王新

(石油天然氣克拉瑪依工程質(zhì)量監(jiān)督站，新疆 克拉瑪依 834000)

雙金屬復(fù)合管焊接工藝研究與應(yīng)用

王新

(石油天然氣克拉瑪依工程質(zhì)量監(jiān)督站，新疆 克拉瑪依 834000)

為了提高20#碳鋼基管+316L不銹鋼內(nèi)襯管雙金屬復(fù)合管的焊接一次合格率以及生產(chǎn)效率，研究了該材質(zhì)的焊接工藝參數(shù)，并采用該參數(shù)進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，評定合格后進(jìn)行了工程應(yīng)用。結(jié)果表明，該工藝焊接工序步驟簡單，焊接一次合格率由不到70%提高至90%以上，提高了工程焊接效率，確保了工程順利投產(chǎn)。

20#碳鋼基管；316L不銹鋼內(nèi)襯管；雙金屬復(fù)合管；焊接工藝研究

0 前言

七中區(qū)克下組油藏復(fù)合驅(qū)工業(yè)化試驗(yàn)地面建設(shè)工程是中石油股份公司2007年的重大開發(fā)試驗(yàn)項(xiàng)目，也是新疆克拉瑪依油田迄今為止規(guī)模最大的化學(xué)驅(qū)現(xiàn)場試驗(yàn)項(xiàng)目，試驗(yàn)成功后預(yù)計(jì)可提高克拉瑪依油田老區(qū)油藏最終采收率16%。在該工程中，采用了大量各種規(guī)格的雙金屬復(fù)合管(20#碳鋼基管和316L不銹鋼內(nèi)襯管組成)。該管材屬于新一代設(shè)計(jì)產(chǎn)品，在新疆油田地面建設(shè)工程中未曾使用，焊接工藝尚不成熟，處于摸索階段。2010年3月，經(jīng)過對七中區(qū)克下組油藏復(fù)合驅(qū)工業(yè)化試驗(yàn)地面建設(shè)工程所用雙金屬復(fù)合管管材的試焊、焊縫無損檢測和力學(xué)性能試驗(yàn)，接頭的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合《鋼制管道焊接及驗(yàn)收》SY／T4103-2006的要求。2010年6月，該工藝在七中區(qū)克下組油藏復(fù)合驅(qū)工業(yè)化試驗(yàn)地面建設(shè)工程中取得了滿意的效果。

1 雙金屬復(fù)合管的性能特點(diǎn)

雙金屬復(fù)合管是一種新型耐磨管道，鋼管外層采用20#普通鋼管，通過離心成型工藝形成316L不銹鋼高鉻內(nèi)襯復(fù)合而成。該管道與傳統(tǒng)的耐磨合金鑄鐵、耐磨合金鑄鋼、鋼-陶瓷復(fù)合管及鑄石管相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)耐磨性能好，充分發(fā)揮高鉻鋼材的耐磨性能。

(2)使用內(nèi)襯同外層鋼管結(jié)合緊密，采用特殊工藝，復(fù)合層之間形成熔接，保證運(yùn)行的可靠性。

(3)能承受較大的壓力，各項(xiàng)機(jī)械性能及工藝性能較全不銹鋼有所提高和完善，可取代全不銹鋼管，從而大大降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

2 焊接工藝評定

2.1 評定依據(jù)

通過破壞性力學(xué)試驗(yàn)(刻槽錘斷試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)等)來檢驗(yàn)采用此工藝焊接的接頭質(zhì)量、性能是否符合《鋼制管道焊接及驗(yàn)收》SY／T4103-2006規(guī)范第五章焊接工藝評定的相關(guān)規(guī)定。

2.2 評定試驗(yàn)環(huán)境

(1)環(huán)境溫度不得低于5℃。

(2)環(huán)境濕度小于等于90%RH。

(3)環(huán)境風(fēng)速：鎢極氬弧焊小于等于2.2 m／s，焊條電弧焊小于等于8 m／s。

2.3 焊前準(zhǔn)備

(1)試管材質(zhì)選用雙金屬復(fù)合管，由20#碳鋼基管和316L不銹鋼內(nèi)襯管組成，規(guī)格φ 76mm×(7+2)mm。

(2)接頭形式設(shè)計(jì)如圖1所示。V型對接，δ＝7mm，坡口角度α＝55°～60°，鈍邊p＝2mm，間隙b＝2～3 mm，內(nèi)襯管伸出基管c＝2～3 mm；錯(cuò)邊小于等于1.6 mm，蓋面焊縫寬w：兩側(cè)每邊比外表面坡口寬0.5～2.0 mm，余高h(yuǎn)＝0～2 mm。

圖1 焊道坡口

(3)焊道層數(shù)設(shè)計(jì)如圖2所示。合計(jì)五層，第一層為封口焊，第二層為打底焊，第三層為熱焊，第四層為填充焊，第五層為蓋面焊。

圖2 焊道層數(shù)

(4)焊接方法：鎢極氬弧焊+焊條電弧焊。

(5)焊材。焊絲H03Gr21Ni10Si／φ 2.0mm、H03Gr24 Ni13Si／φ 1.6 mm，填充蓋面焊焊條為J427／φ 2.5 mm、J427／φ 3.2 mm。

(6)保護(hù)氣體配比。鎢極氬弧焊為氣保護(hù)焊，保護(hù)氣體選用Ar氣，尾部氣體流量8～10 L／min，背面氣體流量10～12 L／min，Ar氣純度不低于99.96%。

(7)試件清理。焊接前必須清理干凈焊件坡口兩側(cè)內(nèi)外表面各20 mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹、水和其他影響焊縫性能的外來物質(zhì)，直至露出金屬光澤。

(8)試件預(yù)熱。采用火焰加熱，加熱寬度為坡口兩側(cè)各大于等于50 mm，預(yù)熱溫度100℃～150℃。

2.4 焊接工藝

(1)從事焊接工藝評定的焊接技術(shù)人員、焊接質(zhì)檢人員、焊工和預(yù)熱人員的資格應(yīng)符合《鋼制管道焊接及驗(yàn)收》SY／T 4103-2006中相關(guān)規(guī)定的要求。

(2)焊接參數(shù)如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

2.5 焊縫外觀及無損檢測

試管經(jīng)外觀檢查合格后，其內(nèi)部質(zhì)量經(jīng)X射線探傷達(dá)到《承壓設(shè)備無損檢測》JB4730-2005相關(guān)規(guī)定的要求。

2.6 力學(xué)性能試驗(yàn)

試管按照《鋼制管道焊接及驗(yàn)收》SY／T 4103-2006的規(guī)定，在相應(yīng)部位加工好試件后，經(jīng)刻槽錘斷試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)，其內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到《鋼制管道焊接及驗(yàn)收》SY／T 4103-2006相關(guān)規(guī)定的要求，評定合格。各項(xiàng)力學(xué)試驗(yàn)的具體數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

2.7 評定試驗(yàn)過程中的問題及解決措施

表2 刻槽錘斷試驗(yàn)(室溫)

表3 彎曲試驗(yàn)(室溫)

(1)坡口處理。雙金屬復(fù)合管由不銹鋼制內(nèi)襯管和碳鋼制基管組成，需要將基管的焊接面處理成角度55°～60°的V形坡口，內(nèi)襯管伸出基管2～3 mm。在加工坡口過程中，必須注意內(nèi)襯管與基管之間交界處圓滑過渡，過渡越光滑，出現(xiàn)未熔缺陷的可能性越低。

(2)焊前預(yù)熱?？紤]到不銹鋼與碳鋼的膨脹系數(shù)差別較大，在焊接時(shí)提前預(yù)熱，溫度控制在100℃～150℃。

(3)封口焊。考慮到不銹鋼與碳鋼的膨脹系數(shù)相差較大，首先用鎢極氬弧焊焊接基管和內(nèi)襯管間的連接端口，焊材選用不銹鋼焊絲且焊接電流為50～80 A。在焊接過程中，基管和內(nèi)襯管間的折角處易出現(xiàn)未熔合缺陷，所以該處焊接速度不宜過大。

(4)打底焊。用鎢極氬弧焊焊接內(nèi)襯管間的連接端口，焊材選用不銹鋼焊絲且焊接電流為60～90 A。焊接過程中存在的主要問題是引弧易穿絲，平焊位置易出現(xiàn)焊瘤，仰焊位置易出現(xiàn)內(nèi)凹，這些問題均可通過調(diào)節(jié)手動送絲的快慢、焊接速度、焊槍角度等予以解決。

(5)熱焊。采用鎢極氬弧焊焊接，主要問題是封口焊與打底焊之間易出現(xiàn)未熔合缺陷，所以焊前需對該處進(jìn)行打磨以確保圓滑過渡，焊接過程中該處的焊接速度不宜過大。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 工程應(yīng)用

七中區(qū)克下組油藏復(fù)合驅(qū)工業(yè)化試驗(yàn)地面建設(shè)工程位于克拉瑪依市白堿灘地區(qū)，屬于新疆油田公司采油二廠管轄區(qū)，距克拉瑪依市約28 km。該工程是在已開發(fā)的老油田區(qū)域?qū)嵤┑谌尾捎?，共有注入?8口、采油井26口、二元注入站1座，已于2010年9月建成投產(chǎn)。該工程管線主要采用雙金屬復(fù)合管，管線規(guī)格最大φ 356 mm×8(+2)mm，最小φ 22 mm×4(+1)mm，材質(zhì)20#碳鋼基管和316L不銹鋼內(nèi)襯管組成，最大設(shè)計(jì)壓力25 MPa。2010年6月，首次在該工程應(yīng)用了雙金屬復(fù)合管焊接工藝技術(shù)，共計(jì)焊接約600道焊口，焊縫外觀質(zhì)量良好，總體一次合格率91.3%。

3.2 現(xiàn)場施焊的注意事項(xiàng)

(1)由于鎢極氬弧焊焊接工藝使用Ar氣保護(hù)，抗風(fēng)能力較差，所以在現(xiàn)場施工時(shí)焊接應(yīng)在防風(fēng)棚內(nèi)進(jìn)行，在焊接管段一端加裝盲板并在管內(nèi)充氬氣，以避免穿堂風(fēng)，保證氣保護(hù)效果。

(2)檢查保護(hù)氣體的氣瓶壓力和氣路是否通暢，是否符合焊接工藝規(guī)程的使用要求，每次焊接前都應(yīng)進(jìn)行試氣，這樣既可以將氣路中前段不純的保護(hù)氣排除，也可以進(jìn)一步確定氣瓶壓力。

(3)焊接前，應(yīng)在試件上進(jìn)行試焊以檢驗(yàn)保護(hù)氣體純度，盡可能減少因氣體純度而產(chǎn)生的焊縫質(zhì)量問題。

(4)不銹鋼與碳鋼的膨脹系數(shù)差別較大，在焊接時(shí)應(yīng)提前預(yù)熱，溫度控制在100℃～150℃，焊接時(shí)不間斷地對復(fù)合管材兩端加熱，使兩端氣溫穩(wěn)定，然后采用氬弧焊焊接技術(shù)進(jìn)行封焊。

(5)內(nèi)襯管與基管之間交界處以及封口焊與打底焊之間交界處，在焊接過程中易出現(xiàn)未熔缺陷，焊工必須在培訓(xùn)期間，通過每天的焊件外觀檢查以及無損檢測，不斷提高焊接水平，確保焊接質(zhì)量。

4 創(chuàng)新效果

本焊接工藝步驟簡單，所用焊接材料少，摸索出了從封焊到根焊、熱焊的焊接工序，解決了內(nèi)襯管與基管之間交界處以及封口焊與打底焊之間交界處的未熔缺陷，將雙金屬復(fù)合管焊接一次合格率由不足70%提高至90%以上，大大提高了生產(chǎn)效率，確保了工程順利進(jìn)行。

Study on welding technology of double metal composite pipe

WANG Xin
(Quality Supervision Station，Karamay Petroleum Engineering，Karamay 834000，China)

In order to improve welding qualified rate and working efficiency of double metal composite pipe with 20#Carbon steel base tube and 316Lstainless steel inner liner，the paper introduces the study on the welding process parameters，welding procedure qualification which is applied on project after approved.The result of appliction proves that the welding procedure is simple and effective，which welding qualified rate is improved from 70%before to over 90%and ensures the smooth commissioning of the project.

20#Carbon steel base tube；316Lstainless steel inner liner；double metal composite pipe；research on welding technology

TG457.6

B

1001-2303(2011)07-0071-03

2011-01-06

王 新(1962—)，男，甘肅人，學(xué)士，工程師，主要從事石油工程建設(shè)技術(shù)管理的工作。