本发明涉及腐蚀环境下管道的焊接领域，特别地，涉及一种石油天然气复合输送管道的焊接坡口和焊接方法。
背景技术：
目前，随着能源需求的不断提高，新开发气田气质条件十分复杂，例如典型的“六高”气田(高产量、高温、高压、高含h2s、高含co2、高含氯离子)，介质的腐蚀性较强，运行风险较高。在工程设计经验中，对于含h2s、co2腐蚀性气田，采、集气管线均采用碳钢+缓蚀剂方案来解决管道内腐蚀问题，但该方案具备一定的局限性。虽然碳钢适应性强，一次性投入低，但出现事故概率较大，对于大产量气井风险较大。为提高工程可靠性和全寿命周期经济性，在国际上的类似“六高”项目，目前已基本采用优良的耐蚀合金材料作为防腐蚀方案，以保证工程安全性和减少管道维护费用。
在腐蚀性严重的气田，虽然可采用优良的耐蚀合金材料，但材料之间的焊缝金属也需要具有好的耐腐蚀性，管道焊接将是整个项目安全平稳运行的关键，特别是在复杂腐蚀介质环境下的管道，为此必须对包括管道焊接坡口在内的所有因素进行优化，制定专门方案，坡口选择错误会引起焊缝金属抗腐蚀性能降低，例如双金属复合管采用单v型坡口(如图1所示)焊接时，由于坡口处基层碳钢和覆层耐蚀合金未分开，在焊接过程中，基层碳钢会熔入覆层焊缝金属中，使其铁、碳含量增加，降低焊缝金属抗腐蚀性能，成为整条管道抗腐蚀性能短板，从而加速管道腐蚀破坏。
技术实现要素：
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复合输送管道的焊接坡口和焊接方法，来确保焊缝金属纯度和抗腐蚀性能。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种石油天然气复合输送管道的焊接坡口，所述复合输送管道包括内衬管和基管，从复合输送管道的外表面至内表面，所述焊接坡口可包括斜直段、圆弧段和轴向段，其中，所述斜直段位于所述基管上，所述斜直段与复合输送管道径向的夹角可为10～20度；所述圆弧段位于所述内衬管上，所述圆弧段的半径可为2.5～3.5mm；所述轴向段位于所述内衬管上，所述轴向段与复合输送管道的轴向平行，所述轴向段的轴向长度可为2.0～3.0mm，径向厚度可为所述复合输送管道内径的1.6～2.0mm。
在本发明的石油天然气复合输送管道的焊接坡口的一个示例性实施例中，所述基管的厚度可为8.0～60mm，所述基管可包括按照质量百分数计的如下元素成分：不高于0.16％的c，不高于0.45％的si，不高于1.65％的mn，不高于0.02％的p，不高于0.003％的s。
在本发明的石油天然气复合输送管道的焊接坡口的一个示例性实施例中，所述内衬管的厚度可为2.0～3.5mm，所述内衬管可包括按照质量百分数计的如下元素成分：不高于0.05％的c，19.5％～23.5％cr，38％～46％ni，2.5％～3.5％mo，1.5％～3.0％cu，0.6％～1.2％ti。
在本发明的石油天然气复合输送管道的焊接坡口的一个示例性实施例中，两个所述焊接坡口组对之后，根部间隙可为2.5～3.5mm。
本发明另一方面提供了一种石油天然气复合输送管道的焊接方法，所述复合输送管道包括内衬管和基管，所述焊接方法包括以下步骤：通过机械方式对所述复合输送管道的待焊接端进行下料切割和坡口加工，其中，加工出的焊接坡口包括斜直段、轴向段以及位于两者之间的圆弧段，所述斜直段位于所述基管上，所述斜直段与复合输送管道径向的夹角为10～20度，所述圆弧段位于所述内衬管上，所述圆弧段的半径为2.5～3.5mm，所述轴向段位于所述内衬管上，所述轴向段与复合输送管道的轴向平行，所述轴向段的轴向长度为2.0～3.0mm，径向厚度为所述复合输送管道内径的1.6～2.0mm；将两个所述复合输送管道的待焊端组对，焊接坡口之间形成焊口；在所述焊口上进行焊接。
在本发明的石油天然气复合输送管道焊接方法的一个示例性实施例中，所述焊接的步骤可包括：在所述焊口上依次进行根焊、热焊、填充焊和盖面焊。
在本发明的石油天然气复合输送管道焊接方法的一个示例性实施例中，在所述根焊之前，以及所述根焊和热焊过程中，向焊口内部持续通入背面保护气体。
在本发明的石油天然气复合输送管道焊接方法的一个示例性实施例中，所述填充焊形成3～6个填充焊层，每个所述填充焊层包括两个接触不同焊接坡口的子焊层，两个子焊层远离所接触焊接坡口的一端有重叠，每个子焊层覆盖了上个焊层的1/3～2/3。
在本发明的石油天然气复合输送管道焊接方法的一个示例性实施例中，所述3～6个填充焊层的子焊层依次交替重叠。
在本发明的石油天然气复合输送管道焊接方法的一个示例性实施例中，沿所述复合输送管道的轴向，所述盖面焊形成的焊层可包括依次重叠的2～4个盖面焊子焊层。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：可有效避免熔化的基层碳钢渗入耐蚀层焊缝金属中，能够确保焊缝金属纯度和抗腐蚀性能。
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示出了管道环缝焊接中常用的单v型坡口的示意图。
图2示出了根据本发明一个示例性实施例的焊接坡口的示意图。
图3示出了根据本发明一个示例性实施例的焊层的示意图。
附图标记：
t1-基管的厚度，t2-内衬管的厚度，t3-盖面层距离复合输送管道外表面的最大距离，b-焊接坡口之间的距离，c-轴向段的径向厚度，β-斜直段与复合输送管道径向的夹角。
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复合输送管道的焊接坡口和焊接方法。
本发明一方面提供了一种石油天然气复合输送管道的焊接坡口。不同于常规的单“v”型坡口(如图1示出的管道环缝焊接中常用的单v型坡口的示意图)，本发明提供了一种类似“u”型的坡口，如图2示出的根据本发明一个示例性实施例的焊接坡口的示意图，焊接坡口可包括斜直段、圆弧段和轴向段；在管道焊接过程中，该坡口可减少甚至避免基管中的元素(fe、c等元素)溶入到焊缝金属中，能够确保焊缝金属纯度和并提高其抗腐蚀性能。
在本发明的一个示例性实施例中，所述复合输送管道可包括内衬管和基管，所述焊接坡口可包括：斜直段、轴向段以及位于两者之间的圆弧段，这样可以保证焊接质量，确保焊缝金属具备与母材一致的抗腐蚀性能，同时减少焊接工作量，减少填充金属消耗，从而节省成本；其中，斜直段可位于所述基管上，斜直段与复合输送管道径向的夹角(如图2中的β)可为10～20度，例如15±1度，设置斜直段，即开斜坡口可以保证整个焊缝焊透，采用小角度，可以减少焊缝填充量，节省时间和成本；
圆弧段可位于所述内衬管上，圆弧段的半径可为2.5～3.5mm，例如3.0±0.2mm，斜直段和轴向段都可与圆弧段相切，圆弧段可以将基层碳钢和复层合金材料分开，减少基层碳钢对焊缝金属的污染，保证复层含金属具备良好抗腐蚀性能，同时可以避免产生焊接未熔合缺陷，如采用尖角代替圆弧，则在焊接过程中易产生未熔合缺陷；
所述轴向段位于所述内衬管上，所述轴向段与复合输送管道的轴向平行，轴向段的轴向长度为2.0～3.0mm，例如2.5±0.2mm，径向厚度为1.6～2.0mm，例如1.8±0.1mm，这样可以复层金属焊接时成型良好，保证焊接质量，同时确保焊缝金属具备良好的抗腐蚀性能，如果太长或者太薄，焊接时容易烧穿、变形等，如果太短或者太厚则容易产生未焊透缺陷或者将碳钢熔化进入复层焊缝中。
在本实施例中，坡口的圆弧段可位于内衬管上，这样可以将基层碳钢与复层合金材料分开，在焊接复层时避免将碳钢熔化，污染复层金属。
在本实施例中，所述基管的厚度(如图2和图3中的t1)可为8～60mm，例如，30或35mm。
所述基管可包括按照质量百分数计的如下成分：不高于0.16％的c，不高于0.45％的si，不高于1.65％的mn，不高于0.02％的p，不高于0.003％的s，剩余为fe及部分合金元素，例如，c含量可为0.12％±0.01％，si含量可为0.30％±0.05％，mn含量可为1.2％±0.1％，p含量可为0.01％±0.005％。
在本实施例中，所述内衬管的厚度(如图2和图3中的t2)可为2.0～3.5mm，例如2.5或2.9mm；所述内衬管包括按照质量百分数计的如下成分：不高于0.05％的c，19.5％～23.5％cr，38％～46％ni，2.5％～3.5％mo，1.5％～3.0％cu，0.6％～1.2％ti，例如，0.03％±0.005％的c，22％±0.5％cr，40％±1％ni，3％±0.1％mo，2％±0.2％cu，0.9％±0.1％ti。
在本实施例中，所述圆弧段的半径可为2.5～3.5mm，所述轴向段的轴向长度可为2.0～3.0mm，径向厚度(如图2和图3中的c)可为1.6～2.0mm。
在本实施例中，两个所述焊接坡口组对之后，根部间隙(如图2和图3中的b)可为2.5～3.5mm，这样可以保证焊接质量的同时减少填充量，从而节省时间和降低成本，如果间隙过大则焊接填充量变大、成本增加，且易产生焊瘤缺陷；间隙过小，焊接时容易产生未熔合或者未焊透缺陷。
本发明另一方面提供了一种石油天然气复合输送管道的焊接方法，所述复合输送管道包括内衬管和基管，所述焊接方法包括以下步骤：
通过机械方式对所述复合输送管道的待焊接端进行下料切割和坡口加工，其中，所述坡口可包括如上所述的焊接坡口，例如，焊接坡口可包括斜直段、轴向段以及位于两者之间的圆弧段，这样可以保证焊接质量，确保焊缝金属具备与母材一致的抗腐蚀性能，同时减少焊接工作量，减少填充金属消耗，从而节省成本，其中，所述斜直段位于所述基管上，所述斜直段与复合输送管道径向的夹角可为10～20度，例如15±1度，这样可以保证整个焊缝焊透，采用小角度，可以减少焊缝填充量，节省时间和成本；所述圆弧段可位于所述内衬管上，所述圆弧段的半径可为2.5～3.5mm，这样可以将基层碳钢和复层合金材料分开，减少基层碳钢对焊缝金属的污染，保证复层含金属具备良好抗腐蚀性能，同时可以避免产生焊接未熔合缺陷，如采用尖角代替圆弧，在焊接过程中易产生未熔合缺陷；所述轴向段位于所述内衬管上，所述轴向段与复合输送管道的轴向平行，轴向段的轴向长度可为2.0～3.0mm，例如2.5±0.2mm，径向厚度为1.6～2.0mm，例如1.8±0.1mm，这样可以复层金属焊接时成型良好，保证焊接质量，同时确保焊缝金属具备良好的抗腐蚀性能，如果太长或者太薄，焊接时容易烧穿、变形等，如果太短或者太厚则容易产生未焊透缺陷或者将碳钢熔化进入复层焊缝中。
将两个所述复合输送管道的待焊端组对，焊接坡口之间形成焊口；
在所述焊口上进行焊接。
在本实施例中，所述焊接的步骤包括：在所述焊口上依次进行根焊、热焊、填充焊和盖面焊。
在本实施例中，所述焊接的步骤可包括：在所述焊口上依次进行根焊、热焊、填充焊和盖面焊。
在本实施例中，所述根焊和热焊用于焊接2mm～4mm厚的部分内衬管，进一步地，可焊接内衬管中3mm厚的部分。
在本实施例中，下料切割采用机械方式切割，可避免火焰切割、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同样，在坡口加工过程中，采用机械加工方式，可避免出现渗碳或改变母材双相组织的情况。
在本实施例中，在坡口加工之后，所述还接方法还包括清洗坡口周边管道表面的步骤，该步骤包括：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，可使用丙酮或无水酒精等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防止坡口加工过程使用的冷却液、水、油污或者其他杂质对焊缝的污染，确保焊接质量。
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，焊接材料可包括ni、cr、mo、nb等抗腐蚀合金元素，以及cu、ti、al、fe等元素，各元素的质量分数可分别为：碳0.008％～0.012％，锰0.03％～0.05％，硅0.06％～0.08％，镍63.1％～65.9％，铬20.5％～22.5％，钼8.8％～9.8％，铌3.2％～4.0％，钛0.19％～0.25％，硫小于0.002％，磷小于0.001％，其余是铁。
在本实施例中，在所述根焊之前，以及所述根焊和热焊过程中，可向焊口内部持续通入背面保护气体，以排出空气，这样可以防止或减少氧气对焊接的影响，空气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，焊接保护气体可根据不同材料选用不同保护气，如奥氏体不锈钢采用纯度不低于99.9％(体积分数)的氩气(ar)；镍基合金采用纯度不低于99.99％(体积分数)的氩气(ar)或者氦气(he)；双相不锈钢采用含2-3％n2的混合气体，例如氩气与氮气的混合气体，其中氮气的体积分数为2％～3％；。保护气体氧含量可控制在≤50ppm，这样焊缝可得到较好的抗腐蚀性能和良好的成型。
图3示出了根据本发明一个示例性实施例的焊层的示意图。从图中可以看出，焊层包括：根焊和热焊形成的焊层，填充焊形成的焊层，盖面焊形成的焊层。
在本实施例中，每次填充焊可分两步进行焊接，每步的焊接可针对两个坡口之间的1/3～2/3部分，例如可为1/2部分，所述1/3～2/3部分接触坡口，每次焊接的两步所针对的1/3～2/3部分，是分别接触于不同的坡口。
在本实施例中，填充焊形成一个焊层的焊接过程可包括两次焊接(也可称为两道焊接或左、右焊接，此处的左右仅是相互区别)，每次焊接可针对两个坡口之间的1/3～2/3部分，每次焊接所针对的部分分别了接触不同的坡口，在远离坡口的一端可以有重叠。在3～6个填充焊层形成的过程中，左右焊接可以是依次交替进行的，即每层焊接过程中，左右焊接的顺序是相同的，例如第一个焊层形成过程中，可以左焊接、右焊接的顺序、第二个焊层形成的过程中，也是左焊接、右焊接的顺序，第三个焊层形成过程中也是左焊接、右焊接的顺序；当然各个层焊接过程中，也可以先是右焊接，再是左焊接。
在本实施例中，所述填充焊可形成3～6个填充焊层，每个所述填充焊层可包括两个接触不同焊接坡口的子焊层，两个子焊层远离坡口的一端有重叠(如图3所示)，每个子焊层覆盖了上个焊层的1/3～2/3，例如可以为1/2，这样可以每个焊层的两道焊接之间形成的沟壑宽度小于0.5mm，可以减少焊道打磨量，下层焊接(或下次焊接)时不容易产生缺陷，同时确保焊缝金属性能良好；另外所有焊道均呈“凸”状，避免焊接过程中焊道产生热裂纹。
在本实施例中，所述3～6个填充焊层的子焊层依次交替重叠。
本发明的填充焊的方式(或本发明的填充焊层)多层多道焊接，主要由于：高合金材料焊接必须严格控制温度，降低热输入，因此采用小线能量、快速焊接，为此整个焊接为多层多道焊接，控制焊接摆宽，不超过2倍焊材直径。
在本实施例中，盖面焊焊层的焊接过程可包括三次焊接，第一次焊接是将复合输送管道与填充焊层连接，第二次焊接是将第一次焊接形成的焊层与填充焊层连接，第三次焊接是将第二次焊接形成的焊层与另一个复合输送管道连接。
在本实施例中，沿所述复合输送管道的轴向，所述盖面焊形成的焊层包括依次重叠的2～4个盖面焊子焊层。如图3所示，焊接结束后形成的焊层(盖面焊层)可包括三个子焊层，相邻的两个子焊层可以有重叠，最外的两个子焊层可分别将两个复合输送管道与最上面的填充焊层相连接，本发明的盖面焊的方式(或本发明的盖面焊层)能够盖面焊接采用多道焊接除降低焊接热输入外，还可以很好控制焊道成型，避免产生咬边和焊道低于母材等缺陷。
在本实施例中，盖面焊层距离复合输送管道外表面的最大距离(如图3中的t3)可为0.5～2.0mm，例如1.0±0.2mm。
在本实施例中，焊接材料可包括ni、cr、mo、nb等抗腐蚀合金元素，以及cu、ti、al、fe等元素，其质量分数可分别为：碳0.01％，锰0.035％，硅0.068％，镍64.5％，铬21.5％，钼9.2％，铌3.7％，钛0.21％，硫0.001％，磷0.0008％，其余是铁。
综上所述，本发明的石油天然气复合输送管道的焊接坡口和焊接方法能够有效避免熔化的基层碳钢中的元素渗入耐蚀层焊缝金属中，能够确保焊缝金属纯度，提高焊缝金属的抗腐蚀性能。
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。