CN111421296B - 用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法 - Google Patents

用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法，其根据收集的碳钢支管焊缝的原始数据对堆焊结构进行设计，确保堆焊结构满足结构强度和结构完整性对最小有效壁厚要求，并按照设计的堆焊结构对碳钢支管焊缝进行堆焊修复，施焊时通过控制焊接工艺(包括热输入、焊道搭接)和堆焊结构实现对碳钢结构修复的回火效应，实现了碳钢支管焊缝现场修复时焊后免除焊接热处理条件下的质量保证。与现有技术相比，本发明对碳钢支管焊缝进行在线堆焊修复时，不需要停运系统或隔离管道，可免除焊后热处理，通过结构补强和应力改善，可保障碳钢支管焊缝满足全寿期运行要求。

Description

用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法
技术领域
本发明属于焊接修复领域，更具体地说，涉及一种用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法。
背景技术
在配管设计中，支管焊缝是主管和支管常用的连接方式，其中，碳钢支管焊缝结构在电力、石油、化工等行业承压设备和管道中广泛应用。工程项目中，因制造或运行等原因，支管焊缝内部或表面会产生各类缺陷，需要进行维修处理。如采用挖补、管件更换等传统返修方式处理，往往需临时停运和部分隔离相关的管线系统，影响系统功能且在部分场合下不可行，因此希望采用在线修复的方法。此外，碳钢支管焊缝在服役状态下进行返修时一般不具备实施焊后热处理条件，传统堆焊主要用于赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸，没有重点考虑含缺陷状态零部件的结构强化和残余应力调控等影响安全性的因素，也没有过多考虑内部水环境等工况条件导致熔融金属冷却速度加快对碳钢材料淬火效应的影响。
在线堆焊修复技术是在不排空内部介质条件下对碳钢支管焊缝待修复区域表面堆焊一定尺寸的熔敷金属，堆焊层构成新的压力边界，实现对支管焊缝的结构强化，同时改善支管焊缝内部残余应力的状态及分布，进而保证堆焊后结构满足剩余寿期安全运行要求。此方法无需去除缺陷金属，无需对相关管线进行切割、隔离，减少返修过程与管道内部介质及被其污染的金属接触，节约返修时间。
目前，国内外已有不锈钢管道焊缝和异种金属接管安全端焊缝在线堆焊修复的实施案例，修复后的结构满足安全运行要求。但尚未有成熟的碳钢支管焊缝在不排空内部介质环境下在线堆焊修复的实施案例，材料特性和工况条件的不同使得碳钢支管焊缝不能采用与不锈钢管道焊缝或异种金属接管安全端焊缝相同的方式进行在线堆焊修复。
鉴于此，确有必要提供一种用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法，以实现碳钢支管焊缝在内部介质不排空条件下的在线堆焊修复。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法，其包括以下步骤：
1)收集碳钢支管焊缝的原始数据，并根据收集的原始数据对堆焊结构进行设计，确保堆焊结构满足结构强度和结构完整性对堆焊修复结构尺寸要求，包括：
堆焊结构承载焊缝有效厚度大于结构强度设计要求的最小厚度；
堆焊厚度应满足压力所引起的总体一次薄膜应力强度的限制要求；
缺陷深度小于堆焊后的壁厚的75％；
堆焊厚度应满足根据净截面塌陷理论及极限载荷准则计算的最小计算厚度要求；
堆焊长度应保证应力能在管道和堆焊层中重新分布，以满足一次局部和弯曲应力和二次峰值应力的限制；
当焊接材料为镍基合金时，堆焊层的边缘过渡角应不大于30°，当焊接材料为奥氏体不锈钢或碳钢时堆焊层的边缘过渡角应不大于45°；
2)按照设计的堆焊结构对碳钢支管焊缝进行堆焊修复，施焊时焊道搭接量为40％～70％；有效堆焊层数不少于两层，第一层为打底焊道，后续层焊道在第一层打底焊道上依次叠加并全部位于第一层打底焊道上方，不可接触碳钢基体，在第一层的边缘焊道上方采用增加堆焊焊道方式增强对边缘焊道的回火效应；堆焊修复时的道间温度不超过250℃，前三层的焊接热输入不超过2.5kJ/mm，且前三层的热输入为逐层增大。
作为本发明用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法的一种改进，所述步骤2)按照设计的堆焊结构对碳钢支管焊缝进行堆焊修复前，先对焊缝开展预处理，包括通过锤击和/或熔敷密封焊道对贯穿性裂纹进行密封。
作为本发明用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法的一种改进，所述步骤2)堆焊修复时采用钨极惰性气体保护电弧焊施焊。
作为本发明用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法的一种改进，所述步骤2)堆焊修复时，对于应力腐蚀开裂敏感性低的场合堆焊碳钢材料，对于应力腐蚀开裂敏感性适中且对焊接性要求较高的场合堆焊不锈钢合金材料，对于应力腐蚀开裂敏感性较高或异种金属焊缝的场合堆焊镍基合金材料。
作为本发明用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法的一种改进，当堆焊碳钢材料时，焊接材料选用与母材强度级别相匹配的焊材；当堆焊不锈钢合金材料，首先采用ER309L焊材堆焊一层过渡层，然后采用ER316L焊材堆焊后续层；当堆焊镍基合金材料，手工焊时选用ERNiCr-3，机械焊时选用ERNiCrFe-7/7A。
作为本发明用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法的一种改进，所述步骤2)堆焊修复时采用顺序焊方式施焊，采用“从支管侧依次施焊至主管侧”或“从主管侧依次施焊至支座侧”的施焊方向；其中，当主管壁厚不超过5mm时，采用“从支管侧依次施焊至主管侧”以控制堆焊后的主管变形。
作为本发明用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法的一种改进，所述步骤2)堆焊修复时首层选用不超过1.6mm规格的焊丝。
作为本发明用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法的一种改进，所述步骤2)中，当待焊部件温度低于5℃，或环境温度低于-10℃时，不允许施焊。
作为本发明用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法的一种改进，所述步骤2)堆焊修复时为环向360°整圈熔敷，如马鞍型部位无法整圈堆焊，则马鞍型部位先进行局部施焊。
作为本发明用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法的一种改进，所述步骤1)收集的碳钢支管焊缝的原始数据包括支管焊缝结构尺寸信息、支管焊缝的缺陷相关信息和支管焊缝运行工况信息。
作为本发明用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法的一种改进，还包括焊接前、焊接过程中、焊接后的质量检验工序。
与现有技术相比，本发明用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法至少具有以下优点：
1)在不排空碳钢支管内部介质条件下对碳钢支管焊缝进行在线堆焊修复，不需要停运系统或隔离管道，使得系统因维修而停运的时间大幅缩短，降低了维修成本，提高了在线维修效率，可广泛应用于支管、管道焊缝、密封结构、接管安全端及压力容器等焊缝或部件的维修(包括预防性维修和纠正性维修)及延寿；
2)堆焊层构成新的压力边界，实现了支管焊缝的结构强化，同时改善了支管焊缝内部残余应力的状态及分布，促进堆焊结构压应力的形成，抑制裂纹的萌生和扩展，保障了支管焊缝满足全寿期运行要求；
3)通过控制焊接工艺(包括热输入、焊道搭接)和堆焊结构实现对碳钢结构修复的回火效应，实现了碳钢支管焊缝现场修复时焊后免除焊接热处理条件下的质量保证。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本发明用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法及其有益技术效果进行详细说明。
图1为本发明用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法的一个较佳实施方式的流程图。
图2为本发明用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法的一个较佳实施方式的堆焊焊道布置示意图，其中，后续层未全部示出。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。
请参阅图1和图2，本发明用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法包括以下步骤：
步骤101、收集碳钢支管焊缝的原始数据，并根据收集的原始数据对堆焊结构进行设计，确保堆焊结构满足结构强度和结构完整性对最小有效壁厚要求。
具体的，所需要收集的碳钢支管焊缝的原始数据包括：
1)支管焊缝结构尺寸信息，包括结构类型、管径、壁厚等；
2)支管焊缝的缺陷相关信息；
3)支管焊缝运行工况信息，包括内部介质、压力、温度等。
具体的，根据收集的原始数据对堆焊结构进行设计，需要确保堆焊结构满足结构强度和结构完整性对包括最小有效壁厚要求在内的堆焊修复结构尺寸要求，包括：
堆焊结构承载焊缝有效厚度大于结构强度设计要求的最小厚度；
堆焊厚度应满足压力所引起的总体一次薄膜应力强度的限制要求；
缺陷深度小于堆焊后的壁厚的75％；
堆焊厚度应满足根据净截面塌陷理论及极限载荷准则计算的最小计算厚度要求；
堆焊长度应保证应力能在管道和堆焊层中重新分布，以满足一次局部和弯曲应力和二次峰值应力的限制；
堆焊层的边缘过渡角应不大于30°(当焊接材料为镍基合金时)或45°(当焊接材料为奥氏体不锈钢或碳钢时)。
步骤102、按照设计的堆焊结构对碳钢支管焊缝进行堆焊修复，施焊时焊道搭接量为40％～70％；有效堆焊层数不少于两层，第一层为打底焊道，后续层焊道在第一层打底焊道上依次叠加并全部位于第一层打底焊道上方，不可接触碳钢基体，在第一层的边缘焊道上方采用增加堆焊焊道方式增强对边缘焊道的回火效应；堆焊修复时的道间温度不超过250℃(第一层的道间温度推荐不超过100℃)，前三层的焊接热输入不超过2.5kJ/mm，且前三层的热输入为逐层增大。
具体的，按照设计的堆焊结构对碳钢支管焊缝进行堆焊修复前，根据情况先对焊缝开展预处理，包括通过锤击和/或熔敷密封焊道对贯穿性裂纹进行密封。
具体的，堆焊修复过程的预热、道间温度及后热应满足RCC-M S 1300和RCC-M S7500的要求，道间温度不得超过焊接工艺评定时实际达到的最高道间温度且不超过250℃，焊缝焊后须缓慢冷却。当待焊部件温度低于5℃，或环境温度低于-10℃时，则不允许施焊。
具体的，按照设计的堆焊结构对碳钢支管焊缝进行堆焊修复时，采用钨极惰性气体保护电弧焊(GTAW)施焊。堆焊修复时的堆焊材料是根据缺陷类型及成因、服役工况、材料特性(如热物理特性、耐蚀性、焊接性)等因素确定，可选用如下方案：
方案1：对于应力腐蚀开裂敏感性低的场合，堆焊碳钢材料，焊接材料选用与母材强度级别相匹配的焊材，例如，对于P-No.1材料，焊接材料选用ER70S。
方案2：对于应力腐蚀开裂敏感性适中且对焊接性要求较高的场合堆焊不锈钢合金材料，首先采用ER309L焊材堆焊一层过渡层，然后采用ER316L焊材堆焊后续层。
方案3：对于应力腐蚀开裂敏感性较高或异种金属焊缝的场合堆焊镍基合金材料，手工焊时选用ERNiCr-3，机械焊时选用ERNiCrFe-7/7A。
具体的，堆焊修复时首层选用不超过1.6mm规格的焊丝。
具体的，堆焊修复时采用顺序焊方式施焊(部分情况先在薄弱区进行局部堆焊后再采用顺序焊方式施焊)，可采用“从支管侧依次施焊至主管侧”或“从主管侧依次施焊至支座侧”的施焊方向；其中，当主管壁厚不超过5mm时，采用“从支管侧依次施焊至主管侧”以控制堆焊后的主管变形。
具体的，堆焊修复时为环向360°整圈熔敷，如马鞍型部位无法整圈堆焊，则马鞍型部位先进行局部施焊。
为了确保和验证焊缝质量，本发明用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法还包括焊接前、焊接过程中、焊接后的质量检验工序。
具体的，焊接前检验包括堆焊前目视检验、尺寸检验、液体渗透检验，堆焊过程中的检验包括目视检验、尺寸检验、液体渗透检验，焊接后的检验包括目视检验、尺寸检验、液体渗透检验。
本发明用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法，在支管焊缝待修复区域表面直接堆焊一定尺寸的金属，堆焊层构成新的压力边界，实现了支管焊缝的结构强化，同时改善了支管焊缝内部残余应力的状态及分布，促使堆焊后缺陷区域形成压应力，抑制裂纹的萌生和扩展，合理的控制热输入和堆焊结构可实现堆焊后结构的组织和性能合格，进而保障支管焊缝满足全寿期运行要求。
与现有技术相比，本发明用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法至少具有以下优点：
1)在不排空碳钢支管内部介质条件下对碳钢支管焊缝进行在线堆焊修复，不需要停运系统或隔离管道，使得系统因维修而停运的时间大幅缩短，降低了维修成本，提高了在线维修效率，可广泛应用于支管、管道焊缝、密封结构、接管安全端及压力容器等焊缝或部件的维修(包括预防性维修和纠正性维修)及延寿；
2)堆焊层构成新的压力边界，实现了支管焊缝的结构强化，同时改善了支管焊缝内部残余应力的状态及分布，促进堆焊结构压应力的形成，抑制裂纹的萌生和扩展，保障了支管焊缝满足全寿期运行要求；
3)通过控制焊接工艺(包括热输入、焊道搭接)和堆焊结构实现对碳钢结构修复的回火效应，实现了碳钢支管焊缝现场修复时焊后免除焊接热处理条件下的质量保证。
根据上述原理，本发明还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (11)

1.一种用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)收集碳钢支管焊缝的原始数据，并根据收集的原始数据对堆焊结构进行设计，确保堆焊结构满足结构强度和结构完整性对堆焊修复结构尺寸要求，包括：
堆焊结构承载焊缝有效厚度大于结构强度设计要求的最小厚度；
堆焊厚度应满足压力所引起的总体一次薄膜应力强度的限制要求；
缺陷深度小于堆焊后的壁厚的75％；
堆焊厚度应满足根据净截面塌陷理论及极限载荷准则计算的最小计算厚度要求；
堆焊长度应保证应力能在管道和堆焊层中重新分布，以满足一次局部和弯曲应力和二次峰值应力的限制；
当焊接材料为镍基合金时，堆焊层的边缘过渡角应不大于30°，当焊接材料为奥氏体不锈钢或碳钢时堆焊层的边缘过渡角应不大于45°；
2)按照设计的堆焊结构对碳钢支管焊缝进行堆焊修复，施焊时焊道搭接量为40％～70％；有效堆焊层数不少于两层，第一层为打底焊道，后续层焊道在第一层打底焊道上依次叠加并全部位于第一层打底焊道上方，不可接触碳钢基体，在第一层的边缘焊道上方采用增加堆焊焊道方式增强对边缘焊道的回火效应；堆焊修复时的道间温度不超过250℃，前三层的焊接热输入不超过2.5kJ/mm，且前三层的热输入为逐层增大。
2.根据权利要求1所述的用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法，其特征在于：所述步骤2)按照设计的堆焊结构对碳钢支管焊缝进行堆焊修复前，先对焊缝开展预处理，包括通过锤击和/或熔敷密封焊道对贯穿性裂纹进行密封。
3.根据权利要求1所述的用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法，其特征在于：所述步骤2)堆焊修复时采用钨极惰性气体保护电弧焊施焊。
4.根据权利要求1所述的用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法，其特征在于：所述步骤2)堆焊修复时，对于应力腐蚀开裂敏感性低的场合堆焊碳钢材料，对于应力腐蚀开裂敏感性适中且对焊接性要求较高的场合堆焊不锈钢合金材料，对于应力腐蚀开裂敏感性较高或异种金属焊缝的场合堆焊镍基合金材料。
5.根据权利要求4所述的用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法，其特征在于：当堆焊碳钢材料时，焊接材料选用与母材强度级别相匹配的焊材；当堆焊不锈钢合金材料，首先采用ER309L焊材堆焊一层过渡层，然后采用ER316L焊材堆焊后续层；当堆焊镍基合金材料，手工焊时选用ERNiCr-3，机械焊时选用ERNiCrFe-7/7A。
6.根据权利要求1所述的用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法，其特征在于：所述步骤2)堆焊修复时采用顺序焊方式施焊，采用“从支管侧依次施焊至主管侧”或“从主管侧依次施焊至支座侧”的施焊方向；其中，当主管壁厚不超过5mm时，采用“从支管侧依次施焊至主管侧”以控制堆焊后的主管变形。
7.根据权利要求1所述的用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法，其特征在于：所述步骤2)堆焊修复时首层选用不超过1.6mm规格的焊丝。
8.根据权利要求1所述的用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法，其特征在于：所述步骤2)中，当待焊部件温度低于5℃，或环境温度低于-10℃时，不允许施焊。
9.根据权利要求1所述的用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法，其特征在于：所述步骤2)堆焊修复时为环向360°整圈熔敷，如马鞍型部位无法整圈堆焊，则马鞍型部位先进行局部施焊。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法，其特征在于：所述步骤1)收集的碳钢支管焊缝的原始数据包括支管焊缝结构尺寸信息、支管焊缝的缺陷相关信息和支管焊缝运行工况信息。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的用于碳钢支管焊缝维修的在线堆焊修复方法，其特征在于：还包括焊接前、焊接过程中、焊接后的质量检验工序。
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