CN101579774B - 输油管道在线修复补强结构 - Google Patents

Abstract

本发明是运行多年老管线改造工程的输油管道在线修复补强结构。涉及焊接和管道系统技术领域。其特征是相邻补板的面腐蚀间保持的最小距离为25mm；补板与环焊缝和螺旋焊缝的最小距离为50mm；补焊修复的相邻点腐蚀坑间、点腐蚀坑与相邻面腐蚀间及点腐蚀坑与焊缝和螺旋焊缝间的最小距离为25mm。本发明的修复补强结构焊缝承压足、疲劳寿命长、合理，较好地解决了目前输油管道在线修复焊接技术中存在的问题。

Description

输油管道在线修复补强结构

技术领域

本发明是运行多年老管线改造工程的输油管道在线修复补强结构。涉及焊接和管道系统技术领域。

背景技术

管体缺陷的修复是运行多年老管线改造工程的一项重要工作内容。输油气管道管体缺陷的修理方法较多，根据缺陷的类型及管体损伤程度，可以选择套筒、夹具、补焊、补板或换管及近年来兴起的复合材料补强等修复技术。在进行修复技术选择时，修复技术的有效性、安全性、可否直接应用及经济性是选择时应该依次考虑的四大因素。套筒、夹具和复合材料修复虽然有着各自的技术优势，但套筒和夹具需要订制，有些国内不能生产还需要国外进口(如环氧套筒、夹具、ClockSpring套筒等)。对于国内管道出现较多的管体腐蚀缺陷(除非是腐蚀比较严重且腐蚀区域较集中)，由于套筒、夹具或ClockSpring套筒订制、运输周期长，且费用较高，大多数情况下这些修复技术是不经济适用的。

我国东北管道大多建于20世纪70年代，在长达30余年的运行过程中，目前管道已出现不同程度的老化，已经发现并修补了约3万处腐蚀缺陷，还有约7万处腐蚀尚未修理。腐蚀缺陷及开裂事故的逐年增多，预示着东部管道的运行能力在下降，服役功能在逐渐退化。所以，我们面临着以下急待解决的问题：首先，国内没有现场施工可依据的管体缺陷修复标准；对管体缺陷(包括焊缝缺陷)的修复，多凭经验行事，缺乏必要的理论依据和指导，修复的风险和质量难以把握；其次，国际管道行业近年来新型修复材料、修复技术的应用，大大提高了管体修复的质量和水平，这与国内几十年来沿用至今的老旧修复方法形成鲜明对比。为总体提高国内管体缺陷的修复水平，迫切需要开展新型修复技术的相关研究工作。

经对管道现场和各输油气管理处维抢修人员常用修理技术的调研结果表明，多年来对于东部管道如此众多的腐蚀缺陷，使用最多也是最及时和最有效的修复技术是进行腐蚀坑或面腐蚀的补焊和补板修复。究其原因，最主要还是取材和施工方便。对于补板，可以直接在管道的废弃管段上取材，而且加工也主要是切割和倒角。焊接材料是现场常备的，焊接工艺采用维抢修人员多年的经验作法。整个修复过程简便、易行，所以这些修复技术使用频率很高。

尽管管体腐蚀坑、面腐蚀补焊技术在国内管道上已使用多年，但对补焊技术的适用范围、焊接工艺等技术要求，仍停留在现场修理经验的积累(腐蚀深度介于2.0～2.5mm的腐蚀坑，进行补焊修复。腐蚀深度大于或等于2.5mm的腐蚀坑以及腐蚀深度大于2mm的面腐蚀，采取补板修复)。这些经验数据是否合理，是否仍有较大的安全裕量，以及采取怎样的焊接工艺及焊接技术保证焊接的质量和安全，需要进行理论探讨和针对东部管道16Mn管材的焊接工艺试验研究。

对于补板修复腐蚀缺陷，国外进行了较多的理论和试验研究。美国Edison焊接研究所曾进行了泄漏孔补板的打压试验，全部七个试样均在补板与管体连接的轴向角焊缝上出现破坏。分析结果表明，角焊缝存在较大的内在应力集中，这使得角焊缝承压不足，而且疲劳寿命变短。理论分析表明，焊接工艺与补板尺寸的不合理均会导致角焊缝出现较大的应力集中。但目前国内外对于现场补板修理，经验性的最大补板尺寸限制(补板直径应小于400mm)缺乏理论依据，而且焊接方法也局限于传统的手工电弧焊方式，没有可依据的焊接工艺规程。为了减少应力集中对角焊缝强度的影响，需要在应力分析、焊缝力学性能及金相分析等角度综合研究基础上，开发出合理的焊接工艺方法及补板的最大及最小尺寸限制。

发明内容

本发明的目的是发明一种运行多年老管线改造工程焊缝承压足、疲劳寿命长、合理的输油管道在线修复补强结构。

本发明是在补焊、补板的基础上，对各种管线材质和运行条件下适用于焊接工艺方法的修复补强结构。

通常的修复补强结构是：

对于腐蚀缺陷直径介于68～352mm之间且母材剩余壁厚为4.8mm以上或最小剩余壁厚无法测定的面腐蚀，采用补板修复补强结构，补板的材料和壁厚与被焊管道相同；补板覆盖腐蚀缺陷，在补板边缘与管道之间用低氢焊条分根焊、填充和盖帽三层焊连接；后层焊接在前层温度低于150℃时进行，并在每层焊道间无焊接熔渣。

对于直径小于68mm且母材最小剩余壁厚为4.8mm以上的面腐蚀或直径不大于20mm且母材最小剩余壁厚为4.8mm以上的点腐蚀坑直接用低氢焊条分一到三层补焊填补；如果需要多次填补焊接，每次补焊的焊缝金属温度在150℃以下，并补焊的焊缝间无焊渣。

当腐蚀缺陷较多时，为了保证补强质量，补板与相邻补焊的面腐蚀间、与环焊缝及螺旋焊缝间保持一定距离，相邻两补强板之间的最小距离应取

和100mm的较大值，d1、d2分别为相邻两腐蚀缺陷直径。

经过大量试验，仅按上述结构补强还远远不够，有时甚至是根本不行的。因此本发明对补强结构提出焊缝承压足、疲劳寿命长、合理的技术方案：

相邻补焊的面腐蚀间保持的最小距离为25mm；补板与环焊缝和螺旋焊缝的最小距离为50mm；

进行补焊修复的相邻点腐蚀坑间、点腐蚀坑与相邻面腐蚀间及点腐蚀坑与环焊缝和螺旋焊缝间的最小距离为25mm。

其中：补板为方板、倒角方板或圆板，圆补板最大直径为180～700mm；方形补板的轴向长度L与俯视投影径向宽度B之比按下式计算：

$\frac{d}{360\sin ({\cos }^{-1}\frac{2\×{360}^2-\frac{d^2}{4}}{2\×{360}^2}+{\sin }^{-1}\frac{\frac{d}{2}}{360})}$

下表为按公式计算出的不同尺寸腐蚀缺陷的长宽比数值：

腐蚀缺陷直径(d)

250mm

275mm

300mm

325mm

350mm

长宽比

1.07

1.09

1.11

1.13

1.16

补板覆盖腐蚀缺陷是指补板覆盖腐蚀缺陷后，补板边缘与腐蚀缺陷边缘的最小距离应取和50mm的较大值，d为腐蚀缺陷直径。

需要说明的是管道凹坑上及螺旋焊缝、环焊缝上的腐蚀缺陷不得采用补强修复。

管道在线焊接修复主要存在烧穿和产生氢致裂纹两个风险。在带压管道上施焊时，如果焊接熔池下方未熔化金属强度不能承受内部热应力时，就会发生烧穿。一旦发生烧穿，油气泄漏极有可能引起爆炸，严重威胁人员安全和管线的正常运行。因此，防止烧穿是管道在线焊接修复考虑的首要问题。

由于管道在线焊接时，管内输送介质的流动会造成焊后快冷，容易产生氢致裂纹。氢致裂纹的产生必须同时具备三个条件：焊缝中存在一定量的氢含量，敏感的显微组织以及作用于焊缝上的拉应力。消除上述三种因素之一，就可避免氢致裂纹的产生。作用于焊缝上的残余拉应力是不可避免的，只能通过改善焊接工艺来降低应力。而焊接中采用低氢焊条和低氢焊接工艺，也只能一定程度上降低焊缝中的氢含量。因此，为了避免产生氢致裂纹，国内外的研究重点是如何降低热影响区硬度值和防止敏感组织的生成。

阿根廷学者J.L.Otegui等采用数值模拟的方法研究了气管线套管修复的最小壁厚与压力、流速的关系；结果发现随着管道内气体的压力的减小，流速也相应减小，对焊接区的冷却作用大大减弱，避免烧穿所需的最小壁厚反而增大；其中当在役焊接时管道运行压力为5.88MPa时最小可焊厚度为4.65mm，将管道运行压力分别降到4.70MPa和3.53MPa时最小可焊厚度为4.80mm和5.30mm。因此，管内介质处于流动状态，可以降低发生烧穿的可能性。

应注意的是：

为减小焊接应力，焊接应从腐蚀坑或面腐蚀的边缘开焊，形成圆形或椭圆形焊道，并逐层向中心推移，最后焊接腐蚀坑或面腐蚀的中心部位；焊接从圆腐蚀坑的最下点开始从两边向上焊接；焊接从方形腐蚀坑的下一角开始从两边向上焊接；

应避免每道圆形或椭圆形焊道的起始点在同一个位置；

对于点腐蚀坑补焊，持续焊接时间不能超过60秒，以避免管壁长时间受热而温度升高过高，超过982℃而烧穿；如果还需要继续填补焊接，则要等到焊缝金属冷却到150℃以下，并清除焊渣后方可进行；

如果需要多层焊接方能填满腐蚀坑或面腐蚀，根焊焊接电流要尽可能的小，以避免烧穿，填充和盖面电流可适当增大。

补板焊接修复过程中，采用正常的焊接工艺，烧穿的可能性相对较小，重点是考虑由于补板和管道之间的刚性固定，可能造成焊接时产生较大的焊接应力，导致氢致裂纹的产生。当补板尺寸较大时，轴向焊缝最好能有2名焊工同时焊接和同时完成。多道焊时，应避免每道焊接的起弧点在同一位置。

点腐蚀坑焊接采用小的焊接线能量，焊接时间尽可能短，HAZ出现较多的板条马氏体组织，硬度也较大。面腐蚀采用小的焊接线能量，多层多道焊接，HAZ组织以铁素体+珠光体为主，硬度较低，接头的性能较好。主要原因是，采用多层多道焊接，后道焊接对前道焊接具有热处理作用，前道焊接对后道焊接具有预热作用，使其性能较好。因此，在役管道维抢修过程中采用小的焊接线能量，多层多道焊接对接头性能有益。

由上可见，本发明的修复补强结构焊缝承压足、疲劳寿命长、合理，较好地解决了目前输油管道在线修复焊接技术中存在的问题。

附图说明

图1点腐蚀坑补焊后的金相组织宏观图

图2点腐蚀坑补焊后的金相焊缝组织图

图3点腐蚀坑补焊后的金相HAZ组织图

图4点腐蚀坑补焊后硬度测试的硬度打点位置示意图

图5面腐蚀补焊后的金相组织宏观图

图6面腐蚀补焊后的金相焊缝组织图

图7面腐蚀补焊后的金相HAZ组织图

具体实施方式

实施例.本例是一实验方法。本次试验是采用东北管网16Mn钢管，直径720mm，壁厚7.1mm，焊接是在管内介质为水，试验压力4MPa，环境温度10℃的条件下进行的。

本例的具体修复补强结构是：

对二个腐蚀缺陷直径分别为69mm、352mm、相距500mm且补焊母材剩余壁厚分别为6.8mm、6.6mm的面腐蚀，该二个腐蚀缺陷相距500mm，与螺旋焊缝的距离大于50mm；采用补板修复补强结构，补板的材料和壁厚与被焊管道相同，补板选用直径分别为120mm、426mm的圆板；在焊接时补板覆盖腐蚀缺陷，补板边缘与腐蚀缺陷边缘的距离分别为50mm和180mm；采用直径为3.2mm的E5015-G低氢焊条，根焊电流为70～95A，电弧电压为20～25V，填/盖电流为90～125A，电弧电压为18～25V；焊接前，按常规应对焊接处进行预热，完全去除表面水分和潮气，加热方法为火焰加热，加热宽度为面腐蚀周围150mm；每焊道层间温度要低于150℃，并要将每层焊道的焊接熔渣清除干净。

其具体焊接工艺参数如下：

焊接工艺参数表

焊道	焊材型号	焊材规格	直流极性	焊接电流(A)	电弧电压(V)	焊接速度(cm/min)	热输入(KJ/cm)
								根焊	E5015-G	3.2	DCEP	70-95	20-25	9-14	9-11
填充/盖面	E5015-G	3.2	DCEP	90-125	18-25	8-12	11-16

该补板焊接完成后，作了常规的测试：

打压试验结果表明，补板修复后管道承压满足管道正常运行要求。补板焊接修复试件的面弯试验结果，焊缝的面弯试验均未见明显缺陷，符合标准要求。虽出现2个长1.0mm和1个长1.4mm的边裂纹，但未超出标准要求。因此，本修复补强结构采用相对应的焊接工艺，焊缝具有一定的塑性变形，对氢致裂纹不敏感，能够满足要求。

下表为面腐蚀焊接修复试件的拉伸试验结果。

面腐蚀焊接试件拉伸试验结果

可以看出，断裂位置都在母材，且抗拉强度均大于母材抗拉强度。因此，本修复补强结构采用相对应的焊接工艺，接头强度能够满足要求。

下表为面腐蚀焊接修复试件的面弯试验结果。

面腐蚀焊接试件弯曲试验结果

可见，本修复补强结构采用相对应的焊接工艺，焊缝具有一定的塑性变形，对氢致裂纹不敏感，能够满足标准要求。

下表为面腐蚀焊接修复试件的冲击试验结果。

面腐蚀焊接试件冲击试验结果

可见，本修复补强结构采用相对应的焊接工艺，焊缝具有较好的韧性，对氢致裂纹不敏感，能够满足标准要求。

下表为面腐蚀硬度分布表，打点位置如图4所示。可以看出，硬度最大值均出现在HAZ，HAZ是在役焊接修复的薄弱部位，但均未超过API 1104标准附录B HAZ硬度不超过350Hv的要求。并且均远小于标准规定值。

面腐蚀硬度分布表

距离面腐蚀A_1-1不同距离的制管焊缝硬度分布表

金相分析结果如图5-图7所示。从组织形貌看，焊缝经过了多层多道焊，前道焊接对后道焊接的热作用，使得铁素体含量增加，柱状晶的方向性被打破，珠光体和铁素体分布也相对均匀，这将对焊接接头的性能有利。HAZ同样经历了多次热作用，使得HAZ出现较多的铁素体和珠光体组织，并且分布也较均匀，性能有所提高。这与前面的力学性能试验得到的较好结果相一致。

补板结果分析

通过打压试验，弯曲试验、金相分析及硬度试验可以看出，采用规程WPS-GWXF-S002中的焊接工艺进行补板焊接，能够满足管道正常运行压力的要求；当环焊缝或制管焊缝与补板角接接头之间的距离大于21mm，角接头就不会对环焊缝和制管焊缝产生影响；而根据ASME 31.4要求：补强板与环焊缝、制管焊缝的最小间距应为50mm。

而面腐蚀补焊试验结果表明：

1.对最大长度为80mm，最小剩余壁厚为4.0mm的面腐蚀进行补焊(面腐蚀为锅底形状)，不会出现烧穿和产生氢致裂纹；

2.两面腐蚀坑距离大于21mm时，后焊接的温度场对先焊接面腐蚀焊缝和HAZ组织的影响很小。

对两个直径分别为12mm、20mm的点腐蚀坑进行补焊，该两腐蚀坑相距100mm，且距螺旋焊缝的距离大于25mm；采用直径为3.2mm的E5015-G低氢焊条，在焊接电流为70～90A，电弧电压为20～25V，持续焊接时间不超过60秒；如果一次未完成补焊，还需要继续填补焊接，则要等到焊缝金属冷却到150℃以下，并清除焊渣后方可进行。

同样，对此两个点腐蚀坑补焊后，进行常规的测试。

点腐蚀坑补焊后金相组织如图1-图3所示，从图中可看出：对于在役管道相邻两点腐蚀坑之间的距离大于21mm，后焊接的腐蚀坑温度场对前焊接腐蚀坑焊缝和HAZ组织的影响很小。其中焊缝以铁素体+珠光体组织为主，HAZ以铁素体+板条马氏体组织为主。管内介质的流速对接头的组织有一定的影响，增加焊缝的冷却速度，柱状晶会更粗大，珠光体含量会减少，会出现索氏体或屈氏体，索氏体组织比珠光体更细，屈氏体比索氏体还要细，其强度比珠光体要高，综合性能较好，对氢致裂纹不敏感。增加HAZ的冷却速度，HAZ会出现更多的板条马氏体组织，而不会出现片状马氏体，因为片状马氏体一般在含碳量大于0.6％的奥氏体中形成，因此对16Mn来说，不会形成片状马氏体，对氢致裂纹也就不敏感。

点腐蚀补焊后的硬度测试结果如下表所示。

点腐蚀硬度表

点腐蚀坑补焊分析结果：综合以上焊缝及HAZ组织和硬度分析，在点腐蚀坑组织中出现了较多的板条马氏体，虽然组织度较大，但均未超过标准要求。而且板条马氏体具有一定的韧性，对氢致裂纹不敏感。试验结果表明：对于直径20mm的点腐蚀，可进行补焊的最小剩余壁厚是4.0mm。两点腐蚀坑间距离大于21mm时，后焊接的温度场对前腐蚀坑焊缝和HAZ组织的影响很小。而标准SY/T 6554-2003要求：大多数焊接和热分接所推荐的母材最小剩余壁厚是4.8mm。综合试验分析和标准、文献要求，考虑现场操作的安全性，规定可进行补焊的点腐蚀的最小剩余壁厚为4.8mm，且进行补焊的相邻点腐蚀坑间的最小距离为25mm。

点腐蚀坑焊接结果分析：对在役管道相邻两点腐蚀坑之间的距离大于21mm，后焊接的腐蚀坑温度场对前焊接腐蚀坑焊缝和HAZ组织的影响很小。其中焊缝以铁素体+珠光体组织为主，HAZ以铁素体+板条马氏体组织为主。管内介质的流速对接头的组织有一定的影响，增加焊缝的冷却速度，柱状晶会更粗大，珠光体含量会减少，会出现索氏体或屈氏体，索氏体组织比珠光体更细，屈氏体比索氏体还要细，其强度比珠光体要高，综合性能较好，对氢致裂纹不敏感。增加HAZ的冷却速度，HAZ会出现更多的板条马氏体组织，而不会出现片状马氏体，因为片状马氏体一般在含碳量大于0.6％的奥氏体中形成，因此对16Mn来说，不会形成片状马氏体，对氢致裂纹也就不敏感。

在点腐蚀焊接接头试验分析中，主要针对焊接接头的组织和硬度分布进行分析。接头组织在焊缝表面和根部是不同的，主要原因是点腐蚀坑焊接线能量小，根部冷却速度最快，因此根部组织是产生氢致裂纹的敏感部位。如果根部不产生氢致裂纹，接头就不会出现氢致裂纹。

本例的焊接件经测试，根据试验结果及相关标准得出如下结论：

修复过程简便、易行的补板修复补强结构减少了应力集中对角焊缝强度的影响，修复补强结构合理，科学地确定了补板的最大及最小尺寸限制；

本修复补强结构焊缝承压足、疲劳寿命长、合理，较好地解决了目前输油管道在线修复焊接技术中存在的问题。

Claims (1)

1.一种老管线改造工程的输油管道在线修复补强结构，包括腐蚀部位的补焊、补板结构；补板补强结构的补板的材料和壁厚与被补管道相同，补板覆盖腐蚀缺陷，在补板边缘与管道之间用低氢焊条分根焊、填充和盖帽三层焊连接，后层焊接在前层温度低于150℃时进行，并在每层焊道间无焊接熔渣；点腐蚀坑直接用低氢焊条分一到三层补焊填补；补板与相邻补焊的面腐蚀间、与环焊缝及螺旋焊缝间保持一定距离，其特征是相邻补板的面腐蚀间保持的最小距离为25mm；补板与环焊缝和螺旋焊缝的最小距离为50mm；补焊修复的相邻点腐蚀坑间、点腐蚀坑与相邻面腐蚀间及点腐蚀坑与焊缝和螺旋焊缝间的最小距离为25mm；

所述补板为方板或圆板，圆补板最大直径为700mm；方形补板的轴向长度L与俯视投影径向宽度B之比按下式计算：

$\frac{d}{360\sin ({\cos }^{-1}\frac{2\×{360}^2-\frac{d^2}{4}}{2\×{360}^2}+{\sin }^{-1}\frac{\frac{d}{2}}{360})}$

补板覆盖腐蚀缺陷是指补板覆盖腐蚀缺陷后，补板边缘与腐蚀缺陷边缘的最小距离应取1/2d和50mm的较大值，d为腐蚀缺陷直径。

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