雙金屬?gòu)?fù)合管試壓封頭焊接技術(shù)

張鋼鋒

中國(guó)石油天然氣管道第二工程有限公司，江蘇 徐州

1.引言

這種復(fù)合管材的特殊性給通球、測(cè)徑、試壓時(shí)收發(fā)球筒和封頭的焊接帶來(lái)了很大的問題。傳統(tǒng)意義上封頭一般材質(zhì)絕大部分都為碳鋼材質(zhì)，母材也為碳鋼材質(zhì)，焊接都為同種鋼焊接。但到目前位置，公司還未進(jìn)行過復(fù)合管與碳鋼管相連接的焊接技術(shù)，給施工帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。為此，通過不斷的研究和試驗(yàn)，在常規(guī)碳鋼管的基礎(chǔ)上進(jìn)行了革新，通過堆焊和增加過渡復(fù)合管的形式實(shí)現(xiàn)了復(fù)合管高壓試壓。通過革新，這項(xiàng)技術(shù)成功應(yīng)用于克深5地面試采工程中，完成約18 Km 管線試壓，4口單井試壓，為復(fù)合管施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

2.方案制定[1]

目前雙金屬?gòu)?fù)合管在塔里木油氣田地面開發(fā)建設(shè)應(yīng)用較為廣泛，常見的雙金屬?gòu)?fù)合管根據(jù)生產(chǎn)工藝大致分為兩種，即冶金雙金屬?gòu)?fù)合管和機(jī)械雙金屬?gòu)?fù)合管。

冶金雙金屬?gòu)?fù)合管(見圖1)是把初級(jí)工業(yè)材料和高技術(shù)的冶金處理過程結(jié)合起來(lái)，采用離心澆鑄管坯經(jīng)擠壓、冷軋(或冷拔)生產(chǎn)方式，從而獲得高品質(zhì)的復(fù)合管材。這種新型復(fù)合管材可以是一般普碳鋼與不銹鋼、一般不銹鋼與高品質(zhì)不銹鋼，也可以是普通鋼種與鎳、鉻、鉬合金的復(fù)合；還可以根據(jù)用戶要求實(shí)現(xiàn)多種金屬的多層復(fù)合。這種管材的優(yōu)勢(shì)在于可以根據(jù)施工需要任意切割，焊接時(shí)也可以與純碳鋼管材正常對(duì)口焊接，操作方便，但價(jià)格昂貴，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，且多數(shù)為進(jìn)口材料。

機(jī)械雙金屬?gòu)?fù)合管(見圖2)是將碳鋼管和不銹鋼鋼管分別生產(chǎn)完成后，將不銹鋼管嵌入碳鋼中，將裝配好的內(nèi)外管完全密封呈密閉長(zhǎng)筒，再將液體注入筒內(nèi)，逐步加壓筒內(nèi)的液體，使得內(nèi)襯不銹鋼管逐步的在直徑方向向外擴(kuò)張，在軸向方向向內(nèi)收縮。通過連續(xù)逐步施壓，使得內(nèi)襯管最終達(dá)到塑性變形，外基管仍處于彈性變形范圍內(nèi)，當(dāng)通過壓力表判定內(nèi)外管已達(dá)到塑性變形，外基管處于彈性變形要求時(shí)，施放壓力，復(fù)合形式。

Figure1.Metallurgical bimetal composite pipe 圖1.冶金雙金屬?gòu)?fù)合管

Figure2.Mechanical bimetal composite pipe 圖2.機(jī)械雙金屬?gòu)?fù)合管

機(jī)械雙金屬?gòu)?fù)合管以碳鋼管為基體材料，承受管道系統(tǒng)的工作壓力，以耐腐蝕合金材料為內(nèi)襯防腐層，充分發(fā)揮耐腐蝕合金優(yōu)異的耐蝕性能。這種管材的優(yōu)點(diǎn)在于價(jià)格低廉，制作工藝簡(jiǎn)單可靠。缺點(diǎn)在于，由于是機(jī)械復(fù)合，兩層金屬間屬非擴(kuò)散結(jié)合，在堆焊段以外進(jìn)行切割時(shí)，復(fù)合管會(huì)產(chǎn)生分層傾向(見圖3)，以釋放制造工藝帶來(lái)的應(yīng)力。為保證施工質(zhì)量和管道運(yùn)行安全，施工中通常按照復(fù)合管管徑采用堆焊(見圖4)或封焊(見圖5)的方式對(duì)切割管段進(jìn)行處理[2]。

Figure 3.Gap after cutting 圖3.切割后產(chǎn)生的縫隙

Figure 4.Pipe section surfacing圖4.管段堆焊

Figure 5.Pipe section sealing 圖5.管段封焊

機(jī)械雙金屬?gòu)?fù)合管(以下簡(jiǎn)稱復(fù)合管)由于其承壓高、耐腐蝕、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，而被西氣東輸主力氣源地——克拉蘇氣田的開發(fā)并廣泛采用至今。

四川油建作為塔里木油田最早接觸復(fù)合管施工的單位，也是經(jīng)過不斷的摸索才形成自己的一套施工方法。線路焊接時(shí)需要的短節(jié)通過封焊的方式進(jìn)行處理，而在管道試壓時(shí)則利用冶金復(fù)合管作為過渡管進(jìn)行焊接，如圖6所示：

Figure 6.Connection diagram 圖6.連接示意圖

這種施工方法焊接簡(jiǎn)單，試壓完成后可直接切割冶金復(fù)合管，然后用機(jī)械復(fù)合管直接對(duì)接焊就可以完成，但是對(duì)冶金復(fù)合管的浪費(fèi)較大，費(fèi)用昂貴。

為了既保證復(fù)合管正常試壓，又避免浪費(fèi)，降低施工成本，經(jīng)過研究討論制定了以下幾種方案：

1、增加法蘭連接法；

2、增加過渡復(fù)合管法；

3、管段堆焊法。

3.實(shí)施情況

3.1.增加法蘭連接法

這種施工方法就是利用法蘭將復(fù)合管與碳鋼管連接在一起，試壓封頭或者收發(fā)球筒再與碳鋼管對(duì)接焊，具體如圖7所示：

Figure7.Connection diagram 圖7.連接示意圖

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，這種施工方法存在以下優(yōu)缺點(diǎn)：

1)連接方便，焊接工藝簡(jiǎn)單。

2)由于要承受≥24 MPa 的高壓，所以堆焊法蘭和碳鋼法蘭外形尺寸偏大，單片重量達(dá)到約200 Kg，對(duì)口焊接時(shí)必須挖掘機(jī)配合，運(yùn)輸裝卸極為不便。

3)如上圖矩形虛線框內(nèi)所示部分，完成后在進(jìn)行封頭單獨(dú)試壓時(shí)還需增加一塊法蘭盲板，這樣造成試壓封頭部分重量加大，操作極為不便。

4)不銹鋼法蘭在完成一次焊接后需要切割下來(lái)重復(fù)使用，這樣造成帶頸法蘭的頸部會(huì)被切除一部分，連續(xù)使用后造成法蘭頸部與對(duì)接焊主管存在外形尺寸大的偏差，最終無(wú)法使用，需重新加工制作，浪費(fèi)較大，成本增加。

3.2.增加過渡復(fù)合管法[3]

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)研究和總結(jié)與對(duì)比，綜合了冶金復(fù)合管過渡法和法蘭連接法的優(yōu)缺點(diǎn)，克深5試采工程大膽使用了此方法，具體做法如圖8所示：

Figure8.Connection diagram 圖8.連接示意圖

雙金屬?gòu)?fù)合管試壓封頭的制作難點(diǎn)在于，如何保證復(fù)合管管端的原始封焊或堆焊段在試壓完成切割后還能繼續(xù)使用。首先，在施工過程中如果碳鋼管與雙金屬?gòu)?fù)合管直接對(duì)接焊，會(huì)造成碳鋼管內(nèi)鐵素體由于受高溫影響向焊道方向移動(dòng)，造成焊道位置鐵素體超標(biāo)，焊道鐵素體會(huì)繼續(xù)沿著焊道周向擴(kuò)散一直延伸至原復(fù)合管管端堆焊位置上，這種加速滲透造成晶體結(jié)構(gòu)會(huì)由奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致焊道強(qiáng)度減弱，在后期運(yùn)行中發(fā)生穿孔刺漏情況。

另外，復(fù)合管出廠時(shí)管端自帶的堆焊段是由管材廠家通過特制的旋轉(zhuǎn)操作臺(tái)加工而成，為保證試壓后連頭施工，需盡可能保證其完整性，為此我們?cè)谠噳悍忸^一側(cè)加入了一根過渡復(fù)合管，這樣既保證了復(fù)合管管道不至于完全破壞，又保證了切割后管端堆焊還可以繼續(xù)正常使用。具體現(xiàn)場(chǎng)做法如下：

1、過渡復(fù)合管一側(cè)保留原始堆焊段，另外一側(cè)現(xiàn)場(chǎng)做管端封焊處理(見圖9)，這樣就解決了切割后復(fù)合管出現(xiàn)縫隙的問題，封焊端可以直接與碳鋼封頭對(duì)接焊，焊材選用625合金鋼(見圖10)。

2、碳鋼試壓封頭與過渡管焊接完成經(jīng)試壓后切除就可在管線上使用。

Figure9.Tube end seal welding 圖9.管端封焊

Figure 10.Head pressure test 圖10.封頭試壓

這種施工方法已經(jīng)在克深5現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用，并完成了7段，約18 Km 管線，4口單井試壓，無(wú)一處因?yàn)樵摷夹g(shù)方案發(fā)生泄露事故。

過渡復(fù)合管法的缺點(diǎn)在于：由于過渡管管端堆焊寬度按照設(shè)計(jì)要求一般在20 mm 左右，如果試壓封頭第一次試壓完成后需要從與已焊接完成的管線上切割下來(lái)，每切割一次，堆焊寬度就會(huì)減少，所以造成試壓封頭重復(fù)利用率低。

3.3.管段堆焊法

為了最大化發(fā)揮過渡復(fù)合管的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過反復(fù)的研究重新對(duì)過渡復(fù)合管管端堆焊寬度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)堆焊(見圖12)，通過增加堆焊寬度以此來(lái)發(fā)揮過渡復(fù)合管的優(yōu)勢(shì)。按照設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)格書要求堆焊管端的寬度為20 mm，為滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要，將管端的堆焊長(zhǎng)度增加至60 mm，這樣就可以重復(fù)切割至少4次以上，最大限度的利用了堆焊技術(shù)。具體做法如圖11所示：

Figure 11.Connection diagram 圖11.連接示意圖

Figure12.Surfacing photos圖12.堆焊照片

4.創(chuàng)新點(diǎn)

1、突破了傳統(tǒng)的冶金復(fù)合管試壓封頭焊接技術(shù)，可以重復(fù)使用，降低了施工成本。

2、通過研究?jī)?yōu)化了雙金屬?gòu)?fù)合管試壓封頭焊接技術(shù)，更便于現(xiàn)場(chǎng)操作，靈活性更強(qiáng)。

3、創(chuàng)造了復(fù)合管試壓封頭焊接技術(shù)的先例，為后續(xù)復(fù)合管施工提供了技術(shù)支持。

5.效果

5.1.經(jīng)濟(jì)效益

費(fèi)用明細(xì)如表1所示。

Table 1.Charge details表1.費(fèi)用明細(xì)

5.2.安全效益

通過對(duì)復(fù)合管封頭焊接技術(shù)的優(yōu)化革新，大大降低了復(fù)合管焊道因碳化而造成對(duì)焊層穿孔腐蝕的情況，保證了全線管道的運(yùn)行安全。

雙金屬?gòu)?fù)合管封頭焊接技術(shù)的研究和革新彌補(bǔ)了公司復(fù)合管封頭焊接技術(shù)上的空白，同時(shí)在克深5試采地面工程上的成功應(yīng)用證實(shí)了革新成果的可行性，更為重要的是打破了傳統(tǒng)意義上冶金復(fù)合管試壓封頭的焊接技術(shù)，充分發(fā)揮了復(fù)合管堆焊技術(shù)，更大的提高了現(xiàn)場(chǎng)的可操控性，隨時(shí)可以現(xiàn)場(chǎng)堆焊，避免受管材限制而影響工期，最大程度的節(jié)省了施工時(shí)間，同時(shí)降低了材料成本，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用效果。