含硫管道焊缝热处理焊缝变形事件探析

2022-09-10

前言:

随着社会的进步发展, 对于清洁能源的要求与日俱增, 特别对于天然气的需求更是迫在眉睫;近年发现的大型气田H2S的含量较高, 如普光气田、和田河气田等;随着这些气田的逐渐开发, 国内对于含硫气田的开发已经积累一定的施工经验, 在含硫管道施工工序中, 最重要的一步就是焊缝的消除应力热处理, 通过热处理后的焊缝, 可以减少H2S对于焊缝的应力腐蚀, 提高管道的使用寿命。在和田河气田含硫管道热处理施工过程中频繁出现热处理后的焊缝发生鼓包、变形现象。

一、焊缝热处理后发生变形原因分析

1. 焊缝区域组成对于变形可能造成的影响

焊接完成后, 由于焊缝自身成型原因会分为四个区域, 分别是过热区、相变重结晶区不完全结晶区以及再结晶区, 其分布特点如下[1]:

①过热区

温度在固相线至1100℃之间, 宽度约1~3mm。

②相变重结晶区

温度在1100℃~Ac3之间, 宽度约1.2~4.0mm。焊后空冷使该区内的金属相当于进行了正火处理, 故其组织为均匀而细小的铁素体和珠光体, 力学性能优于母材。

③不完全重结晶区

加热温度在Ac3~Ac1之间。焊接时, 只有部分组织转变为奥氏体;冷却后获得细小的铁素体和珠光体, 其余部分仍为原始组织, 晶粒大小不均匀, 力学性能也较差。

④再结晶区

如果母材焊前经过冷加工变形, 温度在Ac1~450℃之间, 还有再结晶区。该区域金属的力学性能变化不大, 只是塑性有所增加。

经过对现场发生变形的区域进行测量, 发现变形区域均处于1.2~4.0mm之间, 正好处于相变重结晶区区域内, 含硫管道热处理加热最高温度为620℃, 通过恒温30min, 然后通过措施缓冷至环境温度, 属于典型的退火工艺, 通过退火工艺后, 该区域塑性明显增加, 屈服强度降低, 从而为焊缝发生鼓包变形创造前提条件。

2. 管道自身重力对于焊缝变形可能造成的影响

和田河气田位于塔克拉玛干沙漠边缘, 麻扎塔格山北麓, 该区域属于典型的沙漠气候, 地势起伏大, 在含硫管道施工过程中, 通过作业带清理工作后, 地势可以满足管道施工需要, 但是管道最大纵向坡度能达到30度左右, 而且延展长度大, 最长处为2000m左右, 通过现场调查发现, 热处理后出现鼓包变形的焊缝均位于管道纵向变坡点, 且焊缝变形方向均为内测;

根据受力分析, 当管道敷设有一定坡度时, 管道自身重力沿着管道方向的分力随着管道的加长而变大, 当该分力大于管道发生变形的屈服强度时, 焊缝将会在相变重结晶区发生变形。

管道自身重力影响焊缝变形大小有两个因素:

①管道敷设角度

管道敷设角度越大, 管道自身重力在管道敷设方向上的分力越大, 造成焊缝变形的推力越大;

②管道敷设长度

管道敷设长度越长, 管道自身的重力越大, 管道敷设方向上的分力越大, 给予焊缝变形的推力越大。

3. 热应力对于焊缝变形可能造成的影响

和田河气田属于典型的沙漠气候, 昼夜温差大, 管道敷设完工后, 温度变化时管道不能自由地膨胀或收缩, 致使产生热应力, 热应力愈大, 影响焊缝变形的推力愈大;影响焊缝变形的推力计算公式如下[2]:

P由于热应力产生的推力N;

α钢材平均线膨胀系数10-6mm/mm;

E钢材弹性模量103MPa;

△T温度变化℃;

A管道截面积mm2。

由公式1可以得出影响热应力大小的因素有三个方面:

①钢材平均线膨胀系数对于焊缝变形的影响

由GB150.2《压力容器—材料》表3.3.1可以得出, 钢材平均线膨站系数随着环境温度的升高而变大, 环境温度越高平均线膨胀系数越大, 热应力愈大, 影响焊缝变形的推力越大。

②钢材弹性模量对于焊缝变形的影响

根据公式1可以得出, 随着钢材的弹性模量变大, 影响焊缝变形的推力越大。

③温度变化对于焊缝变形的影响

由公式1可以得出, 温度变化愈大, 对于影响焊缝变形的推力愈大, 沙漠地区昼夜地表温差最大可以达到50余摄氏度, 因此温度变化是影响焊缝变形的一个主要因素。

④管道口径对于焊缝变形的影响

管道口径越大, 截面积越大, 焊缝变形推力越大;因此在沙漠地区, 大口径管道焊缝热处理后存在变形的概率越高。

4. 结论

经过如上分析, 在固定施工区域, 管道口径确定后, 钢材弹性模量及钢材平均线膨胀系数为定值, 因此温度变化直接影响热应力的大小, 所以温度变化和管道自身重力对于热处理后焊缝产生变形的主要因素, 只要在热处理施工中解决好温度变化及管道自身重力两个因素对于热处理后焊缝变形的影响, 即可以消除管道热处理后焊缝变形的现象。