镍基合金复合管道堆焊施工工艺

发布时间：2022-10-05 10:02 热度：

　　介绍了镍基合金复合管道在海洋石油平台上的应用，阐述了镍基合金复合管道作为油气主管道使用时，分支开孔处堆焊镍基合金内衬层的必要性和加工技术难点。结合应用实践，详细阐述了在镍基合金复合管道上开孔的方法和镍基合金复合层堆焊工艺，阐明了加工过程中的质量控制要点和检测方法。

　　关键词：石油天然气；镍基合金衬层管道；管道开孔；堆焊

　　1序言

　　基于出色的耐摩擦、抗腐蚀、高强度性能，镍基合金材料的管道在高酸性、高压力、高温度介质环境的海洋石油天然气生产中得到了广泛应用。由于镍基合金原材料成本高、加工难度偏大，除在小管径管道、异形管件等因无法实现内衬工艺操作而使用纯镍基合金管道外，对直径≥6in（1in=25.4mm）的管道大都采取在低合金高强钢（或低温碳素钢）上堆焊3mm以上镍基合金层的工艺来降低成本。当以镍基衬层管道作为主管道来使用时，镍基合金复合管道在预制过程中，难免要涉及安装管座来连接分支管道。传统的管道管座安装工艺会破坏内衬层的密封性能，在主管开孔截面位置裸露出碳素钢基材，形成薄弱点，留下较大的质量与安全隐患。为了保证镍基合金复合层管道在开孔位置仍保持良好的硬度、韧性、抗腐蚀、耐摩擦等性能，需要对开孔截面表面进行补充堆焊镍基复合层，以防止复合层覆盖区域外的碳素钢材质直接接触管道介质。本文主要讲述了在镍基复合管道预制过程中，如何进行管座分支的定位、钻孔、镍基复合层堆焊等加工，以及过程的质量控制要点和检测方法，从而充分保障开孔位置实现无死角镍基复合层覆盖。

　　2镍基合金复合层管道开孔堆焊的必要性和技术难点

　　传统的管道管座安装工艺，会破坏内复合层的密封，在主管开孔截面位置裸露出碳素钢基材，形成薄弱点。一方面，由于此处截面没有合金层保护，防腐蚀能力和抗摩擦能力较差，因此在长期运行下会出现穿孔腐蚀等较大的质量与安全隐患。另一方面，由于截面位置的碳素钢材质与合金层的镍基合金材质存在电偶腐蚀[1]，在输送介质时，形成“大阴极、小阳极”的局部电池，产生电化学腐蚀，从而加速截面位置的腐蚀速度。因此，在截面位置补充同材质镍基合金复合层非常必要。开孔截面位置堆焊镍基合金复合层，均存在较多技术难点。首先是开孔形式上的选择，薄壁管开直孔时采用机械镗孔基本可以实现（一般直径＞20in的管道采用长直孔，可以进行内壁成形的手工处理），但在进行梯形口加工时（一般直径＜20in的管道采用梯形开孔，因直孔较难处理根部），就可能需要数控机床或者等离子切割后再进行二次加工才能实现。镍基合金复合管道两种开孔堆焊形式如图1所示。其次是焊接方法的选择，大臂焊接时的马鞍根部和顶部焊接质量控制问题。手工焊接能够比较好地在马鞍位置成形，但又存在操作空间狭小、不好操作的问题；同样，根部碳素钢层去除是否彻底也是开孔堆焊质量控制的关键。

　　3镍基合金复合管道开孔堆焊工艺

　　下面选取手工堆焊梯形开孔方法，对镍基合金复合管道进行开孔和堆焊。（1）定位为保证开孔位置精准，建议先行确定基准点，再以四点定位法确定开孔中心点，保留定位点作为堆焊后成形加工的参考点（见图2，注意中心点距离）。（2）机械开孔机加工开孔，达到预定开孔尺寸。开孔大小与支管尺寸相关，同时要考虑堆焊层厚度，推荐相关开孔尺寸见表1、如图3所示。（3）堆焊在确认无碳素钢层遗留后，采用适用的焊接工艺进行堆焊（焊材与内衬合金为相同材质，打底、填充、盖面具体以WPS为准），至开孔全部被封堵，进行表面处理。注意在完全封堵后，及时恢复开孔中心点，重新确定开孔中心点如图4所示。（4）成形在堆焊位置进行二次开孔，本次开孔为长直孔，内径应与支管内径相符（见图5）。（5）释放按照检测程序，进行硬度及NDT检测，然后依照WPS要求进行焊后热处理。热处理后需再次进行硬度及NDT检测。签署报告，完成释放。

　　4过程质量控制与检测方法

　　基于其服役环境、服役年限的硬性要求，油气工艺管道预制有着非常高的质量要求。同时，体现在镍基合金管道预制上，其又存在预制成本高、返工成本极高的特点。因此，提前预防、及早干涉、过程控制、一次做对是非常必要和必须的。下面从镍基合金复合管道开孔堆焊的几个关键质量控制点进行概括。（1）定位由于管道端部存在切割和坡口加工余量，推荐先行确定参考点，再用四点定位来确定开孔中心。同时，在加工过程中要时刻保护定位的四点，以保证所有尺寸基准是唯一的。（2）碳素钢层检测碳素钢夹层将影响堆焊根部的焊接质量，需要保证在进行开孔时，彻底去除内衬合金层上的碳素钢母材。通常，采用5%硫酸铜滴定法来检测碳素钢层去除是否彻底。（3）焊接过程监控[2]镍基焊材的使用，通常在焊接参数上有较为严格的要求，焊接过程中应注意对层间温度、焊接电流、电弧电压、送丝速度等重要参数予以监控。同时，焊接保护气体的成分检测、焊材保管、焊前预热、焊接挡风、焊后热处理等也应有相应的程序加以指导和控制，现场施工应严格按照施工程序执行。（4）NDT检测在完成机加工开孔后，建议对母材截面位置进行一次MT检测。在完成堆焊后需进行PT和RT检测。若进行了热处理，需在热处理后按照规范要求再进行PT和RT复测。（5）保管加工过程中和完成释放后，应注意管内外的清洁和防护，防止被铁锈、油脂、污水污染。如果材料因被污染而未及时发现清理，可能会导致焊接质量缺陷、防腐涂层剥落、化学腐蚀等问题，继而导致重大质量问题。尤其是机加工切削液应及时处理干净，避免造成材料污染。

　　5结束语

　　镍基合金有着出色的耐摩擦、抗腐蚀、高强度等优越性能，在高酸性、高压力、高温度的油气田，尤其是在中东地区得到了广泛应用。镍基合金复合管道兼具了镍基合金的超高性能，同时具有较好的成本优势，越来越多地得到了各大石油公司的青睐。镍基合金复合管道开孔是在镍基合金复合管道应用时不可缺少的一项工艺需求，通过成熟的镍基合金复合开孔堆焊技术，加以科学的过程质量控制措施，能够充分保证镍基合金复合管道在开孔位置仍保持同等性能，从而为油气田开发提供了更多的选择方案。

　　参考文献：

　　[1]刘俊超，陈胜利，赵景茂.镍基合金与碳钢的电偶腐蚀及其影响因素[J].石油化工腐蚀与防护，2010（2）：25-27.

　　[2]许爱华，院振刚，杨光，等.双金属复合管的施工焊接技术[J].天然气与石油，2010，28（6）：22-28.

　　作者：石占磊