張鋼鋒

中國石油天然氣管道第二工程有限公司，江蘇 徐州

1.引言

這種復合管材的特殊性給通球、測徑、試壓時收發(fā)球筒和封頭的焊接帶來了很大的問題。傳統(tǒng)意義上封頭一般材質絕大部分都為碳鋼材質，母材也為碳鋼材質，焊接都為同種鋼焊接。但到目前位置，公司還未進行過復合管與碳鋼管相連接的焊接技術，給施工帶來了很大挑戰(zhàn)。為此，通過不斷的研究和試驗，在常規(guī)碳鋼管的基礎上進行了革新，通過堆焊和增加過渡復合管的形式實現(xiàn)了復合管高壓試壓。通過革新，這項技術成功應用于克深5地面試采工程中，完成約18 Km 管線試壓，4口單井試壓，為復合管施工積累了寶貴經驗。

2.方案制定[1]

目前雙金屬復合管在塔里木油氣田地面開發(fā)建設應用較為廣泛，常見的雙金屬復合管根據(jù)生產工藝大致分為兩種，即冶金雙金屬復合管和機械雙金屬復合管。

冶金雙金屬復合管(見圖1)是把初級工業(yè)材料和高技術的冶金處理過程結合起來，采用離心澆鑄管坯經擠壓、冷軋(或冷拔)生產方式，從而獲得高品質的復合管材。這種新型復合管材可以是一般普碳鋼與不銹鋼、一般不銹鋼與高品質不銹鋼，也可以是普通鋼種與鎳、鉻、鉬合金的復合；還可以根據(jù)用戶要求實現(xiàn)多種金屬的多層復合。這種管材的優(yōu)勢在于可以根據(jù)施工需要任意切割，焊接時也可以與純碳鋼管材正常對口焊接，操作方便，但價格昂貴，生產周期長，且多數(shù)為進口材料。

機械雙金屬復合管(見圖2)是將碳鋼管和不銹鋼鋼管分別生產完成后，將不銹鋼管嵌入碳鋼中，將裝配好的內外管完全密封呈密閉長筒，再將液體注入筒內，逐步加壓筒內的液體，使得內襯不銹鋼管逐步的在直徑方向向外擴張，在軸向方向向內收縮。通過連續(xù)逐步施壓，使得內襯管最終達到塑性變形，外基管仍處于彈性變形范圍內，當通過壓力表判定內外管已達到塑性變形，外基管處于彈性變形要求時，施放壓力，復合形式。

Figure1.Metallurgical bimetal composite pipe 圖1.冶金雙金屬復合管

Figure2.Mechanical bimetal composite pipe 圖2.機械雙金屬復合管

機械雙金屬復合管以碳鋼管為基體材料，承受管道系統(tǒng)的工作壓力，以耐腐蝕合金材料為內襯防腐層，充分發(fā)揮耐腐蝕合金優(yōu)異的耐蝕性能。這種管材的優(yōu)點在于價格低廉，制作工藝簡單可靠。缺點在于，由于是機械復合，兩層金屬間屬非擴散結合，在堆焊段以外進行切割時，復合管會產生分層傾向(見圖3)，以釋放制造工藝帶來的應力。為保證施工質量和管道運行安全，施工中通常按照復合管管徑采用堆焊(見圖4)或封焊(見圖5)的方式對切割管段進行處理[2]。

Figure 3.Gap after cutting 圖3.切割后產生的縫隙

Figure 4.Pipe section surfacing圖4.管段堆焊

Figure 5.Pipe section sealing 圖5.管段封焊

機械雙金屬復合管(以下簡稱復合管)由于其承壓高、耐腐蝕、價格低廉的優(yōu)點，而被西氣東輸主力氣源地——克拉蘇氣田的開發(fā)并廣泛采用至今。

四川油建作為塔里木油田最早接觸復合管施工的單位，也是經過不斷的摸索才形成自己的一套施工方法。線路焊接時需要的短節(jié)通過封焊的方式進行處理，而在管道試壓時則利用冶金復合管作為過渡管進行焊接，如圖6所示：

Figure 6.Connection diagram 圖6.連接示意圖

這種施工方法焊接簡單，試壓完成后可直接切割冶金復合管，然后用機械復合管直接對接焊就可以完成，但是對冶金復合管的浪費較大，費用昂貴。

為了既保證復合管正常試壓，又避免浪費，降低施工成本，經過研究討論制定了以下幾種方案：

1、增加法蘭連接法；

2、增加過渡復合管法；

3、管段堆焊法。

3.實施情況

3.1.增加法蘭連接法

這種施工方法就是利用法蘭將復合管與碳鋼管連接在一起，試壓封頭或者收發(fā)球筒再與碳鋼管對接焊，具體如圖7所示：

Figure7.Connection diagram 圖7.連接示意圖

經過現(xiàn)場試驗，這種施工方法存在以下優(yōu)缺點：

1)連接方便，焊接工藝簡單。

2)由于要承受≥24 MPa 的高壓，所以堆焊法蘭和碳鋼法蘭外形尺寸偏大，單片重量達到約200 Kg，對口焊接時必須挖掘機配合，運輸裝卸極為不便。

3)如上圖矩形虛線框內所示部分，完成后在進行封頭單獨試壓時還需增加一塊法蘭盲板，這樣造成試壓封頭部分重量加大，操作極為不便。

4)不銹鋼法蘭在完成一次焊接后需要切割下來重復使用，這樣造成帶頸法蘭的頸部會被切除一部分，連續(xù)使用后造成法蘭頸部與對接焊主管存在外形尺寸大的偏差，最終無法使用，需重新加工制作，浪費較大，成本增加。

3.2.增加過渡復合管法[3]

經過現(xiàn)場反復研究和總結與對比，綜合了冶金復合管過渡法和法蘭連接法的優(yōu)缺點，克深5試采工程大膽使用了此方法，具體做法如圖8所示：

Figure8.Connection diagram 圖8.連接示意圖

雙金屬復合管試壓封頭的制作難點在于，如何保證復合管管端的原始封焊或堆焊段在試壓完成切割后還能繼續(xù)使用。首先，在施工過程中如果碳鋼管與雙金屬復合管直接對接焊，會造成碳鋼管內鐵素體由于受高溫影響向焊道方向移動，造成焊道位置鐵素體超標，焊道鐵素體會繼續(xù)沿著焊道周向擴散一直延伸至原復合管管端堆焊位置上，這種加速滲透造成晶體結構會由奧氏體轉變成馬氏體結構，導致焊道強度減弱，在后期運行中發(fā)生穿孔刺漏情況。

另外，復合管出廠時管端自帶的堆焊段是由管材廠家通過特制的旋轉操作臺加工而成，為保證試壓后連頭施工，需盡可能保證其完整性，為此我們在試壓封頭一側加入了一根過渡復合管，這樣既保證了復合管管道不至于完全破壞，又保證了切割后管端堆焊還可以繼續(xù)正常使用。具體現(xiàn)場做法如下：

1、過渡復合管一側保留原始堆焊段，另外一側現(xiàn)場做管端封焊處理(見圖9)，這樣就解決了切割后復合管出現(xiàn)縫隙的問題，封焊端可以直接與碳鋼封頭對接焊，焊材選用625合金鋼(見圖10)。

2、碳鋼試壓封頭與過渡管焊接完成經試壓后切除就可在管線上使用。

Figure9.Tube end seal welding 圖9.管端封焊

Figure 10.Head pressure test 圖10.封頭試壓

這種施工方法已經在克深5現(xiàn)場成功應用，并完成了7段，約18 Km 管線，4口單井試壓，無一處因為該技術方案發(fā)生泄露事故。

過渡復合管法的缺點在于：由于過渡管管端堆焊寬度按照設計要求一般在20 mm 左右，如果試壓封頭第一次試壓完成后需要從與已焊接完成的管線上切割下來，每切割一次，堆焊寬度就會減少，所以造成試壓封頭重復利用率低。

3.3.管段堆焊法

為了最大化發(fā)揮過渡復合管的優(yōu)勢，經過反復的研究重新對過渡復合管管端堆焊寬度進行現(xiàn)場堆焊(見圖12)，通過增加堆焊寬度以此來發(fā)揮過渡復合管的優(yōu)勢。按照設計技術規(guī)格書要求堆焊管端的寬度為20 mm，為滿足現(xiàn)場施工需要，將管端的堆焊長度增加至60 mm，這樣就可以重復切割至少4次以上，最大限度的利用了堆焊技術。具體做法如圖11所示：

Figure 11.Connection diagram 圖11.連接示意圖

Figure12.Surfacing photos圖12.堆焊照片

4.創(chuàng)新點

1、突破了傳統(tǒng)的冶金復合管試壓封頭焊接技術，可以重復使用，降低了施工成本。

2、通過研究優(yōu)化了雙金屬復合管試壓封頭焊接技術，更便于現(xiàn)場操作，靈活性更強。

3、創(chuàng)造了復合管試壓封頭焊接技術的先例，為后續(xù)復合管施工提供了技術支持。

5.效果

5.1.經濟效益

費用明細如表1所示。

Table 1.Charge details表1.費用明細

5.2.安全效益

通過對復合管封頭焊接技術的優(yōu)化革新，大大降低了復合管焊道因碳化而造成對焊層穿孔腐蝕的情況，保證了全線管道的運行安全。

雙金屬復合管封頭焊接技術的研究和革新彌補了公司復合管封頭焊接技術上的空白，同時在克深5試采地面工程上的成功應用證實了革新成果的可行性，更為重要的是打破了傳統(tǒng)意義上冶金復合管試壓封頭的焊接技術，充分發(fā)揮了復合管堆焊技術，更大的提高了現(xiàn)場的可操控性，隨時可以現(xiàn)場堆焊，避免受管材限制而影響工期，最大程度的節(jié)省了施工時間，同時降低了材料成本，具有較強的推廣應用效果。