石油化工管道焊縫缺陷在線修補(bǔ)技術(shù)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(yáng) 457001）

在石油化工以及天然氣工業(yè)工程建設(shè)項(xiàng)目過(guò)程中，特別是在大型石油煉制和化工裝置以及天然氣工業(yè)生產(chǎn)設(shè)施中，焊接質(zhì)量對(duì)生產(chǎn)設(shè)施運(yùn)行的安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)具有重要意義。在現(xiàn)場(chǎng)施工期間質(zhì)量控制體系的某個(gè)控制點(diǎn)不到位，就會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量缺陷，一旦發(fā)現(xiàn)不了，就將對(duì)工業(yè)設(shè)施造成本質(zhì)安全的隱患。因此，需要對(duì)工業(yè)設(shè)施的焊縫進(jìn)行后評(píng)價(jià)復(fù)位檢測(cè)，對(duì)發(fā)現(xiàn)的缺陷，需要進(jìn)行修補(bǔ)，而工業(yè)設(shè)施需要連續(xù)運(yùn)行，一旦停產(chǎn)損失較大，所以在特定要求下往往采用焊縫缺陷在線修補(bǔ)技術(shù)，在理論計(jì)算和采取一定的安全措施的基礎(chǔ)上進(jìn)行在線不停產(chǎn)修補(bǔ)，本文從工程實(shí)例方面驗(yàn)證了該技術(shù)的可行。

1 需修補(bǔ)焊縫簡(jiǎn)介

1.1 需修補(bǔ)焊縫的基本情況

某煉化一體化項(xiàng)目的主管廊三層一條燃?xì)夤艿涝诤笤u(píng)價(jià)的復(fù)位抽檢中，發(fā)現(xiàn)有層間未熔的缺陷，需進(jìn)行處理。該燃?xì)夤艿酪呀?jīng)投產(chǎn)，當(dāng)時(shí)工作壓力0.3MPa，其為煉化一體化項(xiàng)目煉油部分的各個(gè)裝置區(qū)燃料氣富余匯集后的出線管道，功能是從煉油區(qū)域匯集燃?xì)夂?，上主管廊，去往火炬區(qū)。該管道基本情況如下：

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

設(shè)計(jì)壓力：0.8MPa 操作壓力：0.4MPa

水壓試驗(yàn)壓力：1.2MPa 嚴(yán)密試驗(yàn)壓力：0.8MPa

管道等級(jí)：SHB3 檢測(cè)比例：10%(RT)

焊口編號(hào)：2G

1.2 需修補(bǔ)焊縫的動(dòng)火位置情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，需修補(bǔ)的焊縫的動(dòng)火點(diǎn)3D管道示意圖如圖1。

圖1 缺陷焊縫（動(dòng)火點(diǎn)）3D管道位置圖

該管道現(xiàn)狀情況如圖2。

圖2

2 不停產(chǎn)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(dá)到3mm以上，加上內(nèi)部焊縫余高1～2mm，焊縫的厚度保守估計(jì)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(nèi)部焊縫余高1～2mm，保守估計(jì)在3.5mm左右，但在計(jì)算時(shí)，不計(jì)內(nèi)部焊縫余高。

圖3 焊縫缺陷層各點(diǎn)厚度

（1）定量分析。該燃?xì)夤艿酪?guī)格為φ273×6.35，材質(zhì)為20#鋼，制造標(biāo)準(zhǔn)為GB/T8163。在不考慮腐蝕余量（新建管道）、管道內(nèi)部焊縫余高的前提下，將該焊縫視為直管上的一部分，根據(jù)缺陷焊縫最薄處（如圖3所示）計(jì)算該處焊縫的計(jì)算厚度如下：

其中，P取0.8MPa，即設(shè)計(jì)壓力；Do為273mm，即管道外徑；，取130MPa，為20℃下的許用應(yīng)力；Ej取0.9，即在局部檢測(cè)的情況下，單面焊雙面成型的焊縫系數(shù)；Y取0.4，按“鐵素體鋼”在不超過(guò)482℃時(shí)的系數(shù)取值。

將各項(xiàng)代入公式，得ts=0.985mm，而此處的最薄厚度為2.5mm。

結(jié)論：在當(dāng)時(shí)的操作壓力條件下，即便打磨至缺陷處，管道運(yùn)行也是安全的。

（2）定性分析。不停產(chǎn)帶壓修補(bǔ)措施，在打磨階段維持管內(nèi)壓力在0.3MPa的條件下該管道可以正常運(yùn)行，但按焊縫厚度減薄率推算焊縫機(jī)械性能約減弱50%，雖能確保在0.3MPa時(shí)的暫時(shí)運(yùn)行安全，但卻無(wú)法保證在溫度、壓力變化劇烈的極限條件下安全運(yùn)行，因溫度、壓力急劇變化會(huì)產(chǎn)生軸向推、拉應(yīng)力造成最薄弱處產(chǎn)生斷裂，從而導(dǎo)致事故發(fā)生。

結(jié)論：必須在工程正式投產(chǎn)前消除隱患。當(dāng)時(shí)燃料氣管道已投用，運(yùn)行壓力為0.3MPa。在各裝置尚未投產(chǎn)，該系統(tǒng)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(duì)常壓裝置乃至整個(gè)煉廠試車的影響，擬采用不停產(chǎn)在線焊縫修補(bǔ)措施。

2.2 焊穿可能性分析

根據(jù)2.1條的分析，管內(nèi)壓力對(duì)于焊接熔穿是比較大的影響因素，本文對(duì)管道內(nèi)部壓力維持在微正壓狀態(tài)時(shí)焊接熔穿可能性進(jìn)行以下分析。

（1）微正壓保護(hù)焊接技術(shù)分析。工況狀態(tài)分析：該燃?xì)夤艿廊毕莺缚p焊層厚度2.5～3.7mm，因管道內(nèi)部帶壓，所以要考慮熔深控制，一般地在控制在1.6mm以下，對(duì)焊縫最薄處進(jìn)行極限修正，修正后在焊接狀態(tài)下，該處最小焊縫厚度應(yīng)不小于0.9mm（仍不考慮焊道內(nèi)部余高，以提高修補(bǔ)時(shí)的安全系數(shù)）。

（2）缺陷焊道帶壓修補(bǔ)壓力極限控制。

（1）帶壓施焊的最高壓力理論計(jì)算。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，管道允許的帶壓施焊的最高壓力符合下列公式：

其中，F(xiàn)取0.4，即安全系數(shù)；D取273mm，即管道外徑；σs取41MPa，為475℃下的許用應(yīng)力（考慮熔池?zé)嵊绊憛^(qū)的最高溫度）；tw取2.5mm，即焊接處管道實(shí)際壁厚（不考慮焊縫內(nèi)部余高）；c取1.4mm，因焊接引起的壁厚修正量。

將各項(xiàng)代入式中，得pw=0.1322MPa。

結(jié)論：在焊縫修復(fù)作業(yè)期間，管道系統(tǒng)最高壓力不大于0.1322MPa，即可進(jìn)行修復(fù)作業(yè)。

（2）壓力和流速等相關(guān)參數(shù)設(shè)定。①產(chǎn)生熔池?fù)舸┣闆r下氣體溢出最高流速的設(shè)定：缺陷焊縫處在修復(fù)時(shí)，考慮到熔池對(duì)該處壁厚的影響，有可能產(chǎn)生擊穿，擊穿后天然氣會(huì)被電弧引燃，根據(jù)生物對(duì)氣流流速限定的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，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(chǎn)生熔池?fù)舸烊粴鈴谋粨舸┨幰绯霾⒈浑娀∫?，也不至于?duì)防護(hù)到位的焊接人員和輔助焊接的監(jiān)護(hù)人員產(chǎn)生傷害。②管內(nèi)氣體的壓力的設(shè)定：此處管內(nèi)氣體壓力，按照民用標(biāo)準(zhǔn)予以設(shè)定，即低壓城鎮(zhèn)燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)范圍為≦0.01MPa，為安全起見(jiàn)，將管內(nèi)氣體壓力減半設(shè)定，即=0.005MPa（為管道內(nèi)壓也是表壓，對(duì)應(yīng)地管道外壓為即大氣壓）。③管內(nèi)流速計(jì)算：根據(jù)伯努利方程，在流體為氣體時(shí)，有，其中C是恒定的常數(shù)。所以，產(chǎn)生熔池?fù)舸r(shí)，管內(nèi)外的壓力和流速有恒定關(guān)系式如下：

3 在線不停產(chǎn)焊縫修補(bǔ)措施

3.1 管道系統(tǒng)壓力平衡措施

首先，需要由業(yè)主操作人員通過(guò)一系列操作將該管道系統(tǒng)內(nèi)天然氣通過(guò)燃燒或放空方式降至5000Pa左右，保持所有系統(tǒng)閥門的開(kāi)度，維持系統(tǒng)流量，將壓力穩(wěn)定在這個(gè)值。

3.2 焊接方式采用以及相關(guān)安全措施

（1）擬采用氬弧焊進(jìn)行加固性補(bǔ)焊。氬弧焊的優(yōu)點(diǎn)是送絲及氬弧焊把擺動(dòng)容易控制，輸入線能量較小且集中（受熱面積小，為點(diǎn)狀）；缺點(diǎn)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(dòng)，盡快熔敷，如此則熔穿可能性較??；正式填充層以及蓋面層采用手工電弧焊進(jìn)行。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，在大氣壓力、管內(nèi)無(wú)流動(dòng)介質(zhì)的情況下，剩余壁厚0.180”（相當(dāng)于4.572mm），使用相應(yīng)限定條件下焊條進(jìn)行手工電弧焊的修補(bǔ)也不會(huì)產(chǎn)生燒穿，而且是相當(dāng)保守的。在上述設(shè)定的情況下對(duì)于修補(bǔ)人員來(lái)說(shuō)是安全的。

（2）優(yōu)選有帶壓作業(yè)經(jīng)驗(yàn)的焊工進(jìn)行施焊；焊工應(yīng)具有5G或6G焊接合格項(xiàng)目資格。

（3）施焊前，用可燃?xì)鉂舛葯z測(cè)儀對(duì)作業(yè)環(huán)境進(jìn)行可燃?xì)鉂舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)，可燃?xì)鉂舛炔淮笥?%為合格；且測(cè)定風(fēng)速，人員需要站在上風(fēng)口處進(jìn)行焊接，如果無(wú)風(fēng)，可以采用軸流風(fēng)機(jī)制造風(fēng)場(chǎng)，確保施焊人員和配合人員在上風(fēng)口處進(jìn)行作業(yè)。

（4）施焊點(diǎn)應(yīng)設(shè)置獨(dú)立接地系統(tǒng)最大電阻不大于10Ω。距離焊口修復(fù)處500mm左右應(yīng)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(dāng)大于10Ω時(shí)，應(yīng)添加減阻劑降阻。

（5）焊機(jī)地線與工件連接應(yīng)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(shè)處管道表面油漆應(yīng)用砂紙打磨干凈直至見(jiàn)到金屬光澤（不低于St3級(jí)），以增大焊接電流通過(guò)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(shù)措施

（1）減小線能量輸入。為了確保獲得更優(yōu)質(zhì)的焊縫，現(xiàn)場(chǎng)采用氬弧焊加固的焊接工藝進(jìn)行缺陷焊道修復(fù)。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(jìn)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(yán)格控制熔深。第一遍焊接，應(yīng)采取薄層多道焊、斷續(xù)焊、適當(dāng)拉長(zhǎng)電弧施焊等操作手法，把熔深控制在1.6mm以內(nèi)；連續(xù)焊接時(shí)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(xiàn)場(chǎng)應(yīng)持續(xù)對(duì)焊道熔池溫度進(jìn)行檢測(cè)；并嚴(yán)格按照焊接工藝評(píng)定或焊接工藝卡參數(shù)進(jìn)行施焊。

3.4 焊后檢測(cè)

按X射線探傷的規(guī)范要求，修補(bǔ)后的焊縫需怠置24小時(shí)以上，以便充分釋放焊接應(yīng)力，其合格級(jí)別不低于II級(jí)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述缺陷焊縫修補(bǔ)技術(shù)的應(yīng)用分析，對(duì)生產(chǎn)連續(xù)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(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)管壁減薄處如需在線修補(bǔ)，有著較好的實(shí)踐應(yīng)用和借鑒意義。目前，國(guó)家對(duì)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(bǔ)采用氮?dú)庵脫Q后再行修補(bǔ)會(huì)更加安全，對(duì)連續(xù)性生產(chǎn)的影響會(huì)降至較低水平。