過模擬試驗得出初步結論。

（1）溫度場分布 模擬試驗環境為：打底焊道預熱溫度提高至95℃，隨后熱焊道及后續填充、蓋面焊道保證最大150℃層間溫度。本文試驗選取了管徑762mm、壁厚40.7mm的復合管管道，試驗中使用加熱片維持預熱溫度和層間溫度，熱電偶點焊位置分布如圖4所示。焊接過程參數依據相關文獻[4]規定的參數嚴格施工，試驗過程中維持焊接過程（見圖5）不中斷，通過測量不同點的峰值溫度得到溫度場分布（見表1）。

表1 溫度場分布

圖4 模擬試驗熱電偶分布

圖5 模擬試驗焊接過程

從表1可看出，在焊道邊緣約350m m的距離可實現層間溫度低于100℃，不會對涂層性能產生影響。對于此種尺寸的復合管管段長度為350～400mm，相較于原至少1000mm左右管段長度，在經濟上優勢比較明顯。但是，不同直徑和壁厚以及不同寬度的加熱范圍，溫度場的分布完全不同，因此需要對施工中出現的所有尺寸進行模擬，最終得出不同的溫度場分布。

（2）力學性能 雖然標準中有所規定，但利用適當提高預熱溫度的方式是否可以達到替代焊后熱處理的目的，仍然存在不確定性。LEE等[5]通過對不同壁厚的P1鋼在焊態和熱處理態下殘余應力和微觀組織的分析，得出結論：熱處理態下殘余應力峰值有所下降，但分布形式并未發生根本變化，焊縫及熱影響區的微觀組織并未發生明顯變化。PRUETER P E等[6]研究了焊態下采用提高預熱溫度以及焊后熱處理態下殘余應力分布、對脆性相的影響等，得出結論：取消必要的熱處理將增加出現脆性相的可能性，熱處理效果僅靠提高預熱溫度是達不到的，提高預熱溫度對于降低焊縫殘余應力的效果較小。

為此，對免焊后熱處理施工方案的模擬焊接接頭根部區域進行了夏比沖擊測試，見表2。

表2 模擬焊接接頭根部韌性測試

通過對比以往測試結果[4]發現，根部焊縫中心以及熔合線附近并沒有出現韌性的陡降。因此，采用提高預熱溫度的方式免除熱處理，同時降低復合管管段長度具備一定的可行性，但應具體依據各自項目設計方意見執行。

4 結束語

1）對于帶內部涂層的厚壁復合管管段焊接施工，可通過模擬焊后熱處理過程確定熱處理溫度場分布，從而確定復合管管段內部鎳基堆焊層寬度。

2）通過提高預熱溫度取消建造過程中的熱處理工序，可實現縮短鎳基復合管管段的堆焊層寬度的效果，但必須得到設計方的批準。