CN117506064A - 一种超临界co2管道环焊工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于CO2管道建设技术领域，具体涉及一种超临界CO2管道环焊工艺。本发明所提供的超临界CO2管道环焊工艺，根焊选用了ER 70S‑3焊丝，熔敷金属S、P含量低，具有优良的塑性、冲击韧性和抗氢致开裂HIC/硫化物应力开裂SSC性能；热焊、填充焊和盖面焊选用的ER 80S‑G焊丝，适用于低温容器、管道、机械、LNG储罐等行业，可满足‑75℃低温环境要求，熔敷金属具有良好的机械性能，且进一步降低Si含量，‑75℃低温下具有优良的韧性。

Description

一种超临界CO2管道环焊工艺
技术领域
本发明属于CO2管道建设技术领域，具体涉及一种超临界CO2管道环焊工艺。
背景技术
碳捕集、封存和利用(Carbon capture,utilization and storage,CCUS)技术，是我国未来减少CO2排放、保障能源安全和实现可持续发展的重要手段。管道输送具有输送量大、效率高、单位成本低的特点，适用于CO2的大规模远距离输送，是CCUS中的重要环节。超临界CO2管道建设中，焊接接头的性能是影响管道安全运行和使用寿命的主要因素。
由于显著的焦耳-汤姆逊冷却效应，CO2管道泄漏时会发生相变，产生低温现象，理论上局部最低温度可降至-78℃，低温降低了管材和焊接接头的韧性，同时还会产生局部残余应力，诱发脆性断裂。为避免低温脆性起裂，CO2管道的管材和焊接接头的最低使用温度要求更为严格，美国CORTEZ CO2管道提出-30℃低温韧性要求，甚至在一些管道规范中最低出现-45℃的低温韧性要求。此外，当管道内存在液态水时，CO2部分溶解形成碳酸，对管道的腐蚀问题不可忽视。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种超临界CO2管道环焊工艺，以适用直径323.9～609.6mm，厚度12.5～17.5mm，超临界CO2输送用X65/X70钢管。采用本发明的焊接工艺制备的管道环焊接头具有较强的抗HIC/SSC能力，同时在-60℃时的冲击韧性不低于180J。
本发明所提供的技术方案如下：
一种超临界CO2管道环焊工艺，包括以下步骤：
1)对各待焊接钢管进行处理，将待焊接管端面加工出对应的J型坡口；
2)对各钢管内外除杂，对坡口表面两侧进行打磨处理；
3)将要焊接的两个所述待焊接钢管进行管口对接组对，间隙为0～2mm；
4)采用感应加热或火焰加热的方法对坡口两侧进行预热，预热后清除表面污垢；
5)依次进行根焊、热焊、填充焊和盖面焊，其中：
采用自动钨极氩弧焊焊接方法进行根焊，根焊选用ER 70S-3焊丝；
采用熔化极气体保护焊焊接方法进行热焊，热焊选用ER 80S-G焊丝；
采用熔化极气体保护焊焊接方法进行填充焊，填充焊选用ER 80S-G焊丝；
采用熔化极气体保护焊焊接方法进行盖面焊，盖面焊选用ER 80S-G焊丝；
6)对焊后接头进行热处理，完成环焊。
上述技术方案中，根焊选用了ER 70S-3焊丝，熔敷金属S、P含量低，具有优良的塑性、冲击韧性和抗HIC/SSC性能；热焊、填充焊和盖面焊选用的ER 80S-G焊丝，适用于低温容器、管道、机械、LNG储罐等行业，可满足-75℃低温环境要求，熔敷金属具有良好的机械性能，且进一步降低Si含量，-75℃低温下具有优良的韧性。
具体的，步骤1)中：
待焊接钢管为X65钢或X70钢，外径323.9～609.6mm，厚度12.5～17.5mm；
要焊接的两个所述待焊接钢管选用相同的钢材。
具体的，步骤1)中：
J型坡口的坡口面角度为7°～9°；
J型坡口的根部半径为3～5mm；
J型坡口的钝边高度为2～4mm；
J型坡口的根部间隙为0～2mm。
具体的，步骤2)中：坡口表面两侧的打磨处理范围不少于50mm。
具体的，步骤4)中：
坡口两侧进行预热范围不少于80mm；
预热温度为130～180℃。
具体的，步骤5)中，根焊的条件为：
采用100％Ar保护气；
采用耐蚀性良好的ER 70S-3焊丝，规格为φ1.6～2.4mm；
自动钨极氩弧焊焊接的热输入量为0.4～1.2kJ/mm。
具体的，步骤5)中，热焊的条件为：采用体积比为80％Ar+20％CO2的保护气；CO2气体纯度≥99.8％，Ar气体纯度≥99.99％，CO2气体含水量≤0.001％；ER 80S-G焊丝的规格为φ1.0～1.6mm；在钢管水平固定向下的焊接位置进行焊接；熔化极气体保护焊的热输入量为0.4～1.2kJ/mm。
具体的，步骤5)中，填充焊的条件为：采用体积比为80％Ar+20％CO2的保护气；CO2气体纯度≥99.8％，Ar气体纯度≥99.99％，CO2气体含水量≤0.001％；ER 80S-G焊丝的规格为φ1.0～1.6mm；在钢管水平固定向下的焊接位置进行焊接；熔化极气体保护焊的热输入量为0.4～1.2kJ/mm。
具体的，步骤5)中，盖面焊的条件为：采用体积比为80％Ar+20％CO2的保护气；CO2气体纯度≥99.8％，Ar气体纯度≥99.99％，CO2气体含水量≤0.001％；ER 80S-G焊丝的规格为φ1.0～1.6mm；在钢管水平固定向下的焊接位置进行焊接；熔化极气体保护焊的热输入量为0.4～1.2kJ/mm。
热焊、填充焊和盖面焊在5G(向下)焊接位置使用全机械化GMAW进行焊接。轨道机器人连接到计算机控制的GMAW逆变器。焊接条件预先编程，并存储在设备的电子存储器中，以便沿着各个管道段保持一致的质量。
具体的，步骤5)中：层间温度范围为130～180℃。
步骤5)中，焊接下一道之前，应用动力角向砂轮机磨除已完成焊道表面的熔渣、密集气孔、引弧点或接头高凸处。焊口完成后，应将接头表面的熔渣、飞溅等清除。
具体的，步骤6)中：热处理温度为620±15℃，热处理时间为0.8～1.2h；优选为620℃×1h。
基于本发明的环焊工艺，管道环焊接头具有较强的抗HIC/SSC能力，同时在-60℃时的冲击韧性不低于180J。可满足CO2管道抗腐蚀和低温环境的工程应用需求。
附图说明
图1是J型坡口结构示意图。
图2是焊接道数示意图。
图3是环焊缝接头性能检测取样位置图。
图4是接头的显微硬度(HV10)。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
超临界CO2管道环焊工艺，具体包括以下步骤：
1)准备外径323.9mm，厚度17.5mm，长度不小于10000mm的X65试验钢管两根；
2)采用坡口机在试验钢管待焊端口加工J型坡口，结构如图1所示，钢管壁厚δ为17.5mm，坡口面角度β为8°，根部半径R为5mm，钝边高度P为2.0mm，根部间隙d为0mm；
3)管口组对前，对钢管内外进行清扫处理确保无杂物，对坡口表面两侧50mm范围内进行打磨处理，直至露出金属光泽；
4)将待焊钢管进行管口对接组对，间隙为0mm；
5)采用感应加热或火焰加热的方法对坡口两侧不少于80mm范围位置进行预热，预热和层间温度范围为165℃，预热后清除表面污垢；
6)根焊时采用100％Ar保护气，热焊、填充焊和盖面焊时采用80％Ar+20％CO2(体积比)保护气；CO2气体纯度≥99.8％，Ar气纯度≥99.99％，CO2气体含水量≤0.001％；
7)根焊选用φ1.6mm耐蚀性良好的ER 70S-3焊丝，采用全自动TIG焊接方法，焊接过程中，热输入量为0.7kJ/mm；
8)焊接下一道之前，应用动力角向砂轮机磨除已完成焊道表面的熔渣、密集气孔、引弧点或接头高凸处。焊口完成后，应将接头表面的熔渣、飞溅等清除干净；
9)热焊、填充焊和盖面焊选用φ1.0mm的ER 80S-G焊丝，采用轨道机器人在5G(向下)焊接位置全自动GMAW方法进行焊接(图2)，保障沿管道各段保持焊接质量一致。焊接过程中，热输入量为0.9kJ/mm；
10)对焊后接头进行620℃×1h热处理；
11)对焊后接头的硬度、室温拉伸性能、低温冲击性能等性能进行检测，取样位置如图3所示，检测结果如下；
a焊接接头的显微硬度HV10硬度分布如图4所示，接头热影响区的硬度范围为190～224，焊缝区的硬度范围为233～241，母材的硬度为185～210；
b焊接接头的拉伸强度范围为566～571MPa；
c在-60℃，接头有良好的冲击韧性，夏比冲击能量范围为176～192J，平均冲击能量为187J；
d接头的耐弱酸性腐蚀速率为0.01mm/a。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超临界CO2管道环焊工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)对各待焊接钢管进行处理，将待焊接管端面加工出对应的J型坡口；
2)对各钢管内外除杂，对坡口表面两侧进行打磨处理；
3)将要焊接的两个所述待焊接钢管进行管口对接组对，间隙为0～2mm；
4)采用感应加热或火焰加热的方法对坡口两侧进行预热，预热后清除表面污垢；
5)依次进行根焊、热焊、填充焊和盖面焊，其中：
采用自动钨极氩弧焊焊接方法进行根焊，根焊选用ER 70S-3焊丝；
采用熔化极气体保护焊焊接方法进行热焊，热焊选用ER 80S-G焊丝；
采用熔化极气体保护焊焊接方法进行填充焊，填充焊选用ER 80S-G焊丝；
采用熔化极气体保护焊焊接方法进行盖面焊，盖面焊选用ER 80S-G焊丝；
6)对焊后接头进行热处理，完成环焊。
2.根据权利要求1所述的超临界CO2管道环焊工艺，其特征在于，步骤1)中：
待焊接钢管为X65钢或X70钢，外径323.9～609.6mm，厚度12.5～17.5mm；
要焊接的两个所述待焊接钢管选用相同的钢材。
3.根据权利要求1所述的超临界CO2管道环焊工艺，其特征在于，步骤1)中：
J型坡口的坡口面角度为7°～9°；
J型坡口的根部半径为3～5mm；
J型坡口的钝边高度为2～4mm；
J型坡口的根部间隙为0～2mm。
4.根据权利要求1所述的超临界CO2管道环焊工艺，其特征在于，步骤2)中：坡口表面两侧的打磨处理范围不少于50mm。
5.根据权利要求1所述的超临界CO2管道环焊工艺，其特征在于，步骤4)中：
坡口两侧进行预热范围不少于80mm；
预热温度为130～180℃。
6.根据权利要求1所述的超临界CO2管道环焊工艺，其特征在于，步骤5)中，根焊的条件为：
采用100％Ar保护气；
ER 70S-3焊丝的规格为φ1.6～2.4mm；
自动钨极氩弧焊焊接的热输入量为0.4～1.2kJ/mm。
7.根据权利要求1所述的超临界CO2管道环焊工艺，其特征在于，步骤5)中：
热焊的条件为：采用体积比为80％Ar+20％CO2的保护气；CO2气体纯度≥99.8％，Ar气体纯度≥99.99％，CO2气体含水量≤0.001％；ER 80S-G焊丝的规格为φ1.0～1.6mm；在钢管水平固定向下的焊接位置进行焊接；熔化极气体保护焊的热输入量为0.4～1.2kJ/mm；
填充焊的条件为：采用体积比为80％Ar+20％CO2的保护气；CO2气体纯度≥99.8％，Ar气体纯度≥99.99％，CO2气体含水量≤0.001％；ER 80S-G焊丝的规格为φ1.0～1.6mm；在钢管水平固定向下的焊接位置进行焊接；熔化极气体保护焊的热输入量为0.4～1.2kJ/mm；
盖面焊的条件为：采用体积比为80％Ar+20％CO2的保护气；CO2气体纯度≥99.8％，Ar气体纯度≥99.99％，CO2气体含水量≤0.001％；ER 80S-G焊丝的规格为φ1.0～1.6mm；在钢管水平固定向下的焊接位置进行焊接；熔化极气体保护焊的热输入量为0.4～1.2kJ/mm。
8.根据权利要求1所述的超临界CO2管道环焊工艺，其特征在于，步骤5)中：层间温度范围为130～180℃。
9.根据权利要求1至8任一所述的超临界CO2管道环焊工艺，其特征在于，步骤6)中：热处理温度为620±15℃；热处理时间为0.8～1.2h。
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