CN108788400A - 一种石油天然气输气管路系统和输气管道的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种石油天然气输送管道的焊接方法和输气管路系统，所述方法包括以下步骤：对管道待焊接端进行下料切割和坡口加工；设置内部保护装置或构筑气坝，清洗所述坡口和坡口周边管道表面；将与连接块置于组对的坡口之间，通过点焊连接；对焊口进行密封，形成密封层，在密封层上设置出气口，当构筑气坝时，还须设置进气口；通向焊口内部空间充入背面保护气体；在密封层上依次进行根焊和热焊；移除所述连接块；继续进行填充焊和盖面焊。所述输气管路系统中的管道包括采用如上所述的焊接方法进行焊接。本发明的有益效果包括：能够适用于酸性腐蚀环境和高氯油气的运输，能够确保焊接接头满足抗氯离子腐蚀性能要求和力学性能要求。

Description

一种石油天然气输气管路系统和输气管道的焊接方法

技术领域

本发明涉及石油天然气的焊接领域，特别地，涉及一种石油天然气输气管路系统和输气管道的焊接方法。

背景技术

在石油天然气田开发中，各种酸性有害介质的腐蚀问题是困扰许多油气田开发的一项难题。油气田有害介质主要以H₂S、CO₂、Cl^-等为主，对井下套管和油气装置管道等危害很大。例如，克拉2气田天然气组分好，但Cl^-含量很高。为了降低建设成本，通常采用加注缓蚀剂、脱水等方式减缓腐蚀速率，传统方法容易造成意外腐蚀、维护工作量大、隐形成本高以及环境污染等问题，。特别是在国内油气田工程建设中，对于输进含高Cl^-湿气的这一类管材焊接，国内尚没有使用先例。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种石油天然气双相不锈钢输送管道的焊接方法，来得到具有抗腐蚀性能的铁素体-奥氏体双相特性的焊缝组织。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种石油天然气输送管道的焊接方法，所述焊接方法包括以下步骤：

通过机械方式对所述输气管道的待焊接端进行下料切割和坡口加工；

清洗所述坡口和坡口周边管道表面，在所述输气管道待焊接端设置内部保护装置或构筑气坝，并进行坡口组对，形成焊口；将与所述管道材质相同的连接块置于组对的坡口之间，通过点焊将连接块与组对的坡口连接；对焊口进行密封，形成密封层，按照钟点位置，在密封层的X点钟位置设置出气口，其中，10≤X≤12或0＜X≤2，当在所述待焊接端内部构筑气坝时，在密封层的Y点钟位置设置进气口，其中，5≤Y≤7；通过所述内部保护装置或进气口向焊口内部空间充入背面保护气体；在所述密封层上依次进行根焊和热焊，焊接过程持续充入背面保护气体，并在根焊过程中移除所述连接块；热焊结束之后，停止充入背面保护气体；继续进行填充焊和盖面焊。在本发明的石油天然气输送管道的焊接方法的一个示例性实施例中，所述输气管道包括按重量百分比计的如下成分：

≤0.03％C、22～23％Cr、3～3.5％Mo、≤2％Mn、≤1％Si、≤0.030％P、≤0.02％S、4.5～6.5％Ni、0.14～0.20％N，其余可为铁。

在本发明的石油天然气输送管道的焊接方法的一个示例性实施例中，所述清洗坡口周边管道表面的步骤包括：清洗从坡口边缘至距离坡口边缘80mm～120mm范围的管道外表面和/或内表面。

在本发明的石油天然气输送管道的焊接方法的一个示例性实施例中，在进行所述点焊的同时，进行内部充氩保护。

在本发明的石油天然气输送管道的焊接方法的一个示例性实施例中，当所述输气管道外径小于等于60mm时，将1～2个连接块置于组对坡口之间；当所述输气管道外径大于60mm，且小于等于114mm时，将2～4个连接块分别置于组对坡口之间的不同位置；当所述输气管道外径大于114mm时，将3～6个连接块分别置于组对坡口之间的不同位置。

在本发明的石油天然气输送管道的焊接方法的一个示例性实施例中，当所述输气管道的壁厚≤6mm时，所述连接块横截面的形状包括圆形或椭圆形；当所述管道的壁厚＞6mm时，所述连接块横截面的形状包括梯形。

在本发明的石油天然气输送管道的焊接方法的一个示例性实施例中，在所述根焊步骤中：根焊收口前，背面保护气体控制在15～30L/min；根焊收口时，背面保护气体控制在10～15L/min。

在本发明的石油天然气输送管道的焊接方法的一个示例性实施例中，所述背面保护气体包括：氩气。

在本发明的石油天然气输送管道的焊接方法的一个示例性实施例中，所述进行热焊的步骤包括：在根焊结束之后，进行第一层热焊；待焊道冷却至≤100℃，清理焊道；继续进行第二层热焊。

在本发明的石油天然气输送管道的焊接方法的一个示例性实施例中，所述焊接方法完成之后得到焊缝的组织包括铁素体和奥氏体，其中，铁素体的重量分数为30％～60％。

本发明另一方面提供了一种石油天然气输气管路系统，所述管路系统包括：从开采现场的井口装置至中央处理厂的脱水脱烃装置之间的输气管道和/或运输含醇含烃天然气的输气管道具有铁素体和奥氏体双相组织，其中，所述具有铁素体和奥氏体双相组织的输气管道之间的焊接方法包括采用如上所述的焊接方法进行焊接。

在本发明的石油天然气输气管路系统的一个示例性实施例中，所述具有铁素体和奥氏体双相组织的输气管道包括重量分数为40～60％的铁素体和60～40％的奥氏体。

在本发明的石油天然气输气管路系统的一个示例性实施例中，，所述输气管道包括按重量百分比计的如下成分：≤0.03％C、22～23％Cr、3～3.5％Mo、≤2％Mn、≤1％Si、≤0.030％P、≤0.02％S、4.5～6.5％Ni、0.14～0.20％N；其余可为铁。

在本发明的石油天然气输气管路系统的一个示例性实施例中，所述输气管道之间的焊缝组织包括铁素体和奥氏体，其中铁素体的重量分数为30％～60％。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：能够适用于酸性腐蚀环境和高氯油气的运输，能够确保焊接接头满足抗氯离子腐蚀性能要求和力学性能要求，保证管道的安全运行。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明一个示例性实施例的横截面为圆形的连接块。

图2示出了本发明一个示例性实施例的横截面为等腰梯形的连接块。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的石油天然气输气管路系统和输气管道的焊接方法。

在石油天然气田开发中，油气田有害介质特别是Cl^-等，对井下套管和油气装置管道等危害很大。由于双相(铁素体和奥氏体)不锈钢的优异特性，其可以应用到石油天然气输送管道中，以解决耐腐蚀的问题；同时，双相不锈钢管道的焊接也十分重要。因此本发明就提供了一种适用于酸性耐腐蚀环境的石油天然气输气管路系统和输气管道的焊接方法，本发明尤其适用于高氯油天然气的输送，例如氯离子含量为数千至数万mg/L的天然气，例如10677mg/L、15000±1000mg/L的天然气。。

本发明一方面提供了一种石油天然气输送管道的焊接方法。

在本发明的石油天然气输送管道的焊接方法的一个示例性实施例中，所述焊接方法包括以下步骤：

通过机械方式对所述输气管道的待焊接端进行下料切割和坡口加工；

清洗所述坡口和坡口周边管道表面，在所述输气管道待焊接端设置内部保护装置或构筑气坝，可以并将两个输气管道待焊接端的坡口组对，形成焊口；其中，清洗步骤和设置内部保护装置(或构筑气坝)可不分先后顺序。

将与所述管道材质相同的连接块置于组对的坡口之间，通过点焊将连接块与组对的坡口连接；

对焊口进行密封，形成密封层，按照钟点位置，在密封层的X点钟位置设置出气口，其中，10≤X≤12或0＜X≤2；当在所述管道待焊接端内部构筑气坝时，还须在密封层的Y点钟位置设置进气口，其中，5≤Y≤7；其中，可用密封带或封口胶对焊口进行密封。优选的，X＝12，Y＝6。

通过所述内部保护装置或进气口向焊口内部空间充入充背面保护气体；

在所述密封层上依次进行根焊和热焊，焊接过程持续充入背面保护气体，并在根焊过程中移除所述连接块；其中，在根焊和热焊的过程中，也将出气口焊接。

热焊结束之后，停止充入背面保护气体。

继续进行填充焊和盖面焊。

在本实施例中，石油天然气输送管道可包括双相(铁素体-奥氏体)组织，双相组织中铁素体的质量分数可为40～60％，奥氏体的质量分数可为60～40％。

在本实施例中，所述输气管道可包括：重量分数(即质量分数)为40～60％的铁素体和60～40％的奥氏体，例如45％的铁素体、54％的奥氏体。

所述输气管道可包括按重量百分比(即质量百分比)计的如下成分：

≤0.03％C、22～23％Cr、3～3.5％Mo、≤2％Mn、≤1％Si、≤0.030％P、≤0.02％S、4.5～6.5％Ni、0.14～0.20％N，其余为铁。

例如，可包括：0.02％C、22.2％Cr、3.1％Mo、1.5％Mn、0.6％Si、0.02％P、0.01％S、5.5％Ni、0.16％N。

本发明的输气管道的屈服强度可达400MPa，抗点蚀当量值可达25～43，具有优良的力学性能和抗Cl^-应力腐蚀性能，使用寿命长。同比采用奥氏体不锈钢，采用该双相不锈钢其厚度可以减少一半，材料费用可以节约1/3，是属于性能/价格比较高的精品不锈钢。同时，其优异的抗腐蚀性能，能节约大量的安全资金投入和维护、保养费用，其使用寿命是奥氏体不锈钢的3倍。本发明的铁-奥双相不锈钢，具有良好的力学性能和优良的抗Cl-应力腐蚀能力，特别适用于普通钢和一般不锈钢不能承受的高Cl-湿气的集输管网建设。输气管道可采用UNS S32205型铁-奥双相不锈钢。

在本实施例中，切割下料和坡口加工采用机械方式切割，可以避免火焰切割、加工中渗碳以及改变母材(即管道)双相组织的情况；切割刀具可采用不锈钢刀具。

在本实施例中，所述清洗坡口周边管道表面的步骤包括：清洗从坡口边缘至距离坡口边缘80mm～120mm范围的管道外表面和/或内表面。例如，可使用丙酮或无水乙醇来清洗坡口边缘至距离坡口边缘100mm范围的管道外表面和/或内表面。

清洗坡口和坡口周边管道表面可以去除表面的氧化物、油污等杂质，避免这些杂质混入熔池影响焊接质量。

在本实施例中，焊接材料，例如焊丝，在使用之前也应使用丙酮等溶剂进行清洗。

在本实施例中，可通过点焊将若干个连接块与两个输气管道待焊接端的坡口进行连接，这样能够保证坡口组对间隙的均匀。，在进行所述点焊的同时，也可以进行内部充氩保护，这样可以防止或减少氧气对焊接的影响，空气过多会造成焊缝根部氧化严重，导致焊缝不合格及割口重焊，会造成工期延长和人力物资浪费。

在本实施例中，组对完毕后，用连接块进行点焊固定，连接块材质应和基层材质一致。点焊固定时也必须进行内部充氩保护并采用和工艺相同的焊接参数焊接。

连接块的数量可根据管道的直径来确定，例如，当所述管道外径≤60mm时，可将1～2个块连接块置于组对坡口之间，例如可按照钟点位置，将1块连接块置于组对坡口的12点钟位置或6点钟位置，当然也可置于其他钟点位置，只要能够保证坡口组对间隙的均匀即可；

当所述管道外径大于60mm，且小于等于114mm时，将2～4个连接块分别置于组对坡口之间的不同位置；优选的，按照钟点位置，可将2块连接块分别置于组对坡口的3点钟位置和9点钟位置，当然也可置于其他钟点位置，只要能够保证坡口组对间隙的均匀即可。

当所述管道外径大于114mm时，将3～6个块连接块分别置于组对坡口之间的不同位置。例如，可按照钟点位置，将3块连接块分别置于组对坡口的3点钟位置、9点钟位置和12点钟位置，也可将3块连接块分别置于组对坡口的3点钟位置、9点钟位置和6点钟位置，当然也可置于其他钟点位置，只要能够保证坡口组对间隙的均匀即可。

图1示出了本发明一个示例性实施例的横截面为圆形的连接块。图2示出了本发明一个示例性实施例的横截面为等腰梯形的连接块。连接块的形状可根据管道的壁厚和/或直径来确定。其中，对于壁厚较薄、直径较小的管道，可将圆棒状的连接块放入组对的坡口之间，圆棒状连接块的长度要适度，不能太长；对于管壁较厚的管道，可采用截面为等腰梯形的连接块，其长度也要适度。例如，当所述管道的壁厚≤6mm时，所述连接块横截面可包括圆或椭圆，如图1示出的横截面为圆形的连接块；当所述管道的壁厚＞6mm，所述连接块横截面可包括梯形，如图2示出的横截面为梯形的连接块。其中，对于支管联接的焊口，可根据主管的壁厚来决定使用连接块的形状。

在本实施例中，在本实施例中，移除连接块时可用砂轮机磨除，并修磨除尽点焊焊缝金属。

在本实施例中，切割、坡口加工及打磨步骤，可采用双相不锈钢专用的钢丝刷和砂轮片，与常规的碳钢钢丝刷、砂轮片不同之处在于不锈钢钢丝刷和砂轮片钢丝刷材质为不锈钢，用于铁-奥双相不锈钢的清理和焊接接头的打磨及层间清理，这样可以避免熔池金属被碳钢材质污染，保证焊接接头耐腐蚀性能。

在本实施例中，可采用非接触引弧的氩弧焊机进行根焊和热焊。

在本实施例中，当无法采用内保护装置时，例如碰死口等情况，可在管道待焊接端的内部构筑气坝。所述构筑气坝的材料可包括易排除的材料，例如，溶于水的材料或在通球测试中易排除的材料，在通球测试中易排除的材料可包括直径等于或略大于所述长距离输送管道内径的橡胶圆片，橡胶圆片厚度可为2mm～5mm，优选地，为3mm。

在本实施例中，背面保护气体可包括惰性气体、或者惰性气体与氮气的混合气体，例如，可为氩气与氮气的混合气体，其中氮气的质量分数为2％～3％，也可为纯度不低于99.99％的氩气；焊缝背面保护气体氧含量可控制在≤50ppm，这样背面焊缝可得到较好的腐蚀性能和成型，也能保证其双相组织特性。。

在本实施例中，在根焊之前，所述焊接方法还包括步骤：对焊口内部的空间的氧气含量进行检测；当氧气含量小于50ppm，例如30±5ppm，可进行后续的焊接步骤，这样可以防止或减少焊口内部空间的氧气对焊接的影响。在该步骤中，可通过设置一个测氧仪来进行检测氧气含量。

在本实施例中，在所述根焊步骤中：根焊时，在根焊收口前，背面保护气控制在15～30L/min；根焊收口时，背面保护气控制在10～15L/min范围之内。

在本实施例中，所述进行热焊的步骤包括：在根焊结束之后，进行第一层热焊；待焊道冷却至≤100℃，清理焊道；继续进行第二层热焊。其中，可用粗纱布包覆焊口，然后淋冷却水来实现冷却。热焊是根焊完成后立即进行的第二层焊道，进行热焊的目的是保证焊层厚度，避免焊层太薄产生撕裂。

在本实施例中，在各焊接工序结束中，可通过冷却淋水用粗纱布包覆(即用粗纱布包覆焊口，然后淋冷却水)，使整个管口冷却均匀。

在本实施例中，在根焊与热焊完成后，焊缝的宽度可为5mm～7mm，优选的，可为6mm。热焊结束之后可拆除内保护装置。

在本实施例中，填充焊的焊层包括2～4层，例如2层，每层焊接结束之后，都要进行冷却和清理阶段，其中，每层焊接结束之后，需将焊层温度冷却至100℃以下，降低焊接接头在高温停留时间过长而产生晶间腐蚀。

在盖面焊结束之后，也要继续冷却和清理。

在本实施例中，每层焊接厚度控制在2.0mm～3.5mm，进一步地，可为2.5mm～3.0mm，这样可以使焊缝金属热输入在合适范围，保证铁素体、奥氏体两项组织平衡。这里的焊层包括了根焊、热焊、填充焊和盖面焊形成的焊层。

在本实施例中，所述焊接方法完成之后得到焊缝的组织包括铁素体和奥氏体，其中，组织中铁素体的重量分数为30％～60％，例如45±3％，其余可为奥氏体。这样可以确保焊接接头能满足抗氯离子腐蚀性能要求和力学性能要求，保证管道的安全运行。

在本实施例中，所述方法还包括步骤：在焊接完成之后，对焊缝的铁元素进行检测。

在本实施例中，所述方法还包括步骤：在焊接完成之后，对焊道进行检测。

本发明另一方面提供了一种石油天然气输气管路系统，在本发明的石油天然气输气管路系统的一个示例性实施例中，所述管路系统可包括：从开采现场的井口装置至中央处理厂的脱水脱烃装置之间的输气管道和/或运输含醇含烃天然气的输气管道可以具有铁素体和奥氏体双相组织，其中，所述具有铁素体和奥氏体双相组织的输气管道之间的焊接方法包括采用如上所述的焊接方法进行焊接，例如所述具有铁素体和奥氏体双相组织的输气管道之间的焊接方法可包括步骤：通过机械方式对所述输气管道的待焊接端进行下料切割和坡口加工；清洗所述坡口和坡口周边管道表面，在所述输气管道待焊接端设置内部保护装置或构筑气坝，并进行坡口组对，形成焊口；将与所述输气管道材质相同的连接块置于组对的坡口之间，通过点焊将连接块与组对的坡口连接；对焊口进行密封，形成密封层，按照钟点位置，在密封层的X点钟位置设置出气口，其中，10≤X≤12或0＜X≤2，当在所述待焊接端内部构筑气坝时，还须在密封层的Y点钟位置设置进气口，其中，5≤Y≤7；通过所述内部保护装置或进气口向焊口内部空间充入背面保护气体；在所述密封层上依次进行根焊和热焊，焊接过程持续充入背面保护气体，并在根焊过程中移除所述连接块；热焊结束之后，停止充入背面保护气体；继续进行填充焊和盖面焊。

在本实施例中，所述具有铁素体和奥氏体双相组织的输气管道包括重量分数为：40～60％的铁素体和60～40％的奥氏体。

在本实施例中，本发明的石油天然气输气管路系统适用于高Cl^-湿气的集输管网建设，其氯离子含量可为数千至数万mg/L的天然气，例如天然气的Cl^-含量可为10677mg/L、15000±1000mg/L。

综上所述，本发明的管路系统能够适用于酸性腐蚀环境和高氯油气的运输，本发明的焊接方法能够确得到具有铁素体和奥氏体的焊缝组织，该焊接组织耐氯离子点蚀、耐应力腐蚀和抗腐蚀性能优良。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种石油天然气输气管路系统，其特征在于，所述管路系统包括：从开采现场的井口装置至中央处理厂的脱水脱烃装置之间的输气管道和/或运输含醇含烃天然气的输气管道具有铁素体和奥氏体双相组织，其中，所述具有铁素体和奥氏体双相组织的输气管道之间的焊接方法包括步骤：

通过机械方式对所述输气管道的待焊接端进行下料切割和坡口加工；

清洗所述坡口和坡口周边管道表面，在所述输气管道待焊接端设置内部保护装置或构筑气坝，并进行坡口组对，形成焊口；

将与所述输气管道材质相同的连接块置于组对的坡口之间，通过点焊将连接块与组对的坡口连接；

对焊口进行密封，形成密封层，按照钟点位置，在密封层的X点钟位置设置出气口，其中，10≤X≤12或0＜X≤2，当在所述待焊接端内部构筑气坝时，在密封层的Y点钟位置设置进气口，其中，5≤Y≤7；

通过所述内部保护装置或进气口向焊口内部空间充入背面保护气体；

在所述密封层上依次进行根焊和热焊，焊接过程持续充入背面保护气体，并在根焊过程中移除所述连接块；

热焊结束之后，停止充入背面保护气体；

继续进行填充焊和盖面焊。

2.根据权利要求1所述的石油天然气输气管路系统，其特征在于，所述具有铁素体和奥氏体双相组织的输气管道包括重量分数为40～60％的铁素体和60～40％的奥氏体。

3.根据权利要求1所述的石油天然气输气管路系统，其特征在于，所述输气管道包括按重量百分比计的如下成分：≤0.03％C、22～23％Cr、3～3.5％Mo、≤2％Mn、≤1％Si、≤0.030％P、≤0.02％S、4.5～6.5％Ni、0.14～0.20％N。

4.根据权利要求1所述的石油天然气输气管路系统，其特征在于，所述输气管道之间的焊缝组织包括铁素体和奥氏体，其中，铁素体的重量分数为30％～60％。

5.一种石油天然气输送管道的焊接方法，其特征在于，所述焊接方法包括以下步骤：

通过机械方式对所述输气管道的待焊接端进行下料切割和坡口加工；

清洗所述坡口和坡口周边管道表面，在所述输气管道待焊接端设置内部保护装置或构筑气坝，并进行坡口组对，形成焊口；

将与所述管道材质相同的连接块置于组对的坡口之间，通过点焊将连接块与组对的坡口连接；

对焊口进行密封，形成密封层，按照钟点位置，在密封层的X点钟位置设置出气口，其中，10≤X≤12或0＜X≤2，当在所述待焊接端内部构筑气坝时，在密封层的Y点钟位置设置进气口，其中，5≤Y≤7；

通过所述内部保护装置或进气口向焊口内部空间充入背面保护气体；

在所述密封层上依次进行根焊和热焊，焊接过程持续充入背面保护气体，并在根焊过程中移除所述连接块；

热焊结束之后，停止充入背面保护气体；

继续进行填充焊和盖面焊。

6.根据权利要求5所述的石油天然气输送管道的焊接方法，其特征在于，所述清洗坡口周边管道表面的步骤包括：清洗从所述坡口边缘至距离坡口边缘80mm～120mm范围的管道外表面和/或内表面。

7.根据权利要求5所述的石油天然气输送管道的焊接方法，其特征在于，当所述输气管道外径小于等于60mm时，将1～2个连接块置于组对坡口之间；

当所述输气管道外径大于60mm，且小于等于114mm时，将2～4个连接块分别置于组对坡口之间的不同位置；

当所述输气管道外径大于114mm时，将3～6个连接块分别置于组对坡口之间的不同位置。

8.根据权利要求5所述的石油天然气输送管道的焊接方法，其特征在于，当所述输气管道的壁厚≤6mm时，所述连接块横截面的形状包括圆形或椭圆形；

当所述管道的壁厚＞6mm时，所述连接块横截面的形状包括梯形。

9.根据权利要求5所述的石油天然气输送管道的焊接方法，其特征在于，在所述根焊步骤中：根焊收口前，背面保护气体控制在15～30L/min；根焊收口时，背面保护气体控制在10～15L/min。

10.根据权利要求5所述的石油天然气输送管道的焊接方法，其特征在于，所述进行热焊的步骤包括：

在根焊结束之后，进行第一层热焊；

待焊道冷却至≤100℃，清理焊道；

继续进行第二层热焊。