楊大慶 侯鐸 劉輝

1.延長油田股份有限公司子北采油廠 2.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院3.川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院

油氣集輸管線焊接質(zhì)量安全評價

楊大慶1,2侯鐸2劉輝3

1.延長油田股份有限公司子北采油廠 2.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院3.川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院

為綜合改善和提高油氣集輸管線焊接質(zhì)量及其安全監(jiān)督管理水平,針對油氣集輸管線焊接質(zhì)量壽命及其安全問題,采用理化性能檢驗,顯微組織、無損探傷以及斷口顯微分析等檢驗方法,對焊接管道質(zhì)量安全進(jìn)行綜合評價。通過分析某集輸管線焊接管道整體性能,對油氣集輸管線焊接管道化學(xué)成分、力學(xué)性能、硬度以及使用過程中產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行了綜合檢測和評價,具體分析了管線及焊縫處疏松、夾雜等缺陷,并通過顯微觀察斷面形貌判斷斷裂方式,通過X -rays無損檢測方法對缺陷進(jìn)行驗證。結(jié)果表明,管線在高壓服役條件下,經(jīng)長時間的疲勞作用發(fā)生應(yīng)力集中從而造成管線的破壞。據(jù)此提出了油氣集輸管線焊接質(zhì)量及安全性控制要點,分別從焊口檢查、鋼管對口、預(yù)熱、焊接過程控制以及焊縫返修等提出了對焊接工藝的改進(jìn)措施,以期為油氣集輸管線焊接管道的生產(chǎn)建設(shè)和安全運行提供保障。

油氣集輸工程 集輸管線 焊接工藝 安全評價

焊接技術(shù)作為長輸油氣管道工程施工的關(guān)鍵技術(shù),直接關(guān)系到工程質(zhì)量、施工效率、施工成本以及管線運行期間的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)效益[1]。油氣集輸管線通常在惡劣的工作環(huán)境或高壓條件下服役,經(jīng)過管線失效形式和失效原因的分析評價,提出管線的主要性能要求是高強度、高韌性、可焊接性和耐蝕性[2-3]。焊接管道焊接性能受焊材選擇、焊接方法和設(shè)備、焊接工藝等因素的影響[4]。對焊接表面施加適當(dāng)?shù)膲毫?焊接材料將由彈性向塑性過渡,促進(jìn)分子相互擴散并擠去焊縫中的殘余空氣,從而增加焊接面密封性能[5];當(dāng)熱功率一定時,熱熔時間不夠會出現(xiàn)虛焊,時間過長會造成焊件變形,熔渣溢出,有時還會在非焊接部位出現(xiàn)熱斑;只有當(dāng)焊接面吸收足夠的熱量并達(dá)到充分熔融的狀態(tài),才能保證分子間充分?jǐn)U散融合,也只有足夠的冷卻時間才能使焊縫達(dá)到足夠的強度[6];熱熔時間和熱功率最優(yōu)化的參數(shù)配合才會得到最合理的熔融量,從而保證足夠的分子間融合,消除虛焊的現(xiàn)象[7]。本文通過焊接管道理化性能、管材顯微組織及其斷口分析數(shù)據(jù),綜合評價集輸管線焊接管道整體性能,探討集輸管線焊接管道質(zhì)量安全的影響因素,提出集輸管線焊接管道的安全使用與防護(hù)方案。

1 實驗數(shù)據(jù)分析與討論

1.1 理化性能檢驗

在四川某集輸管線上截取試樣分別按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行理化性能試驗,管線母材和焊縫的化學(xué)成分、力學(xué)性能綜合測試結(jié)果見表1、2。

表1 集輸管線母材、焊縫處化學(xué)成分分析結(jié)果表1)

管線試樣母材和焊縫的化學(xué)成分、母材的力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 699—1999《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對10#鋼的要求。從力學(xué)性能方面分析,焊縫與母材強度相近,但兩者沖擊韌性相差較大,該管線長時間在高壓環(huán)境下工作可能出現(xiàn)局部開裂或損傷。

表2 集輸管線母材、焊縫處力學(xué)性能分析結(jié)果表

1.2 拉伸沖擊試樣斷口分析

母材拉伸試樣宏觀斷口特征由纖維區(qū)、剪切唇及放射區(qū)3部分組成,屬于韌性斷裂,未發(fā)現(xiàn)明顯的原始缺陷(圖1);焊縫拉伸試樣其中兩件斷在母材,一件斷在焊縫處。從宏觀上看,都是韌性斷口,具有韌窩形貌特征,存在氣孔、未焊透等缺陷;母材室溫沖擊試樣斷口屬韌性斷口,在-10℃下沖擊試樣斷口纖維區(qū)較少,以脆斷為主;焊縫沖擊試樣宏觀上觀察斷口由晶狀區(qū)、纖維區(qū)及剪切唇3部分組成,大部分為晶狀區(qū),纖維區(qū)較少,以脆斷為主,屬于韌—脆性混合型斷口,存在氣孔、未焊透缺陷,如圖2所示;-10℃下沖擊試樣斷口纖維區(qū)較少,具有解理、準(zhǔn)解理形貌以及泥狀花樣特征,以脆斷為主,存在氣孔、未焊透等缺陷(圖3、4)。

圖1 室溫母材拉伸斷口宏觀形貌圖

圖2 室溫焊縫沖擊斷口微觀形貌——韌窩、夾雜圖

這些缺陷產(chǎn)生的原因在于管線焊接過程中焊接質(zhì)量的控制存在問題。如焊口邊緣不清潔;焊條或焊劑未按規(guī)定焙烘;焊芯銹蝕或藥皮變質(zhì)、剝落;焊縫邊緣殘留熔渣;焊接速度控制不當(dāng)?shù)纫幌盗胁僮鞑划?dāng)而引發(fā)的。為避免氣孔、未焊透以及脆性極大等缺陷,在長輸油氣管線焊接過程中應(yīng)特別注意選擇合適的工藝參數(shù),嚴(yán)格控制焊接材料使用范圍以及焊接速度。

圖3 -10℃管焊縫沖擊斷口微觀形貌——疏松、夾雜圖

圖4 -10℃焊縫沖擊斷口形貌——泥狀花紋圖

1.3 X射線探傷檢測及缺陷分析

觀察1.2理化性能檢測中拉伸試樣斷口發(fā)現(xiàn):焊縫處部分拉伸試樣、焊縫沖擊試樣存在明顯未焊透和氣孔兩種缺陷。為進(jìn)一步驗證缺陷,對試樣進(jìn)行X-rays探傷證實焊縫處確實存在未焊透、條孔等缺陷。按JB/T 4730—2005《承壓設(shè)備無損檢測》評定:該管線試樣Ⅳ級片6張,其中未焊透缺陷最大尺寸為9 mm,存在7 mm的條孔缺陷。檢測試樣焊縫左右兩側(cè)管體壁厚發(fā)現(xiàn),焊縫左、右兩側(cè)平均壁厚分別為8.06 mm和7.59 mm。綜合數(shù)據(jù)顯示該管線在外加應(yīng)力作用下,發(fā)生應(yīng)力集中從而造成管線損傷、破壞的可能性較大。如能在該管線正常運行期間進(jìn)行無損檢測,便可及時發(fā)現(xiàn)并修補缺陷,亦可延長該管線的使用壽命,且對管線的生產(chǎn)運行不產(chǎn)生任何影響。

1.4 顯微組織及夾雜物分析

顯微組織及夾雜物分析結(jié)果表明:管線母材顯微組織為鐵素體+珠光體,有少量帶狀組織,且晶粒度為7.5級(圖5);熱影響區(qū)組織為鐵素體+珠光體,晶粒度分布極不均勻,范圍為5.5～9.5級(圖6);焊縫熔池組織為鐵素體+少量珠光體+少量魏氏組織,晶粒度為8.5級(圖7、8)。綜合評定該管線焊縫熔合情況為完全熔合。

圖5 焊縫一側(cè)母材顯微組織,晶粒度7.5(×100)

圖6 母材近熱影響區(qū)顯微組織(×100)

綜合以上結(jié)果發(fā)現(xiàn):管線選材、加工等工藝性能符合要求;焊縫處存在未焊透、氣孔、疏松以及夾雜等缺陷,其中發(fā)現(xiàn)未焊透缺陷最大尺寸為9 mm,存在7 mm的條孔缺陷;管線試樣焊縫拉伸試樣中存在1.86 mm×1.04 mm的氣孔缺陷;焊縫處硬度高于左右兩側(cè)母材硬度,且母材、焊縫、熱影響區(qū)晶粒度相差較大。這些因素的積累極大程度地造成管線在運行期間發(fā)生損失或失效。因而提出對油氣集輸管線進(jìn)行定期安全監(jiān)督檢驗,發(fā)現(xiàn)缺陷、立即修補的措施:加強管材及其焊接質(zhì)量的檢驗,從管線建設(shè)初期抑制管線損傷或失效;集輸管線生產(chǎn)運行過程中,按規(guī)定進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng),加強巡線、加強對集輸管線的監(jiān)控、監(jiān)管力度;充分利用數(shù)字管道技術(shù),通過全方位的收集管道沿線及周邊信息對管線進(jìn)行實時監(jiān)控以及周期性監(jiān)測檢驗,全面提高集輸管線環(huán)境保護(hù)管理的針對性和有效性。

圖7 焊縫焊肉外層顯微組織,F+P+W(×100)

圖8 焊縫融合區(qū)顯微組織(×100)

2 結(jié)論及建議

通過實驗,發(fā)現(xiàn)該集輸管線主要存在兩方面安全問題:①焊縫與母材強度相近,但兩者沖擊韌性相差較大,該管線長時間在高壓環(huán)境下服役局部產(chǎn)生開裂或損傷;②該管線在外加應(yīng)力作用下,經(jīng)過長時間的疲勞作用發(fā)生應(yīng)力集中從而造成管線損傷、破壞。

集輸管線焊接質(zhì)量及安全性應(yīng)從以下方面控制:①嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)對管線焊接質(zhì)量進(jìn)行控制;②焊口檢查與清理,鋼管對口、焊前預(yù)熱等操作工序應(yīng)嚴(yán)格把關(guān);③加強焊接過程控制以及焊縫返修;④周期性監(jiān)控并對焊縫進(jìn)行無損檢測,從而保證管線的正常運行。

[1]李為衛(wèi),左晨.石油天然氣管道焊接材料發(fā)展現(xiàn)狀及建議[J].現(xiàn)代焊接,2007(11):1-8.

[2]霍春勇,董玉華,高惠臨.長輸天然氣管線的故障樹研究[J].天然氣工業(yè),2005,25(10):99-101.

[3]宋元麗,孫亮,張秀榮,等.淺談長輸管道的焊接技術(shù)及發(fā)展[J].金屬加工,2009(14):28-30.

[4]史耀武.油田集輸管線焊接技術(shù)的新發(fā)展[J].電焊機, 2005,35(9):37-42.

[5]譚平.天然氣管線壓力脈動激振分析[J].天然氣工業(yè), 2005,25(9):107-109.

[6]李蒼.淺談長輸管道的焊接質(zhì)量控制[J].廣東化工,2009, 36(2):95-107.

[7]魏超文,王勇,李立英,等.壓力管道焊接粗晶區(qū)組織與硬度研究[J].壓力容器,2010,27(4):9-13.

Quality-safety assessment of welding in oil and gas pipelines

Yang Daqing1,2,Hou Duo2,Liu Hui3
(1.Zibei Oil Production Plant,Yanchang Oilfield Co.,L td.,Zichang County,Shaanxi 717300,China;2. School of Petroleum Engineering,Southw est Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China;3. HSE Supervision and Testing Institute,Chuangqing D rilling Engineering Co.,L td.,CN PC,Guanghan, Sichuan 618300,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 11,pp.106-109,11/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

In order to comp letely imp rove both the welding quality and management levelof safety supervision in oil and gas gathering and transpo rting pipelines,an overall evaluation is conducted on the quality and safety of in-service welding,by use of such methods as testing the physical and chemical p roperties,microstructure,nondestructive testing,and fracturemicroanalysis,etc..Through an analysis of the overall perfo rmance of the welded pipelines,measurement and app raisal are conducted tho roughly on chemical constituents,mechanical p roperties,hardness,and defects in use,a concrete analysis is also made on the welding seam defects and slag in weld,fracturemodes are judged by fracturemorphology throughmicroscopic observation,and the X-rays non-destructive detection is used for further testing and validation of those defects.The results show that pipelinesw ill be inevitably damaged by a concentrated stress due to long-time fatigue under high p ressure service.Acco rding to the testing results,this paper emphasizes the impo rtance and necessity of safety supervision for in-servicewelding in oil and gaspipelines,and p roposes some imp rovementmeasures in the aspects of welding inspection,steel butt joint,p reheating,weld repair p rocess control,etc.for the welding technology in oil and gas pipelines.A ll above this w ill p rovide assurance fo r smooth construction and safe operation in the welding of oil and gas pipelines. Key words:oil and gas gathering and transporting engineering,gathering and transporting pipeline,welding technology,safety evaluation

楊大慶,1966年生,高級工程師,博士研究生;從事油氣田開發(fā)以及油氣田材料應(yīng)用研究工作。地址:(717300)陜西省子長縣延長油田股份有限公司子北采油廠。電話:13991797615。E-mail:zbcyckfk@163.com

楊大慶等.油氣集輸管線焊接質(zhì)量安全評價.天然氣工業(yè),2010,30(11):106-109.

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.11.027

2010-07-15 編輯 趙 勤)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.11.027

Yang Daqing,senior engineer,born in 1966,is studying for a Ph.D degree,beingmainly engaged in research of oil and gas field development and material app lication in fields.

Add:Zichang County,Shaanxi 717300,P.R.China