石油化工管道焊縫缺陷在線修補技術分析

李超華，朱好林

（中石化中原油建工程有限公司，河南 濮陽 457001）

在石油化工以及天然氣工業工程建設項目過程中，特別是在大型石油煉制和化工裝置以及天然氣工業生產設施中，焊接質量對生產設施運行的安、穩、長、滿、優具有重要意義。在現場施工期間質量控制體系的某個控制點不到位，就會產生質量缺陷，一旦發現不了，就將對工業設施造成本質安全的隱患。因此，需要對工業設施的焊縫進行后評價復位檢測，對發現的缺陷，需要進行修補，而工業設施需要連續運行，一旦停產損失較大，所以在特定要求下往往采用焊縫缺陷在線修補技術，在理論計算和采取一定的安全措施的基礎上進行在線不停產修補，本文從工程實例方面驗證了該技術的可行。

1 需修補焊縫簡介

1.1 需修補焊縫的基本情況

某煉化一體化項目的主管廊三層一條燃氣管道在后評價的復位抽檢中，發現有層間未熔的缺陷，需進行處理。該燃氣管道已經投產，當時工作壓力0.3MPa，其為煉化一體化項目煉油部分的各個裝置區燃料氣富余匯集后的出線管道，功能是從煉油區域匯集燃氣后，上主管廊，去往火炬區。該管道基本情況如下：

管道編號：T-DW08/2144-250-FG-A351-004205-2B4S1-N(021)。

設計壓力：0.8MPa 操作壓力：0.4MPa

水壓試驗壓力：1.2MPa 嚴密試驗壓力：0.8MPa

管道等級：SHB3 檢測比例：10%(RT)

焊口編號：2G

1.2 需修補焊縫的動火位置情況

根據現場情況，需修補的焊縫的動火點3D管道示意圖如圖1。

圖1 缺陷焊縫（動火點）3D管道位置圖

該管道現狀情況如圖2。

圖2

2 不停產焊接可行性分析

2.1 焊口截面缺陷層探傷底片焊層厚度及耐壓分析

從圖3可以看出，下部以及左右已焊焊層均達到3mm以上，加上內部焊縫余高1～2mm，焊縫的厚度保守估計在4mm。最薄弱的是上半部，已焊焊層厚度平均在2.5mm左右，加上內部焊縫余高1～2mm，保守估計在3.5mm左右，但在計算時，不計內部焊縫余高。

圖3 焊縫缺陷層各點厚度

（1）定量分析。該燃氣管道規格為φ273×6.35，材質為20#鋼，制造標準為GB/T8163。在不考慮腐蝕余量（新建管道）、管道內部焊縫余高的前提下，將該焊縫視為直管上的一部分，根據缺陷焊縫最薄處（如圖3所示）計算該處焊縫的計算厚度如下：

其中，P取0.8MPa，即設計壓力；Do為273mm，即管道外徑；，取130MPa，為20℃下的許用應力；Ej取0.9，即在局部檢測的情況下，單面焊雙面成型的焊縫系數；Y取0.4，按“鐵素體鋼”在不超過482℃時的系數取值。

將各項代入公式，得ts=0.985mm，而此處的最薄厚度為2.5mm。

結論：在當時的操作壓力條件下，即便打磨至缺陷處，管道運行也是安全的。

（2）定性分析。不停產帶壓修補措施，在打磨階段維持管內壓力在0.3MPa的條件下該管道可以正常運行，但按焊縫厚度減薄率推算焊縫機械性能約減弱50%，雖能確保在0.3MPa時的暫時運行安全，但卻無法保證在溫度、壓力變化劇烈的極限條件下安全運行，因溫度、壓力急劇變化會產生軸向推、拉應力造成最薄弱處產生斷裂，從而導致事故發生。

結論：必須在工程正式投產前消除隱患。當時燃料氣管道已投用，運行壓力為0.3MPa。在各裝置尚未投產，該系統主要為常壓裝置加熱爐的烘爐工作提供氣源；為了消除隱患，最大限度減少對常壓裝置乃至整個煉廠試車的影響，擬采用不停產在線焊縫修補措施。

2.2 焊穿可能性分析

根據2.1條的分析，管內壓力對于焊接熔穿是比較大的影響因素，本文對管道內部壓力維持在微正壓狀態時焊接熔穿可能性進行以下分析。

（1）微正壓保護焊接技術分析。工況狀態分析：該燃氣管道缺陷焊縫焊層厚度2.5～3.7mm，因管道內部帶壓，所以要考慮熔深控制，一般地在控制在1.6mm以下，對焊縫最薄處進行極限修正，修正后在焊接狀態下，該處最小焊縫厚度應不小于0.9mm（仍不考慮焊道內部余高，以提高修補時的安全系數）。

（2）缺陷焊道帶壓修補壓力極限控制。

（1）帶壓施焊的最高壓力理論計算。根據相關規范，管道允許的帶壓施焊的最高壓力符合下列公式：

其中，F取0.4，即安全系數；D取273mm，即管道外徑；σs取41MPa，為475℃下的許用應力（考慮熔池熱影響區的最高溫度）；tw取2.5mm，即焊接處管道實際壁厚（不考慮焊縫內部余高）；c取1.4mm，因焊接引起的壁厚修正量。

將各項代入式中，得pw=0.1322MPa。

結論：在焊縫修復作業期間，管道系統最高壓力不大于0.1322MPa，即可進行修復作業。

（2）壓力和流速等相關參數設定。①產生熔池擊穿情況下氣體溢出最高流速的設定：缺陷焊縫處在修復時，考慮到熔池對該處壁厚的影響，有可能產生擊穿，擊穿后天然氣會被電弧引燃，根據生物對氣流流速限定的相關經驗，氣體流速一般不大于0.5m/s，在此流速下，即便由于操作不慎產生熔池擊穿，天然氣從被擊穿處溢出并被電弧引燃，也不至于對防護到位的焊接人員和輔助焊接的監護人員產生傷害。②管內氣體的壓力的設定：此處管內氣體壓力，按照民用標準予以設定，即低壓城鎮燃氣標準范圍為≦0.01MPa，為安全起見，將管內氣體壓力減半設定，即=0.005MPa（為管道內壓也是表壓，對應地管道外壓為即大氣壓）。③管內流速計算：根據伯努利方程，在流體為氣體時，有，其中C是恒定的常數。所以，產生熔池擊穿時，管內外的壓力和流速有恒定關系式如下：

3 在線不停產焊縫修補措施

3.1 管道系統壓力平衡措施

首先，需要由業主操作人員通過一系列操作將該管道系統內天然氣通過燃燒或放空方式降至5000Pa左右，保持所有系統閥門的開度，維持系統流量，將壓力穩定在這個值。

3.2 焊接方式采用以及相關安全措施

（1）擬采用氬弧焊進行加固性補焊。氬弧焊的優點是送絲及氬弧焊把擺動容易控制，輸入線能量較小且集中（受熱面積小，為點狀）；缺點是熔深比手工電弧焊要大。解決措施是在焊縫的上半部需要快速擺動，盡快熔敷，如此則熔穿可能性較小；正式填充層以及蓋面層采用手工電弧焊進行。根據相關文獻，在大氣壓力、管內無流動介質的情況下，剩余壁厚0.180”（相當于4.572mm），使用相應限定條件下焊條進行手工電弧焊的修補也不會產生燒穿，而且是相當保守的。在上述設定的情況下對于修補人員來說是安全的。

（2）優選有帶壓作業經驗的焊工進行施焊；焊工應具有5G或6G焊接合格項目資格。

（3）施焊前，用可燃氣濃度檢測儀對作業環境進行可燃氣濃度進行監測，可燃氣濃度不大于4%為合格；且測定風速，人員需要站在上風口處進行焊接，如果無風，可以采用軸流風機制造風場，確保施焊人員和配合人員在上風口處進行作業。

（4）施焊點應設置獨立接地系統最大電阻不大于10Ω。距離焊口修復處500mm左右應用焊把地線引至地面接地樁，用銅棒插入地下作為接地樁，插入深度不小于1.5m；當大于10Ω時，應添加減阻劑降阻。

（5）焊機地線與工件連接應用抱卡式連接；地線連接在焊口500mm處，保證焊接形成最短電流回路；地線搭設處管道表面油漆應用砂紙打磨干凈直至見到金屬光澤（不低于St3級），以增大焊接電流通過面積，避免因表面接觸不良造成連接處打火造成局部母材損壞。

3.3 微正壓施焊防熔穿技術措施

（1）減小線能量輸入。為了確保獲得更優質的焊縫，現場采用氬弧焊加固的焊接工藝進行缺陷焊道修復。采用氬弧焊工藝，鎢極φ1～1.2mm，焊絲選用φ1.2，焊接電流控制在40A左右；采用電弧焊焊接工藝進行填充和蓋面，選用E4303 φ2.5焊條施焊，焊接電流控制在80A左右。

（2）嚴格控制熔深。第一遍焊接，應采取薄層多道焊、斷續焊、適當拉長電弧施焊等操作手法，把熔深控制在1.6mm以內；連續焊接時間一般控制在5～10s為宜，避免因熱量集中造成原熔敷層熔穿。

（3）現場應持續對焊道熔池溫度進行檢測；并嚴格按照焊接工藝評定或焊接工藝卡參數進行施焊。

3.4 焊后檢測

按X射線探傷的規范要求，修補后的焊縫需怠置24小時以上，以便充分釋放焊接應力，其合格級別不低于II級。

4 結語

通過上述缺陷焊縫修補技術的應用分析，對生產連續性要求較高的石油化工裝置中、低壓管道的缺陷或者腐蝕檢測時發現管壁減薄處如需在線修補，有著較好的實踐應用和借鑒意義。目前，國家對于安全工作的原則是高于一切、先于一切、重于一切，因此，在線修補采用氮氣置換后再行修補會更加安全，對連續性生產的影響會降至較低水平。