大口徑火炬氣管道在役焊接工藝安全性分析

曾金令

(中國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行狀態下的焊接,可使管道連續運行、無污染,因此具有廣闊的應用前景。但在役焊接存在焊接過程可能發生管道燒穿、焊縫容易產生氫致開裂等問題,上述問題一旦發生就會引起管道內可燃介質的燃燒和爆炸,造成重大的安全環保事故[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實意義。文章從研究管道燒穿和焊縫氫致開裂出發,分析了在某大口徑火炬氣管道上焊接斜(45°)短接頭和補強板所用的在役焊接工藝的安全性。

1 在役焊接條件

為滿足火炬氣管網系統運行需要,中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)在某大口徑火炬氣管道上成功地在役焊接了斜向下45°、開孔率為42%的支管短接頭和補強板,并順利完成了在役開孔改造任務(見圖1)。

圖1 某大口徑火炬氣管道在役焊接及開斜(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,短接頭和補強板均為Q345R的無縫管線鋼,其規格、實測壁厚、設計及運行參數如表1所示。

表1 火炬氣管道、短接頭及補強板的材質、規格、實測壁厚及運行參數

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

表2 16MnR和Q345R的主要化學成分的質量分數 %

表3 不停輸大口徑管道內火炬氣的主要化學成分的體積分數 %

2 在役焊接工藝

在管件規格與材質、連接結構、輸送介質確定的情況下,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對焊接缺陷、穩定性、燒穿及焊縫質量等的影響[6-10],制定了在該大口徑火炬氣管道上焊接短接頭與補強板的手工電弧焊在役焊接工序,具體如圖2所示。

圖2 短接頭與補強板的在役焊接工序

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。短接頭和補強板的在役焊接工藝參數如表4所示。由表4可知：焊接工序1、2及4施焊時線能量的均值分別為2.38 kJ/mm和2.36 kJ/mm,兩者相當且為短接頭在役焊接工序中的最大值;焊接工序c施焊時線能量的均值為3.31 kJ/mm,為補強板在役焊接工序中的最大值。

表4 短接頭和補強板的在役焊接工藝參數

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施焊時不停輸火炬氣管道存在發生直接燒穿或失穩燒穿的可能性。通過分析上述在役焊接工藝的穿透深度和可焊壓力來評價不停輸火炬氣管道發生直接燒穿或失穩燒穿的風險水平。

3 在役焊接工藝分析

在役焊接主要存在兩大問題：一是焊接過程可能發生管道燒穿;二是焊縫易產生氫致開裂。上述問題一旦發生就會引起管內可燃介質的燃燒爆炸,造成重大的安全環保事故。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實意義。在此從研究管道燒穿和焊縫氫致開裂出發,分析在該大口徑火炬氣管道上焊接斜短接頭和補強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、內壁最高溫度的計算方法[1,11],綜合考慮縱向焊縫因子、管道設計安全因子、管道壁厚、線能量及在役焊接時管道內壁最高溫度等因素對可焊壓力的影響,采用ASME B 31.8—2012標準中氣體傳輸和配油管道在役焊接可焊壓力的計算方法[1-2,11],可得到短接頭在役焊接工序1、2及4和補強板焊接工序a、b及c施焊時不停輸火炬氣管道上產生的穿透深度、未穿透管壁厚度、內壁最高溫度及可焊壓力(見表5)。

表5 關鍵工序在役焊接相關安全性評價值

焊接時穿透深度為焊接熔池深度。由表5可知：補強板焊接工序c施焊時產生了最大的穿透深度5.25 mm和最大的內壁最高溫度510 ℃。從焊縫c的位置和補強板厚度(16 mm)來看,焊接工序c施焊時產生的5.25 mm穿透和510 ℃內壁最高溫度發生在補強板、焊縫a和b內,未穿透至不停輸火炬氣管道內。因此,焊接工序c施焊時不停輸火炬氣管道不存在在役焊接安全風險。

由表5還可知：短接頭焊接工序2、4和補強板焊接工序b施焊時不停輸火炬氣管道上產生了最大的穿透深度4.55 mm和最大的內壁最高溫度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。在短接頭與補強板整個在役焊接工序施焊過程中,不停輸火炬氣管道的未穿透管壁厚度維持在6.45～11.00 mm,管道不會發生直接燒穿;管道運行壓力為0.07 MPa,小于允許的最小可焊接壓力1.37 MPa,管道不會發生失穩燒穿現象。

3.2 焊縫氫致開裂分析

因在短接頭與補強板在役焊接工序施焊過程中,不停輸火炬氣管道的未穿透管壁厚度維持在6.45～11.00 mm,且管道不會發生直接燒穿和失穩燒穿,可判斷不停輸管道內火炬氣中高含量的氫不會通過未穿透管壁層擴散至焊縫從而使其氫致開裂。

采用型號為DL-VB(17032)的射線檢測儀,執行NB/T 47013.2—2015檢測標準,對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。射線檢測結果發現所有焊縫質量均滿足Ⅱ級合格要求。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 結語

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