國(guó)外油氣田地面工程碳鋼管道焊接熱處理應(yīng)用研究

丁 馨 黃繼兵

中國(guó)石油天然氣第七建設(shè)有限公司 山東青島 266300

油氣田地面工程中常見(jiàn)的管道材質(zhì)是碳鋼、不銹鋼和非金屬管道，其中碳鋼管道主要用于輸送工藝介質(zhì)，且占管道總長(zhǎng)度的比重較大。焊口熱處理是為了消除焊接過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，進(jìn)一步釋放焊縫中的有害氣體，預(yù)防焊縫氫脆和裂紋的發(fā)生，改善焊接接頭和熱影響區(qū)的組織性能，降低硬度，提高塑韌性，達(dá)到提高使用壽命的目的。我國(guó)的碳鋼管道熱處理主要依據(jù)國(guó)標(biāo)及石油石化規(guī)范要求，主要由管材壁厚決定焊口是否需要熱處理，部分特殊工藝（如硫磺回收）會(huì)有設(shè)計(jì)文件對(duì)焊口熱處理做特別要求。

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)施工企業(yè)承接國(guó)外油氣田管道安裝施工越來(lái)越多，發(fā)現(xiàn)國(guó)外規(guī)范與業(yè)主管理規(guī)定往往不同于國(guó)內(nèi)，需要根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目情況確定熱處理使用范圍，以下分析幾種常見(jiàn)的碳鋼管道熱處理要求。

1 國(guó)內(nèi)常規(guī)要求

1.1 SH3501- 2010 石油化工有毒、可燃介質(zhì)鋼制管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范

（1）SH3501- 2010 中7.4.1 表10 對(duì)碳鋼、碳錳鋼焊接接頭熱處理基本要求：名義厚度＞19mm 的全部母材進(jìn)行600～650℃熱處理，恒溫時(shí)間2.4min/ mm，最短恒溫時(shí)間1h，處理后硬度≤200 布氏硬度。

（2）7.3.1 表9 中對(duì)名義壁厚≥25mm 的碳鋼母材要求做不小于80℃的預(yù)熱。

1.2 GB50235- 2010 工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范

（1）表6.0.10- 1 中要求對(duì)名義厚度＞19mm 的全部母材進(jìn)行600 ～650℃熱處理，恒溫時(shí)間2.4min/ mm，最短恒溫時(shí)間1h，處理后硬度≤200 布氏硬度。

（2） GB50235- 2010 與SH3501- 2010 對(duì)碳鋼管道焊后熱處理要求一致，但GB50235- 2010 中未對(duì)預(yù)熱做出規(guī)定。根據(jù)國(guó)內(nèi)項(xiàng)目一般按更嚴(yán)格規(guī)定執(zhí)行的慣例，碳鋼管道熱處理一般按照SH3501- 2010 的要求執(zhí)行。

1.3 GB50819- 2013 油氣田集輸管道施工規(guī)范

9.3.1、9.3.2 分別要求“焊前預(yù)熱應(yīng)按焊接工藝規(guī)程執(zhí)行”，“焊后保溫和熱處理應(yīng)按設(shè)計(jì)文件或焊接工藝規(guī)程的規(guī)定執(zhí)行”。

2 ASME要求

2.1 ASME B31.32018Process Piping 工藝管道

（1）表330.1.1 中對(duì)于碳鋼管道預(yù)熱溫度的一般性要求：壁厚≤25mm 的焊口最低預(yù)熱溫度10℃；壁厚＞25mm，且碳當(dāng)量≤0.30%時(shí)，最低預(yù)熱溫度為10℃；壁厚＞25mm，且碳當(dāng)量＞0.30%時(shí)，最低預(yù)熱溫度為95℃。

（2）表331.1.1 中對(duì)于碳鋼管道焊后熱處理的一般性要求：熱處理溫度在595～650℃。對(duì)于壁厚≤50mm 的焊口，最低恒溫時(shí)間為1h/ 25mm；壁厚超過(guò)50mm 的焊口，最低恒溫時(shí)間在2h 的基礎(chǔ)上每增加25mm 延長(zhǎng)15min。

（3）表331.1.2 對(duì)P1 碳鋼及P3 合金鋼提出了降低熱處理溫度的替換熱處理方案所需的最低恒溫時(shí)間。

（4）表331.1.3 中規(guī)定了強(qiáng)制性熱處理的豁免情況:對(duì)壁厚＞25mm 的焊口采取95℃的焊前預(yù)熱；WPS已使用熱輸入對(duì)±10%的單焊道進(jìn)行了評(píng)定，并且滿足了所有其他免除條件的單層或單焊道焊縫可免除焊后熱處理；單層或單焊道焊縫可免除焊后熱處理，在此基礎(chǔ)上壁厚＞5mm 的多道焊。

2.2 ASME B31.4 2019 Pipeline Transportation Systems for Liquids and Slurries 液體和泥漿管道輸送系統(tǒng)

（1）434.8.8 要求焊接工藝規(guī)范應(yīng)規(guī)定最低預(yù)熱溫度。

（2）434.8.9 規(guī)定焊縫有效厚度超過(guò)32mm 時(shí)應(yīng)消除應(yīng)力，除非使用相同規(guī)格、類(lèi)型和等級(jí)的材料，且采用不低于生產(chǎn)焊縫的有效厚度的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)證明無(wú)需消除應(yīng)力。

（3）32mm＜δ≤38mm 的碳鋼管道如果采用了不低于93℃的預(yù)熱就可以免除應(yīng)力消除。

2.3 ASME B31.8 2018 Gas Transmission and Distribution Piping Systems 輸配氣管道系統(tǒng)

（1）ASME B31.8 2018 同樣沒(méi)有對(duì)預(yù)熱溫度給出明確說(shuō)明。

（2）825.2 要求對(duì)壁厚超過(guò)32mm 的碳鋼管道做應(yīng)力消除。

（3）825.6 要求對(duì)碳鋼管道應(yīng)力消除溫度不低于593℃，對(duì)鐵素體合金鋼不低于649℃。

3 NACE 要求

NACE MR0175ISO 15156：2015Petroleum,petrochemical and natural gas industries —Materials for use in H2S- containing environments in oil and gas production 石油天然氣工業(yè)- 油氣開(kāi)采中用于含H2S 環(huán)境的材料。第2 部分：抗開(kāi)裂碳鋼和低合金鋼及鑄鐵的使用中，附錄A2.1.4 給出了碳鋼、碳錳鋼和低合金鋼焊接接頭的可接受硬度值，對(duì)符合表格硬度要求的碳鋼、碳錳鋼和低合金鋼焊件不需焊后熱處理。

4 對(duì)比幾個(gè)常用國(guó)內(nèi)外規(guī)范

總體來(lái)說(shuō)，國(guó)外規(guī)范版本更新的更快，并且對(duì)熱處理焊口要求壁厚范圍比國(guó)內(nèi)規(guī)范低。

對(duì)于站內(nèi)工藝管道的規(guī)范，SH3501 與GB50235一致，要求需要進(jìn)行焊后熱處理的母材厚度在19mm以上。ASME B31.3 對(duì)碳鋼管道熱處理壁厚要求是25mm，這低于國(guó)內(nèi)規(guī)范。同時(shí)，根據(jù)附表中的豁免條件，對(duì)25mm 以上壁厚焊口只要預(yù)熱到95℃就可免做焊后熱處理，這使得ASME B31.3 對(duì)焊后熱處理的要求格外寬松。NACE MR0175 只對(duì)焊口硬度做了要求，而這個(gè)硬度是一般碳鋼管道焊接都能達(dá)到的數(shù)值。

對(duì)于集輸管道，GB50819 沒(méi)有明確規(guī)定，ASME 標(biāo)準(zhǔn)要求不論輸液相還是輸氣整體都遵循32mm 壁厚以上進(jìn)行熱處理的規(guī)定，但ASME B31.4 有32mm＜δ≤38mm 預(yù)熱93℃免除熱處理的說(shuō)明。

5 國(guó)外項(xiàng)目熱處理執(zhí)行中的情況分析

由于項(xiàng)目所在國(guó)發(fā)展情況不同、油氣條件不同，以及業(yè)主的管理水平不同，最終造成不同項(xiàng)目業(yè)主對(duì)碳鋼管道的熱處理要求不同。而業(yè)主要求往往是決定熱處理適用范圍的直接依據(jù)。

5.1 直接按壁厚規(guī)定碳鋼管道熱處理要求

有些項(xiàng)目的業(yè)主會(huì)在項(xiàng)目管道焊接管理規(guī)定中明確需要熱處理的母材厚度。例如伊拉克哈法亞項(xiàng)目要求非酸性環(huán)境下壁厚≥20mm 的碳鋼，以及低溫碳鋼管道需要進(jìn)行焊后熱處理；伊拉克魯邁拉項(xiàng)目要求對(duì)壁厚＞25mm 的碳鋼管道進(jìn)行焊后熱處理；烏干達(dá)TILENGA 項(xiàng)目要求對(duì)超過(guò)31.8mm 壁厚的碳鋼集輸管道進(jìn)行焊后熱處理。還有的項(xiàng)目劃分的更細(xì)，按照不同的管道等級(jí)進(jìn)行規(guī)定，例如莫桑比克LNG 項(xiàng)目指明對(duì)1500LB、32mm 及2500LB、38mm 以上的碳鋼和低溫碳鋼進(jìn)行熱處理。

5.2 根據(jù)運(yùn)行環(huán)境規(guī)定熱處理要求

運(yùn)行環(huán)境是決定碳鋼管道是否需要熱處理的一個(gè)重要條件。如伊拉克哈法亞項(xiàng)目要求對(duì)酸、堿、貧胺液環(huán)境下的所有碳鋼和低溫碳鋼管道做焊后熱處理。

5.3 指定引用規(guī)范

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外規(guī)范的分析可以看出，ASME 和NACE 規(guī)范對(duì)熱處理的要求并不高，因此大多數(shù)項(xiàng)目會(huì)在規(guī)范基礎(chǔ)上做出進(jìn)一步細(xì)化。例如，尼日爾AGADEM 油田二期工程要求管道熱處理完全按照ASME B31.3、B31.4 的規(guī)定執(zhí)行；而伊拉克西古爾納I 項(xiàng)目要求焊口熱處理整體按ASME B31.3 執(zhí)行，但對(duì)酸性流體環(huán)境下的碳鋼管道要滿足NACE 0175 的要求，ASME B31.3 基于壁厚的熱處理豁免情況在此項(xiàng)目不適用。

5.4 其他

業(yè)主的管理規(guī)定形形色色，除了以上幾種常見(jiàn)情況，還有規(guī)定硬度值的要求，即焊口硬度值滿足指定要求就可不做熱處理。

6 結(jié)論

總體來(lái)說(shuō)，對(duì)于國(guó)外油氣田地面工程項(xiàng)目碳鋼管道的熱處理要根據(jù)業(yè)主管理規(guī)定執(zhí)行，而分析以上幾種業(yè)主熱處理規(guī)定會(huì)發(fā)現(xiàn)，最低的要求就是按ASME、NACE 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。而除了個(gè)別項(xiàng)目有對(duì)酸、堿性、貧胺液等極端情況作出全部熱處理的規(guī)定外，以19mm、25mm、32mm、38mm 規(guī)定熱處理壁厚是最常見(jiàn)的要求，而在此范圍內(nèi)做熱處理硬度也均能滿足業(yè)主要求。因此，在今后承接新的國(guó)外油氣田地面工程碳鋼管道安裝施工時(shí)，可以上述結(jié)論為基礎(chǔ)快速理解業(yè)主規(guī)定，為項(xiàng)目前期策劃及項(xiàng)目實(shí)施提供依據(jù)。