一种酸性环境碳钢管道焊接方法与流程

本发明属于焊接技术领域，更具体地讲，涉及一种通过控制焊接材料、焊接工艺及焊后热处理，以提高碳钢管道抗硫化氢腐蚀能力的焊接方法。

背景技术：

在石油、化工行业中，处理含硫化氢介质的生产装置，大多采用碳钢设备，然而，碳钢设备容易受到硫化氢的腐蚀而遭到破坏，会导致被迫停产检修的情况发生，对生产十分不利。一直以来，对用于石油天然气酸性环境碳钢管道焊接的方法都没有统一的技术要求，国内也没有成熟的抗硫碳钢管道焊接的相关案例。

因此，亟需一种从满足酸性环境焊缝抗腐蚀性能和理化性能的要求出发，通过严格控制焊接材料、焊接工艺及焊后热处理等关键环节，以使酸性环境下碳钢焊接质量得到保证，从而更好的满足石油天然气酸性气田的开发和管道建设要求，提高管道使用寿命，减少维护、维修成本的焊接方法。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的在于解决酸性碳钢管道焊接后焊缝性能强度高、硬度高，导致焊缝易因ssc敏感而腐蚀开裂的问题；解决酸性碳钢管道焊接后焊缝中因氢鼓泡，造成焊缝氢脆而导致氢致开裂的问题；解决酸性碳钢管道焊接后因局部应力集中或残余应力集中而产生局部拉应力，在含硫化氢介质作用下诱发硫化物应力腐蚀开裂的问题；解决酸性碳钢管道焊接后焊缝组织中s、p、o含量较高，产生氧化物、硫化物等夹杂严重影响焊缝纯净度，导致焊缝韧性下降的问题。

本发明的一方面提供了一种酸性环境碳钢管道焊接方法，所述方法可以包括：控制母管化学成分，对母管进行坡口加工和组对；对组对后的母管焊口进行预热；利用i类焊材对预热后的焊口进行根焊；利用ii类焊材对焊口进行热焊、填充焊和盖面焊；无损检测后进行焊后热处理，完成碳钢管道焊接，其中，所述母管的化学成分按质量百分数计为：c≤0.14％，si≤0.40％，

mn≤1.35％，p≤0.002％，s≤0.003％，cu≤0.20％，ni≤0.30％，cr≤0.30％，mo≤0.15％，al≤0.060％，ti≤0.04％，b≤0.0005％，ca≤0.006％，n≤0.012％，其余的是fe和不可避免的杂质；所述i类焊材的熔敷金属化学成分按质量百分数计包括：c:0.06％～0.15％，mn≤1.35％，si：0.45％～0.75％，s≤0.008％，p≤0.020％，

cr≤0.15％，ni≤0.15％，cu≤0.50％；所述ii类焊材的熔敷金属化学成分按质量百分数计包括：c≤0.10％，mn≤1.20％，si≤0.90％，s≤0.005％，p≤0.012％，cr≤0.20％，ni≤0.30％，mo≤0.30％，v≤0.08％。

在本发明的酸性环境碳钢管道焊接方法的一个示例性实施例中，所述i类焊材屈服强度为400mpa～484mpa，抗拉强度为480mpa～570mpa，所述ii类焊材的屈服强度为330mpa～380mpa，抗拉强度为420mpa～500mpa。

在本发明的酸性环境碳钢管道焊接方法的一个示例性实施例中，所述坡口可以为v型坡口，所述坡口的钝边可以为0.5mm～1.5mm，坡口角度可以为60°～70°，根部间隙可以为2.5mm～3.5mm。

在本发明的酸性环境碳钢管道焊接方法的一个示例性实施例中，所述预热的温度可以为100℃～150℃，预热的宽度可以为焊缝两侧各90mm～110mm。

在本发明的酸性环境碳钢管道焊接方法的一个示例性实施例中，所述根焊可以采用氩弧焊上向焊，保护气体的流量可以为10l/min～15l/min。

在本发明的酸性环境碳钢管道焊接方法的一个示例性实施例中，所述热焊可以采用焊条电弧焊，焊接层间温度可以为100℃～200℃。

在本发明的酸性环境碳钢管道焊接方法的一个示例性实施例中，所述根焊与所述热焊之间的焊接间隔时间可以不超过10min；

在本发明的酸性环境碳钢管道焊接方法的一个示例性实施例中，所述填充焊可以采用焊条电弧上向焊接，焊接层间温度可以为100℃～200℃。

在本发明的酸性环境碳钢管道焊接方法的一个示例性实施例中，所述盖面焊接可以采用焊条电弧上向焊接。

在本发明的酸性环境碳钢管道焊接方法的一个示例性实施例中，所述无损检测开始时间与焊接完成时间的间隔可以大于24h。

在本发明的酸性环境碳钢管道焊接方法的一个示例性实施例中，所述焊后热处理可以包括升温到380℃～430℃后，以不大于200℃/h的升温速度升温至610～640℃，保温50min～70min，以不大于260℃/h的降温速度降温至380℃～430℃，冷却至室温。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：能够解决酸性碳钢管道焊接后焊缝性能强度高、硬度高，导致焊缝易因ssc敏感而腐蚀开裂的问题；能够解决酸性碳钢管道焊接后焊缝中因氢鼓泡，造成焊缝氢脆而导致氢致开裂的问题；能够解决酸性碳钢管道焊接后因局部应力集中或残余应力集中而产生局部拉应力，在含硫化氢介质作用下诱发硫化物应力腐蚀开裂的问题；能够解决酸性碳钢管道焊接后焊缝组织中s、p、o含量较高，产生氧化物、硫化物等夹杂严重影响焊缝纯净度，导致焊缝韧性下降的问题。

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示出了本发明的酸性环境碳钢管道焊接方法的一个示例性实施例的焊接接头设计示意图。

图2示出了本发明的酸性环境碳钢管道焊接方法的一个示例性实施例的热处理工艺曲线示意图。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的一种酸性环境碳钢管道焊接方法。

本发明提供了一种酸性环境碳钢管道焊接方法，在本发明的酸性环境碳钢管道焊接方法的一个示例性实施例中，所述焊接方法可以包括：

步骤s01，控制母管的化学成分，并对母管进行坡口加工和组对。

为了提高酸性碳钢抗硫化氢腐蚀的能力，提高管道使用寿命，减少维护，则需要控制母管的化学成分。所述母管的化学成分按照质量百分数计可以为：c≤0.14％，si≤0.40％，mn≤1.35％，p≤0.002％，s≤0.003％，cu≤0.20％，ni≤0.30％，cr≤0.30％，mo≤0.15％，al≤0.060％，ti≤0.04％，b≤0.0005％，ca≤0.006％，n≤0.012％，其余的是fe和不可避免的杂质。优选的，所述母管的化学成分按照质量百分数计可以为：c≤0.12％，si≤0.36％，mn≤1.35％，p≤0.002％，s≤0.003％，cu≤0.20％，ni≤0.30％，cr≤0.30％，mo≤0.15％，al≤0.060％，ti≤0.04％，b≤0.0005％，ca≤0.006％，n≤0.012％，其余的是fe和不可避免的杂质。所述母管的屈服强度可以为245mpa～450mpa，抗拉强度可以为415mpa～760mpa；硬度可以为≤248mpa。所述母管的微观金相组织为细小晶粒的珠光体和铁素体。为了提高酸性管道焊缝抗硫化氢腐蚀能力，需要控制焊材具有良好焊接性，控制焊缝强度、力学性能和化学成分与母管相匹配，控制焊材中s、p、o的含量，以提高焊缝纯净度，从而提高焊缝韧性和塑性，提高焊缝抗硫抗氢腐蚀开裂能力。

在本实施例中，如图1所示，所述坡口可以是v型坡口。所述坡口的钝边a可以为0.5～1.5mm，进一步的，钝边可以为0.75～1.25mm。坡口角度β可以为60°～70°，进一步的，坡口角度可以为62°～68°。根部间隙b可以为2.5～3.5mm，进一步的，根部间隙可以为2.75～3.25mm。设置上述钝边的好处在于既能够防止在根焊时出现烧穿现象，也能避免根焊未焊透。如果小于其设置的下限，根焊很可能出现烧穿现象，如果大于其设置的上限值很可能出现未焊透现象。设置上述坡口角度的好处在于，既能保证焊缝焊透，增加强度，减少工艺缺陷，又能控制熔敷金属用量以及对母材的稀释率和保证焊枪施焊的可达性。如果低于其设置坡口角度的下限值，不仅焊枪无法到达根部进行施焊，而且增加了熔敷金属稀释率以及容易产生工艺缺陷；如果高于其上限值，增大了熔敷金属的填充量而使成本增加。

步骤s02，坡口组对完成后对焊口进行预热。

在本实施例中，所述预热的温度可以为100℃～150℃，进一步的，预热的温度可以为115℃～135℃。对于设置本发明温度的焊前预热的好处在于预热能减缓焊后冷却速度有利于焊缝中扩散氢溢出，避免产生氢致裂纹，还能防止焊缝及热影响区生成淬硬组织而脆断。如果超出上述设置的温度范围，对进一步改善焊接接头效果不明显，反而不仅会造成焊缝和热影响区金属晶粒粗大，甚至产生魏氏组织，还会造成加热成本的大大增加，使其经济效益下降。所述预热应在焊口两侧及周向均匀进行，应防止局部过热。预热的宽度可以为焊缝两侧各90mm～110mm。进一步的，所述宽度可以为焊缝两侧各100mm。上述设置的范围已覆盖了焊接时受热影响区域，即焊缝、热影响区、母材，对该范围进行预热已能满足焊接接头扩散氢溢出和防止生成淬硬组织的要求。如果超出该范围对进一步改善焊接接头效果不明显，反而不仅会造成焊缝和热影响区金属晶粒粗大，甚至产生魏氏组织，还会造成加热成本的大大增加，使其经济效益下降。在预热的过程中，可以采用测温仪检测预热的温度。

步骤s03，预热完成后，对焊口进行根焊。

在本实施例中，保持预热温度为100℃～150℃，可以使用i类焊材，采用氩弧焊上向焊进行根焊。根焊时的保护气体的流量可以为10l/min～15l/min。在一定条件下，气体流量和喷嘴直径有一个最佳范围，此时气体保护效果最佳，有效保护区域最大，上述设置的流量范围不仅能保证气流挺度好排除周围空气能力强，而且避免了产生紊流使空气卷入，降低保护效果。如果流量过低，气流挺度不好排除周围空气能力差；流量过高，会产生紊流卷入空气降低保护效果。所述保护气体可以是氩气(99.99％)，当然，本发明使用的保护气体不限于此。在本发明进行根焊时，应分为多段焊接，且对称均匀分布，以减少焊接应力。

所述i类焊材的的熔敷金属化学成分按质量百分数计包括：c:0.06％～0.15％，mn≤1.35％，si：0.45％～0.75％，s≤0.008％，p≤0.020％，cr≤0.15％，ni≤0.15％，cu≤0.50％，其余为铁以及不可避免的杂质。进一步的，所述i类焊材的熔敷金属化学成分按质量百分数计包括：c:0.06％～0.12％，mn≤1.30％，si：0.45％～0.69％，s≤0.005％，p≤0.014％，cr≤0.15％，ni≤0.15％，cu≤0.50％。

所述i类焊材的屈服强度可以为400mpa～484mpa，抗拉强度可以为480mpa～570mpa。进一步的，i类焊材的屈服强度可以为421～463mpa，抗拉强度可以为502～548mpa。所述i类焊材主要用于根焊，采用上述比母材强度等级稍高的焊材，能够避免在进行根部焊接时焊缝很脆弱容易因外部影响而产生应力甚至开裂隐患，在酸性环境下会加大焊缝腐蚀开裂风险。如果未达到上述设置的屈服强度和抗拉强度，会使焊缝的塑性韧性较大幅度下降，大大增加了焊缝在酸性环境下产生氢致开裂和硫化物开裂的风险。

在本实施例中，在根焊的过程中，可以将根焊接头处打磨平缓状，以保证焊缝背面成型良好。

步骤s04，对焊口进行热焊和填充焊。

在本实施例中，利用ii类焊材对焊口进行热焊和填充焊。所述ii类焊材的熔敷金属化学成分按质量百分数计包括：c≤0.10％，mn≤1.20％，si≤0.90％，s≤0.005％，p≤0.012％，cr≤0.20％，ni≤0.30％，mo≤0.30％，v≤0.08％，其余为铁以及不可避免的杂质。进一步的，所述ii类焊材的熔敷金属化学成分按质量百分数计包括：c≤0.08％，mn≤1.15％，si≤0.70％，s≤0.003％，p≤0.012％，cr≤0.20％，ni≤0.30％，mo≤0.30％，v≤0.08％。

所述ii类焊材的屈服强度为330mpa～380mpa，抗拉强度为420mpa～500mpa。进一步的，所述ii类焊材的屈服强度可以为342mpa～368mpa，抗拉强度可以为440mpa～480mpa。设置上述ii类焊材强度的好处在于，满足和母材等强度匹配，这样有利于增加焊缝塑性和韧性，从而提高焊缝在酸性环境下抗氢致开裂和抗硫化物开裂的性能。如果超出上述设置的范围，可能导致焊缝的塑性韧性下降，从而降低了焊缝在酸性环境下抗氢致开裂和抗硫化物开裂的性能。

在本实施例中，根焊完成后应尽快开始进行热焊。例如，根焊和热焊的时间间隔不超过10min。所述热焊可以采用焊条电弧焊，层间温度可以为100℃～200℃，可以用红外线测温仪检测层间温度。

以上，对焊口预热温度和层间温度的控制，能防止热影响区高硬度显微组织的形成，提高焊缝的塑性和韧性，从而增加其抗硫化氢腐蚀的能力。

在本实施例中，填充焊可以采用焊条电弧上向焊接。焊接时的层间温度可以控制为100℃～200℃。层间温度控制在上述范围，等同于上一层焊道对下一层焊道起着预热的作用，不仅有利于扩散氢溢出，减小冷却速度避免生成淬硬组织，而且又防止因温度过高使焊缝和热影响区金属晶粒粗大，甚至产生魏氏组织。低于该范围下限值，焊缝容易产生温度内应力，同时冷却速度增大，易产生淬硬组织；高于该范围上限值，焊缝和热影响区金属晶粒粗大，甚至产生魏氏组织。

在本实施例中，当管道壁厚较厚时，所述填充焊可以采用多道摆动焊接，以确保熔池能得到有效保护，坡口两侧应融合良好。

在本实施例中，当发现所述ii类焊材发红或偏弧时，应立即更换焊条。

步骤s05，对焊口进行盖面焊。

在本实施例中，使用所述ii类焊材对焊口进行盖面焊。所述盖面焊可以采用焊条电弧上向焊接。填充焊完成时间与盖面焊开始时间间隔时间没有具体要求，满足层间温度为100℃～200℃即可。

在本实施例中，当坡口较宽时，例如，宽度超过14mm时，所述盖面焊可以采用排焊，并且后一道焊缝至少要覆盖前一道焊缝的1/3，并且应保证焊缝与母材圆滑过渡，尽可能地减少焊接应力集中至少要覆盖前一道焊缝的1/3，不仅能有利于前一道焊缝中气孔等缺陷脱离出来，还能对其起到热处理的作用，从而提高焊缝的塑性和韧性。如果不能覆盖前一道焊缝的1/3，则不能使前一道焊缝中气孔等缺陷脱离出来，对其热处理的效果也不明显。盖面焊完成后，可以采用钢丝刷清除焊缝的熔渣和焊缝两侧的飞溅物，并用焊检尺检查焊缝外观质量，若有超标缺陷，及时修补处理。

步骤s06，对焊缝进行无损检测。

在本实施例中，虑到焊缝延迟裂纹，焊接完成24h后，可对焊缝进行无损检测，所述无损检测可以采用100％rt和100％ut。

在本实施例中，根焊不得内咬边，射线检测应进行内咬边判定。

在本实施例中，检测方法可以同时采用射线检测和超声波检测。同时采用射线检测和超声波检测是为了最大限度检测焊缝中产生的三维和二维等各类缺陷，从而尽可能地避免了因缺陷的漏检而降低焊缝抗硫化氢的能力。

步骤s07，对焊缝进行热处理。

在本实施例中，可以对焊缝及其两侧各3倍焊缝宽度区域进行热处理。热处理的作用是为了降低焊缝接头残余应力和增加焊缝塑性韧性，从而提高焊缝抗硫化氢腐蚀能力。如图2所示，焊后热处理可以包括升温到380℃～430℃后，例如400℃后，以不大于200℃/h的升温速度升温至610～640℃，；例如610℃后，保温50min～70min，以不大于260℃/h的降温速度降温至380℃～430℃，例如400℃，冷却至室温。

以上，设置热处理的保温温度为610℃～640℃的好处在于，该范围属于高温回火，能得到回火索氏体，即为铁素体+细颗粒渗碳体混合物，不但能减小焊缝残余内应力，而且还能提高焊缝塑性和韧性。如果超出上述范围，可能会发生组织和相变，从而改变焊缝的力学性能。进一步的，保温温度可以为620～630℃，更进一步的，保温温度可以为625℃。

保温时间可以为50～70min。设置上述保温时间不仅能使碳原子均匀的扩散形成平衡组织相，而且还能防止晶粒粗大。如果保温时间太短，碳原子不能有效的扩散，形成组织也不均匀；时间太长，可能会使晶粒组织粗大。进一步的，保温时间可以为55～65min，更进一步的，保温时间可以为60min。

热处理在升温至380℃～430℃以下的升温速度不限，因为该温度以下温度对碳原子扩散速度影响较小，所以对形成的组织影响也不大。380℃～430℃以上的升温速度可以为小于200℃/h，例如，可以为50℃/h～150℃/h。设置上述升温速度有利于碳原子扩散更充分，使晶粒组织成分更加均匀，并且减少晶粒组织的缺陷，降低残余应力，从而提高焊缝的塑性和韧性。如果温度上升过快，晶粒中碳原子扩散不充分，这样会造成组织成分不均匀，无法实现降低焊缝应力效果，从而不能使焊缝的塑性和韧性提高。在降温过程中，380℃～430℃以上的降温速度可以为小于260℃/h，例如，可以为65～195℃/h。设置上述降温速度的好处在于，有利于生成具有较好塑性和韧性的铁素体和珠光体组织，提高焊缝的抗腐蚀能力。如果冷却速度过快，甚至超过了金属临界冷却速度，可能会生成硬度和脆性较大的马氏体组织，这会使焊缝金属抗酸性腐蚀能力大大降低。对于380℃～430℃以下的降温速度不限，因为380℃～430℃以下降温速度对碳原子扩散和组织形态以及应力影响较小，所以不控制其降温速度有利于控制施工成本，提高经济效益。

在本实施例中，所述热处理可以采用履带式或绳式电加热，例如，热处理设备型号可以为wdk-fs-612060t，该型热处理设备属于自动控制选用可编程序输入方式的控制设备，其温度控制和加热电源输入采用智能温控装置，输入热处理工艺参数后，整个热处理过程按输入的参数自动完成，且热处理温度数据及曲线可打印输出，可以有效地保证热处理的准确度。

综上所述，通过本发明的方法，能够使焊接接头在标准溶液的hic和ssc性能检测和氢致开裂(hic)试验中，裂纹长度率平均值、裂纹厚度率平均值和裂纹敏感率平均值均满足标准和设计要求；能够使焊接接头在硫化物应力开裂(ssc)试验中，试件无任何表面裂纹；能够在实际生产应用中，使酸性环境碳钢管道的抗腐蚀效果得到很大程度的提高，管道因腐蚀泄露的几率减小；能够减少维护和维修的成本。

尽管上面已经结合附图和示例性实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。