張瑞峰，王戰(zhàn)勇，方新，劉吉飛，邵艷紅

碳鋼內(nèi)襯625合金復(fù)合管設(shè)計(jì)技術(shù)研究

張瑞峰，王戰(zhàn)勇，方新，劉吉飛，邵艷紅

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司，天津 300450）

對(duì)于高含硫化氫(H2S)等腐蝕性介質(zhì)的石油天然氣管道，傳統(tǒng)的防腐措施難以滿(mǎn)足日益發(fā)展的工程需要，通過(guò)對(duì)碳鋼內(nèi)襯英科耐爾(Inconel)625合金復(fù)合管設(shè)計(jì)技術(shù)研究，基于625材料良好的抗硫化氫性能，可以有效提高625合金復(fù)合管質(zhì)量，使鎳基合金雙金屬?gòu)?fù)合管以更加優(yōu)異的力學(xué)性能和耐蝕性能而得以在高含硫化氫(H2S)等腐蝕性介質(zhì)的石油天然氣管道中更加廣泛的應(yīng)用。

合金復(fù)合管；耐蝕性能；高含硫化氫管道

對(duì)于高含硫化氫(H2S)等腐蝕性介質(zhì)的石油天然氣管道，傳統(tǒng)的防腐措施難以滿(mǎn)足日益發(fā)展的工程需要，基于英科耐爾(Inconel)625材料良好的抗硫化氫性能，內(nèi)部堆焊英科耐爾625的 鎳基合金雙金屬?gòu)?fù)合管以其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐蝕性能而得以在高含硫化氫(H2S)等腐蝕性介質(zhì)的石油天然氣管道中開(kāi)始廣泛應(yīng)用，并展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。

1 研究背景

由于目前石油天然氣資源的減少，開(kāi)發(fā)難度的增大，含有大量硫化氫介質(zhì)的石油天然氣油田提上開(kāi)發(fā)日程。此類(lèi)油氣田中油氣處理管線(xiàn)易腐蝕，危險(xiǎn)性極高，一旦發(fā)生系統(tǒng)故障或者泄露，可導(dǎo)致資產(chǎn)損失、環(huán)境污染、停產(chǎn)維修，甚至生命安全問(wèn)題。所以本項(xiàng)目采用純材625管線(xiàn)和碳鋼內(nèi)堆焊625材料管線(xiàn)以降低故障和泄露風(fēng)險(xiǎn)。一般情況下， 4英寸（10.16 cm）及以下管道采用了純材英科耐爾625材質(zhì)；6英寸（15.24 cm）及以上的主工藝管道和海管均采用了碳鋼內(nèi)堆焊英科耐爾625的材質(zhì)。

卡塔爾NFA項(xiàng)目的業(yè)主是卡塔爾國(guó)家石油公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)QP），QP有著完備的質(zhì)量管理體系和技術(shù)體系，而且要求極為嚴(yán)格。該項(xiàng)目要求符合卡塔爾國(guó)家法律法規(guī)、項(xiàng)目的技術(shù)文件要求、QP公司的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和SHELL技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、ISO和ASME/API等國(guó)際規(guī)范。卡塔爾NFA項(xiàng)目WHP3平臺(tái)油井壓力較高（管道設(shè)計(jì)壓力高達(dá)34.5兆帕，管道等級(jí)達(dá)到2500磅），所以碳鋼內(nèi)襯英科耐爾625的管道的設(shè)計(jì)壁厚較大，超過(guò)了常規(guī)的ASME系列管道壁厚，需要采用非ASME標(biāo)準(zhǔn)壁厚。管道最大尺寸是20英寸（50.8 cm），20英寸（50.8 cm）管道壁厚達(dá)到79.8 mm，管道直徑和壁厚遠(yuǎn)超其他項(xiàng)目同類(lèi)管道的使用尺寸。為保障項(xiàng)目順利開(kāi)展，必須針對(duì)英科耐爾625內(nèi)襯的技術(shù)要求開(kāi)展專(zhuān)門(mén)研究。

2 技術(shù)研究簡(jiǎn)介

碳鋼內(nèi)襯625合金復(fù)合管設(shè)計(jì)技術(shù)研究主要依據(jù)SHELL標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于碳鋼內(nèi)襯625的相關(guān)技術(shù)要求。內(nèi)襯英科耐爾625管道、管件和法蘭等主要采取在碳鋼內(nèi)部堆焊英科耐爾625（Weld Overlay）材料這種方式實(shí)現(xiàn)。首先針對(duì)碳鋼管道、管件、法蘭、堆焊材料的基材及制造誤差進(jìn)行研究及確定，用于堆焊的管道基材主要采用API 5L Gr X65/ASTM A333-6兩種，管件基材材質(zhì)主要采用ASTM A420-WPL6，法蘭基材材質(zhì)主要采用ASTM A350-LF2 Cl 1；其次針對(duì)堆焊層厚度、層數(shù)及誤差進(jìn)行研究及確定，堆焊層的厚度要求是最小3 mm，厚度誤差為0~2 mm，堆焊層厚度是2層；再次針對(duì)焊接工藝及參照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究及確定，堆焊方法是全自動(dòng)堆焊，不允許手工焊接，焊接方法遵循相關(guān)焊接標(biāo)準(zhǔn)，基材和堆焊材料都要滿(mǎn)足NACE MR-0175/ISO 15156的要求。最后針對(duì)焊后處理及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)行研究及確定，為最終滿(mǎn)足使用要求，焊后要進(jìn)行熱處理，熱處理過(guò)后要進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試、化學(xué)成分分析、堆焊層和基材抗張測(cè)試、導(dǎo)向彎曲測(cè)試、微觀結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)、硬度測(cè)試（堆焊后硬度不超過(guò)345HV）、沖擊測(cè)試、腐蝕測(cè)試、水壓試驗(yàn)、各種無(wú)損檢驗(yàn)等。

3 技術(shù)原理

一般實(shí)現(xiàn)碳鋼內(nèi)襯的方法有兩種：一是復(fù)合管道（機(jī)械復(fù)合或冶金復(fù)合）；另一種就是碳鋼內(nèi)部堆焊。本技術(shù)主要研究碳鋼內(nèi)部堆焊（weld overlay）的方式，主要依據(jù)QP和SHELL的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，另外也參考了ASME/API/ASTM等關(guān)于CRA堆焊的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

堆焊的基材按照管道管件法蘭的材質(zhì)不同而不同，本項(xiàng)目管道基材主要有API 5L Gr X65 / ASTM A333-6兩種，管件基材主要有ASTM A420-WPL6，法蘭基材材質(zhì)主要有ASTM A350-LF2 Cl 1，用于內(nèi)襯的英科耐爾625主要選擇ALLOY 625焊材。

焊口兩端尺寸偏差較大，焊口處管道易錯(cuò)皮，影響內(nèi)襯英科耐爾625管道內(nèi)部堆焊層的連續(xù)性，管道內(nèi)部流體容易直接接觸管道基材，造成管道腐蝕，因此，管道、管件、法蘭等基材的尺寸偏差控制在（0~±3）mm之間。

堆焊的INCONEL 625要求碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.1%，PREN（點(diǎn)蝕當(dāng)量）值不低于46。

堆焊層的厚度根據(jù)SHELL DEP的要求是最小3 mm，厚度誤差為0 mm~＋2 mm，堆焊層厚度范圍是3~5 mm，堆焊層厚度最少是2層。

堆焊方法是100%全自動(dòng)堆焊，不允許手工焊接，焊接方法遵循API RP582[1]及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

基材和堆焊材料都需要滿(mǎn)足NACE MR-0175/ ISO 15156[2]的要求。堆焊前后對(duì)基材和堆焊材料都需要進(jìn)行PMI分析，分析標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)SHELL DEP 31.10.00.10-Gen[3]。

堆焊后要進(jìn)行熱處理(PWHT)，在（950+50）℃溫度條件下進(jìn)行正火，然后空氣冷卻后淬火。然后再在620~650 ℃條件下回火，然后空氣冷卻，詳細(xì)的控制條件應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)焊接技術(shù)評(píng)定確定。

熱處理過(guò)后要進(jìn)機(jī)械性能測(cè)試，主要包括屈服和抗張強(qiáng)度測(cè)試、焊縫拉伸性能測(cè)試、導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)、微觀結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)、硬度測(cè)試等，測(cè)試結(jié)果應(yīng)符合相應(yīng)的SHELL以及相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。其中對(duì)硬度要求是：硬度只能使用維氏硬度HV10方法測(cè)量，基材硬度不超過(guò)248 HV10，堆焊層硬度不超過(guò)345 HV10。

此后進(jìn)行剪切測(cè)試、延展測(cè)試、沖擊試驗(yàn)、晶間腐蝕試驗(yàn)、點(diǎn)蝕試驗(yàn)、硫化氫應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)(SSCC)、無(wú)損檢驗(yàn)（射線(xiàn)檢驗(yàn)、焊接牢固性試驗(yàn)、磁粉檢驗(yàn)）等。

對(duì)于堆焊層要單獨(dú)進(jìn)行下面的測(cè)試：液體滲透檢驗(yàn)、硬度測(cè)試、化學(xué)成分分析、正合金分析（PMI）。

以上檢驗(yàn)測(cè)試均要滿(mǎn)足可追溯性等級(jí)和檢驗(yàn)等級(jí)最高等級(jí)的要求，需要第三方在全程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)見(jiàn)證，滿(mǎn)足EN 10204 TYPE3.2的認(rèn)證要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

碳鋼內(nèi)襯625合金復(fù)合管設(shè)計(jì)技術(shù)研究對(duì)碳鋼內(nèi)襯625合金復(fù)合管基材、誤差、焊接工藝及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)都進(jìn)行了明確要求，部分技術(shù)要求填補(bǔ)了此項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域的空白，也為焊接程序制定和焊接質(zhì)量檢驗(yàn)提供了指導(dǎo)，并且為建造現(xiàn)場(chǎng)的后續(xù)施工作業(yè)提供了有利的技術(shù)支持，促進(jìn)碳鋼堆焊英科耐爾625特材的整體技術(shù)實(shí)力的提升，經(jīng)過(guò)該項(xiàng)目實(shí)施，該技術(shù)要求運(yùn)行良好。同時(shí)該技術(shù)要求也為采辦相關(guān)材料，包括碳鋼內(nèi)襯625合金閥門(mén)、管線(xiàn)、管件、法蘭、墊圈等提出了明確的技術(shù)指標(biāo)，確保了各廠(chǎng)家為項(xiàng)目提供的產(chǎn)品符合項(xiàng)目要求，保障了項(xiàng)目最終交付的產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到業(yè)主滿(mǎn)意。

［1］American Petroleum Institute. Welding of Metals：API RP582［S］. American Petroleum Institute, 2004．

［2］NACE International The Corrosion Society. Petroleum and natural gas industries-Materials for use in H2S-containing environments in oil and gas production：NACE MR-175/ISO 15156［S］. NACE International The Corrosion Society , 2005.

［3］SHELL Design and Engineering Practice. Gen Positive Material Identification (PMI) Program: SHELL DEP 31.10.00.10［S］. SHELL Design and Engineering Practice, 2013.

Research on Design Technology of Carbon Steel Lined 625 Alloy Composite Pipe

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（Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Design Company, Tianjin 300450, China）

For the oil and natural gas pipeline of high H2S and other corrosive medium content, the traditional anti-corrosion measures are difficult to meet the growing engineering needs. Through the research on the design technology of carbon steel lined Inconel 625 alloy composite pipe, based on the good hydrogen sulfide resistance of 625 material, the quality of 625 alloy composite pipe can be effectively improved, so that the nickel base alloy bimetal composite pipe can be more widely used in oil and gas pipelines for high H2S and other corrosive media due to its excellent mechanical properties and corrosion resistance.

Alloy composite pipe; Corrosion resistance; High hydrogen sulfide pipeline

2020-04-27

張瑞峰（1985-），男，工程師，黑龍江省安達(dá)市人，2010年畢業(yè)于東北石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè)，研究方向：海洋石油工程技術(shù)。

TQ 021

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1004-0935（2020）09-1115-02