陸傳航,程晉宜,夏德亮,楊建,戴世超
海洋石油工程(青島)有限公司 山東青島 266520
在油氣平臺(tái)的工藝管道中,使用熱固性重防腐環(huán)氧粉末涂料形成的涂層是一種有效緩解管道腐蝕的措施。其應(yīng)用環(huán)境為:低流速、間歇流、滯流工況管道、最小流速<4.6m/s的單相燃?xì)夤艿?、最小流速?m/s以內(nèi)的液相管道;最小流速在3.05m/s以內(nèi)的氣/液雙相流管道;飲用水、公用水、開排和生活污水系統(tǒng)中的公用管道等。熱固性重防腐環(huán)氧粉末涂料是一種無(wú)三廢污染的環(huán)保型涂料。
雖然涂層具備較強(qiáng)的耐化學(xué)腐蝕、耐磨、成本相對(duì)較低的特點(diǎn),但涂層也存在不能二次受熱的缺點(diǎn),而在工藝管道焊接接頭中二次受熱是不可避免的。對(duì)于大壁厚的工藝管道,也涉及到焊后熱處理。另外,在工藝管道總裝現(xiàn)場(chǎng)的接頭焊接完成后,無(wú)法進(jìn)入管道內(nèi)對(duì)涂層進(jìn)行涂覆或修補(bǔ),因此需要對(duì)此類接頭施工方案進(jìn)行研究。
由于管道內(nèi)側(cè)需要內(nèi)涂覆熱固涂層,在車間預(yù)制階段可以在完成接頭焊接與焊后熱處理后統(tǒng)一進(jìn)行涂覆,此方法可以保證涂層的連續(xù)性。然而,在現(xiàn)場(chǎng)連接的總裝接頭,焊接完成后無(wú)法進(jìn)入管道內(nèi)施工,無(wú)法實(shí)現(xiàn)涂層的涂覆,因此給出了兩種替代方案。
(1)方案一 將現(xiàn)場(chǎng)焊接接頭更改為法蘭連接。施工步驟為:首先完成管道與法蘭焊接接頭的焊接與焊后熱處理,隨后完成內(nèi)壁涂層涂覆,最后將法蘭連接。但此種方法會(huì)增加整體的設(shè)計(jì)重量,影響管道的布置空間,對(duì)油氣平臺(tái)重量控制不利。另外,增加法蘭也會(huì)增加烴類系統(tǒng)潛在的泄漏風(fēng)險(xiǎn),存在安全隱患,因此法蘭方案并非最優(yōu)方案。
(2)方案二 將總裝接頭兩側(cè)的管道修改為復(fù)合管管段PUP-PIECE,如圖1所示。此種方案施工步驟為:首先完成接頭A的焊接與焊后熱處理,隨后完成內(nèi)側(cè)涂層的涂覆,最后完成接頭B的焊接與焊后熱處理。相較于法蘭替代方案而言,不會(huì)增加平臺(tái)重量,對(duì)于控制平臺(tái)減重比較有利。但也存在如下問(wèn)題:由于內(nèi)側(cè)涂層不耐熱,在焊接過(guò)程或者焊接完成后進(jìn)行的焊后熱處理會(huì)燒損涂層導(dǎo)致其失效,因此需要對(duì)復(fù)合管管段的長(zhǎng)度進(jìn)行研究。
圖1 接頭連接示意
由于復(fù)合管接頭距離內(nèi)部涂層長(zhǎng)度L影響涂層功能,因此需要從如何避免熱處理過(guò)程對(duì)涂層的影響角度對(duì)方案二進(jìn)一步研究,從而得出有效施工方案。
熱燒結(jié)環(huán)氧涂層一般耐受溫度在100℃以內(nèi),根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1]的推薦,焊后熱處理的保溫區(qū)間(Soaking Band,SB)為594~649℃,而不同的管徑壁厚對(duì)應(yīng)的保溫區(qū)間、加熱區(qū)間(Heating Band,HB)、均勻控溫區(qū)間(Gradient Control Band,GCB)均不同。熱處理加熱帶布置如圖2所示。
圖2 熱處理加熱帶布置
保溫區(qū)間寬度一般為焊縫邊緣+t(管道厚度)或50.8mm,二者取其小;加熱區(qū)間寬度一般為保溫區(qū)間寬度+4;均勻控溫區(qū)間寬度為加熱區(qū)間寬度+4(R為熱處理管道公稱半徑)。
在使用標(biāo)準(zhǔn)熱處理?xiàng)l件下,不同直徑、壁厚管道焊后熱處理時(shí)溫度場(chǎng)的分布將直接決定復(fù)合管管段的長(zhǎng)度。
溫度場(chǎng)的分布區(qū)間可以采用模擬試驗(yàn)確定,本文僅選取了管徑762mm、壁厚40.7mm的復(fù)合管管道開展模擬試驗(yàn),管道整體長(zhǎng)度為2500mm。試驗(yàn)過(guò)程中加熱區(qū)間加熱帶寬度為400mm,均勻控溫區(qū)間寬度為600mm。需要說(shuō)明的是,加熱帶的寬度小于推薦數(shù)值,原因在于加熱帶的寬度只要保證加熱帶邊緣溫度高于50%的保溫溫度即可。一般用保溫區(qū)邊緣處和加熱區(qū)邊緣處的溫度之比k表征軸向溫度梯度,美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)AWSD 10.10 /D10.10M:1999(R2009)中規(guī)定,當(dāng)k≤2時(shí),才能滿足局部焊后熱處理要求。寬度增加會(huì)使熱處理區(qū)域溫度衰減更加均勻。
試驗(yàn)過(guò)程中保溫區(qū)域溫度為620℃,隨著與焊道中心距離的增加,溫度逐漸遞減,具體溫度場(chǎng)分布如圖3所示。從圖3可看到,距離焊道中心1000mm處溫度區(qū)間已經(jīng)低于100℃,不會(huì)對(duì)涂層性能產(chǎn)生影響。由于不同直徑和壁厚以及不同寬度的加熱范圍、溫度場(chǎng)的分布完全不同,因此需要對(duì)施工中出現(xiàn)的所有尺寸進(jìn)行模擬,最終得出不同的溫度場(chǎng)分布。
圖3 模擬試驗(yàn)的溫度場(chǎng)分布
模擬試驗(yàn)的方法雖較為直接,但需要注意以下幾點(diǎn)。
1)在相同布置條件下,熱處理管道的長(zhǎng)度不同,會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)外壁的溫差不同。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究[2],隨著熱處理管段長(zhǎng)度的增加,熱處理內(nèi)外壁溫差先迅速增大,隨后增幅逐漸減緩,最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。為保證模擬試驗(yàn)的有效性,建議最短熱處理管段長(zhǎng)度為L(zhǎng)=(2.12OD+127)lgt-1.97OD+186(OD為熱處理管道外徑)。
2)管道內(nèi)部的空氣流速增加對(duì)管道內(nèi)外壁的溫差梯度產(chǎn)生線性影響[3],模擬試驗(yàn)按照兩側(cè)封堵情況進(jìn)行模擬,模擬試驗(yàn)可以得到保守情況下堆焊管段的長(zhǎng)度。
堆焊管段的焊后熱處理要求決定著堆焊管段的長(zhǎng)度,因此若取消此焊后熱處理操作,堆焊管段將極大縮短。
按照ASME B31.3—2016《工藝管道》的規(guī)定,在焊接時(shí)若可以保證預(yù)熱溫度及層間溫度不低于95℃,則設(shè)計(jì)方可以考慮免除焊后熱處理。按照免除焊后熱處理施工方案,施工后溫度場(chǎng)的分布和接頭的性能可通過(guò)模擬試驗(yàn)得出初步結(jié)論。
(1)溫度場(chǎng)分布 模擬試驗(yàn)環(huán)境為:打底焊道預(yù)熱溫度提高至95℃,隨后熱焊道及后續(xù)填充、蓋面焊道保證最大150℃層間溫度。本文試驗(yàn)選取了管徑762mm、壁厚40.7mm的復(fù)合管管道,試驗(yàn)中使用加熱片維持預(yù)熱溫度和層間溫度,熱電偶點(diǎn)焊位置分布如圖4所示。焊接過(guò)程參數(shù)依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[4]規(guī)定的參數(shù)嚴(yán)格施工,試驗(yàn)過(guò)程中維持焊接過(guò)程(見圖5)不中斷,通過(guò)測(cè)量不同點(diǎn)的峰值溫度得到溫度場(chǎng)分布(見表1)。
表1 溫度場(chǎng)分布
圖4 模擬試驗(yàn)熱電偶分布
圖5 模擬試驗(yàn)焊接過(guò)程
從表1可看出,在焊道邊緣約350m m的距離可實(shí)現(xiàn)層間溫度低于100℃,不會(huì)對(duì)涂層性能產(chǎn)生影響。對(duì)于此種尺寸的復(fù)合管管段長(zhǎng)度為350~400mm,相較于原至少1000mm左右管段長(zhǎng)度,在經(jīng)濟(jì)上優(yōu)勢(shì)比較明顯。但是,不同直徑和壁厚以及不同寬度的加熱范圍,溫度場(chǎng)的分布完全不同,因此需要對(duì)施工中出現(xiàn)的所有尺寸進(jìn)行模擬,最終得出不同的溫度場(chǎng)分布。
(2)力學(xué)性能 雖然標(biāo)準(zhǔn)中有所規(guī)定,但利用適當(dāng)提高預(yù)熱溫度的方式是否可以達(dá)到替代焊后熱處理的目的,仍然存在不確定性。LEE等[5]通過(guò)對(duì)不同壁厚的P1鋼在焊態(tài)和熱處理態(tài)下殘余應(yīng)力和微觀組織的分析,得出結(jié)論:熱處理態(tài)下殘余應(yīng)力峰值有所下降,但分布形式并未發(fā)生根本變化,焊縫及熱影響區(qū)的微觀組織并未發(fā)生明顯變化。PRUETER P E等[6]研究了焊態(tài)下采用提高預(yù)熱溫度以及焊后熱處理態(tài)下殘余應(yīng)力分布、對(duì)脆性相的影響等,得出結(jié)論:取消必要的熱處理將增加出現(xiàn)脆性相的可能性,熱處理效果僅靠提高預(yù)熱溫度是達(dá)不到的,提高預(yù)熱溫度對(duì)于降低焊縫殘余應(yīng)力的效果較小。
為此,對(duì)免焊后熱處理施工方案的模擬焊接接頭根部區(qū)域進(jìn)行了夏比沖擊測(cè)試,見表2。
表2 模擬焊接接頭根部韌性測(cè)試
通過(guò)對(duì)比以往測(cè)試結(jié)果[4]發(fā)現(xiàn),根部焊縫中心以及熔合線附近并沒有出現(xiàn)韌性的陡降。因此,采用提高預(yù)熱溫度的方式免除熱處理,同時(shí)降低復(fù)合管管段長(zhǎng)度具備一定的可行性,但應(yīng)具體依據(jù)各自項(xiàng)目設(shè)計(jì)方意見執(zhí)行。
1)對(duì)于帶內(nèi)部涂層的厚壁復(fù)合管管段焊接施工,可通過(guò)模擬焊后熱處理過(guò)程確定熱處理溫度場(chǎng)分布,從而確定復(fù)合管管段內(nèi)部鎳基堆焊層寬度。
2)通過(guò)提高預(yù)熱溫度取消建造過(guò)程中的熱處理工序,可實(shí)現(xiàn)縮短鎳基復(fù)合管管段的堆焊層寬度的效果,但必須得到設(shè)計(jì)方的批準(zhǔn)。