石油天然气集输管网系统和管道焊缝双相组织的控制方法与流程

本发明涉及石油天然气的焊接领域，特别地，涉及一种石油天然气集输管网系统和石油天然气输气管道焊缝双相组织的控制方法。

背景技术

在石油天然气田开发中，各种酸性有害介质的腐蚀问题是困扰许多油气田开发的一项难题。油气田有害介质主要以h2s、co2、cl^-等为主，对井下套管和油气装置管道等危害很大。例如，克拉2气田天然气组分好，但cl^-含量很高。为了降低建设成本，通常采用加注缓蚀剂、脱水等方式减缓腐蚀速率，传统方法容易造成意外腐蚀、维护工作量大、隐形成本高以及环境污染等问题，。特别是在国内油气田工程建设中，对于输进含高cl^-湿气的这一类管材焊接，国内尚没有使用先例。

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输气管道焊缝双相组织的控制方法，来得到具有铁素体-奥氏体双相特性的焊缝。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种酸性条件下石油天然气输气管道焊缝双相组织的控制方法，所述双相组织包括铁素体和奥氏体，所述控制方法可包括以下步骤：通过机械方式对所述输气管道的待焊接端进行下料切割和坡口加工，其中，加工出的坡口面角度可为68～70度，坡口钝边可为0.5～0.8mm；在所述输气管道待焊接端设置内部保护装置或构筑气坝；将两个所述输气管道的焊接坡口进行组对，形成焊口，根部间隙可为2.0～3.0mm；对焊口进行密封，形成密封层，按照钟点位置，在密封层的x点钟位置设置出气口，其中，10≤x≤12或0＜x≤2，当在所述待焊接端内部构筑气坝时，在密封层的y点钟位置设置进气口，其中，5≤y≤7；通过所述内部保护装置或进气口向焊口内部空间充入背面保护气体，将空气从所述出气口排出；在所述密封层上依次进行根焊、热焊、填充焊和盖面焊，焊接层间温度控制在100℃以下，焊接过程持续充入正面保护气体，其中，在根焊和热焊过程中还需持续充入背面保护气体，根焊收口前，背面保护气体控制在15～30l/min，根焊收口时，背面保护气体控制在10～15l/min。

在本发明的酸性条件下石油天然气输气管道焊缝双相组织控制方法的一个示例性实施例中，所述焊缝包括重量分数为30％～60％的铁素体。

在本发明的酸性条件下石油天然气输气管道焊缝双相组织控制方法的一个示例性实施例中，所述输气管道包括重量分数为40～60％的铁素体和60～40％的奥氏体。

在本发明的酸性条件下石油天然气输气管道焊缝双相组织控制方法的一个示例性实施例中，所述输气管道包括按重量百分比计的如下成分：≤0.03％c、22～23％cr、3～3.5％mo、≤2％mn、≤1％si、≤0.030％p、≤0.02％s、4.5～6.5％ni、0.14～0.20％n；其余可为铁。

在本发明的酸性条件下石油天然气输气管道焊缝双相组织控制方法的一个示例性实施例中，所述正面保护气体可包括氩气与氮气的混合气体，其中，氮气的质量分数为2％～3％。

在本发明的酸性条件下石油天然气输气管道焊缝双相组织控制方法的一个示例性实施例中，当管道的壁厚不大于6mm时，焊接线能量控制在0.5～1.0kj/mm；当管道的壁厚大于6mm、小于12mm时焊接线能量控制在0.7～1.5kj/mm；当管道的壁厚大于等于12mm、小于等于20mm时，焊接线能量控制在1.0～2.0kj/mm。

在本发明的酸性条件下石油天然气输气管道焊缝双相组织控制方法的一个示例性实施例中，当管道的壁厚不大于6mm，且内径不大于114mm时，所述整个焊接过程都采用全氩弧焊的方式，焊接线能量控制在0.5～1.0kj/mm；当管道的壁厚大于6mm、小于12mm，且内径大于114mm时，所述根焊和热焊采用全氩弧焊的方式，所述填充焊和盖面焊采用焊条电弧焊的方式，焊接线能量控制在0.7～1.5kj/mm；当管道的壁厚大于等于12mm、小于等于20mm，且内径大于114mm时，所述根焊和热焊采用全氩弧焊的方式，所述填充焊和盖面焊采用焊条电弧焊的方式，焊接线能量控制在1.0～2.0kj/mm。

在本发明的酸性条件下石油天然气输气管道焊缝双相组织控制方法的一个示例性实施例中，在所述焊接坡口组对之后、焊口密封之前，所述控制方法还包括：将与所述输气管道材质相同的连接块置于组对的焊接坡口之间，通过点焊将连接块与组对的坡口连接，且在所述热焊结束之后、填充焊开始之前移除所述连接块，其中，当所述输气管道外径小于等于60mm时，将1～2个连接块置于组对坡口之间；当所述输气管道外径大于60mm，且小于等于114mm时，将2～4个连接块分别置于组对坡口之间的不同位置；当所述输气管道外径大于114mm时，将3～6个连接块分别置于组对坡口之间的不同位置。

在本发明的酸性条件下石油天然气输气管道焊缝双相组织控制方法的一个示例性实施例中，当所述输气管道的壁厚≤6mm时，所述连接块横截面的形状包括圆形或椭圆形；当所述管道的壁厚＞6mm时，所述连接块横截面的形状包括梯形。

在本发明的酸性条件下石油天然气输气管道焊缝双相组织控制方法的一个示例性实施例中，在进行所述点焊的同时，进行充氩气保护。

在本发明的酸性条件下石油天然气输气管道焊缝双相组织控制方法的一个示例性实施例中，在所述设置内部保护装置或构筑气坝的步骤之后，所述组对步骤之前，所述焊接方法还包括清洗坡口和坡口周边表面的步骤，其中，所述清洗坡口周边管道表面的步骤包括：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。

在本发明的酸性条件下石油天然气输气管道焊缝双相组织控制方法的一个示例性实施例中，所述进行热焊的步骤包括：在根焊结束之后，进行第一层热焊；待焊道冷却至5～100℃，清理焊道；继续进行第二层热焊。

在本发明的酸性条件下石油天然气输气管道焊缝双相组织控制方法的一个示例性实施例中，所述酸性条件包括：输送氯离子浓度为数千至数万mg/l的天然气。

本发明另一方面提供了一种石油天然气集输管网系统，在所述管网系统中，从开采现场的井口装置至中央处理厂的脱水脱烃装置之间的输气管道和/或运输含醇含烃天然气的输气管道具有铁素体和奥氏体双相组织，所述输气管道之间焊缝也具有铁素体和奥氏体双相组织，其中，所述焊缝双相组织的控制方法可包括上述的控制方法，例如，可通过机械方式对所述输气管道的待焊接端进行下料切割和坡口加工，其中，加工出的坡口面角度为68～70度，坡口钝边为0.5～0.8mm；在所述输气管道待焊接端设置内部保护装置或构筑气坝；将两个所述输气管道的焊接坡口进行组对，形成焊口，根部间隙为2.0～3.0mm；对焊口进行密封，形成密封层，按照钟点位置，在密封层的x点钟位置设置出气口，其中，10≤x＜12或0＜x≤2，当在所述待焊接端内部构筑气坝时，在密封层的y点钟位置设置进气口，其中，5≤y≤7；通过所述内部保护装置或进气口向焊口内部空间充入背面保护气体，将空气从所述出气口排出；在所述密封层上依次进行根焊、热焊、填充焊和盖面焊，焊接层间温度控制在100℃以下，焊接过程持续充入正面保护气体，其中，在根焊和热焊过程中还需持续充入背面保护气体，根焊收口前，背面保护气体控制在15～30l/min，根焊收口时，背面保护气体控制在10～15l/min。

在本发明的石油天然气集输管网系统的一个示例性实施例中，所述输气管道可包括重量分数为40～60％的铁素体和60～40％的奥氏体。所述焊缝可包括重量分数为30％～60％的铁素体。

在本发明的石油天然气集输管网系统的一个示例性实施例中，所述输气管道包括按重量百分比计的如下成分：≤0.03％c、22～23％cr、3～3.5％mo、≤2％mn、≤1％si、≤0.030％p、≤0.02％s、4.5～6.5％ni、0.14～0.20％n；其余可为铁。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：能够适用于酸性腐蚀环境，能够确保焊接接头满足抗氯离子腐蚀性能要求和力学性能要求，保证管道的安全运行。

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示出了本发明一个示例性实施例的坡口的示意图。

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集输管网系统和石油天然气输气管道焊缝双相组织的控制方法。

在石油天然气田开发中，油气田有害介质特别是cl^-等，对井下套管和油气装置管道等危害很大。由于双相(铁素体和奥氏体)不锈钢的优异特性，其可以应用到石油天然气输送管道中，以解决耐腐蚀的问题；同时，双相不锈钢管道之间焊缝的组织控制方法也十分重要。因此本发明就提供了一种适用于酸性耐腐蚀环境的石油天然气集输管网系统和石油天然气输气管道焊缝双相组织的控制方法，本发明尤其适用于高氯油天然气的输送，例如氯离子含量为数千至数万mg/l的天然气，例如氯离子含量为10677mg/l或15000±1000mg/l的天然气。

本发明一方面提供了一种酸性条件下石油天然气管道焊缝双相组织的控制方法。图1示出了本发明一个示例性实施例的坡口的示意图。

在本发明的酸性条件下石油天然气管道焊缝双相组织控制方法的一个示例性实施例中，所述双相组织可包括铁素体和奥氏体，双相组织中铁素体的重量分数可为30％～60％，例如45±5％，其余可为奥氏体。这样可以确保焊接接头能满足抗氯离子腐蚀性能要求和力学性能要求，保证管道的安全运行。

所述控制方法可包括以下步骤：

通过机械方式对所述输气管道的待焊接端进行下料切割和坡口加工，其中，加工出的坡口面角度为68～70度(如图1所示的α)，坡口钝边可为0.5～0.8mm(如图1所示的a)。

在所述输气管道待焊接端设置内部保护装置或构筑气坝。

将两个所述输气管道的焊接坡口进行组对，形成焊口，根部间隙为2.0～3.0mm。

对焊口进行密封，形成密封层，按照钟点位置，在密封层的x点钟位置设置出气口，其中，10≤x≤12或0＜x≤2，当在所述待焊接端内部构筑气坝时，还需在密封层的y点钟位置设置进气口，其中，5≤y≤7。优选地，x＝12，y＝6。

通过所述内部保护装置或进气口向焊口内部空间充入背面保护气体，将空气从所述出气口排出。

在所述密封层上依次进行根焊、热焊、填充焊和盖面焊，焊接层间温度控制在100℃以下，进一步地，可控制在60℃以下，这样可以降低焊接接头在高温停留时间，避免产生晶间腐蚀。焊接过程持续充入正面保护气体，其中，在根焊和热焊过程中还需持续充入背面保护气体，根焊收口前，背面保护气体控制在15～30l/min，例如20±1l/min；根焊收口时，背面保护气体控制在10～15l/min，例如12±1l/min。在根焊和热焊过程中，也将出气口焊接。

在本实施例中，石油天然气输送管道可包括双相(铁素体-奥氏体)组织，双相组织中铁素体的质量分数可为40～60％，奥氏体的质量分数可为60～40％。

在本实施例中，所述输气管道可包括：重量分数(即质量分数)为40～60％的铁素体和60～40％的奥氏体，例如45％的铁素体、54％的奥氏体。

所述输气管道可包括按重量百分比(即质量百分比)计的如下成分：

≤0.03％c、22～23％cr、3～3.5％mo、≤2％mn、≤1％si、≤0.030％p、≤0.02％s、4.5～6.5％ni、0.14～0.20％n；其余为铁。

例如，可包括：0.02％c、22.2％cr、3.1％mo、1.5％mn、0.6％si、0.02％p、0.01％s、5.5％ni、0.16％n。

本发明的输气管道的屈服强度可达400mpa，抗点蚀当量值可达25～43，具有优良的力学性能和抗cl^-应力腐蚀性能，使用寿命长。同比采用奥氏体不锈钢，采用该双相不锈钢其厚度可以减少一半，材料费用可以节约1/3，是属于性能/价格比较高的精品不锈钢。同时，其优异的抗腐蚀性能，能节约大量的安全资金投入和维护、保养费用，其使用寿命是奥氏体不锈钢的3倍。本发明的铁-奥双相不锈钢，具有良好的力学性能和优良的抗cl-应力腐蚀能力，特别适用于普通钢和一般不锈钢不能承受的高cl-湿气的集输管网建设。输气管道可采用unss32205型铁-奥双相不锈钢。

在本实施例中，由于铁素体-奥氏体双相组织(例如铁-奥双相不锈钢)的熔池金属粘度较大，坡口角度及根部间隙宜稍加扩大，以防止焊接过程中出现未熔合和未焊透的缺陷，保证良好的熔合和根部焊透，如图1所示，焊接坡口可坡口面角度为68～70度，坡口钝边可为0.5～0.8mm；优选地，坡口面角度可为69度，坡口钝边可为0.7mm。

在本实施例中，切割下料和坡口加工采用机械方式切割，可以避免火焰切割、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。

在本实施例中，切割、坡口加工及打磨步骤，可采用双相不锈钢专用的钢丝刷和砂轮片，用于铁-奥双相不锈钢的清理和焊接接头的打磨及层间清理，这样可以避免产生碳污染，保证焊接接头耐腐蚀性能。

在本实施例中，在所述设置内部保护装置或构筑气坝的步骤之后，所述组对步骤之前，所述焊接方法还可包括清洗坡口和坡口周边表面的步骤，其中，所述清洗坡口周边管道表面的步骤包括：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，可使用丙酮或无水乙醇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去除油污杂质的影响，保证焊接接头性能。

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，所述正面保护气体可包括氩气与氮气的混合气体，其中，氮气的质量分数为2％～3％，即混合气体可有97-98重量份的氩气+2-3重量份的氮气组成。例如混合气体中氮气的质量分数为可2.2％、2.5％或2.9％等。

在本实施例中，背面保护气体可包括纯度不低于99.99％的氩气；焊缝背面保护气体氧含量可控制在≤50ppm，进一步地，可≤30ppm，这样背面焊缝可得到较好的腐蚀性能和成型，也能保证其双相组织特性。

在本实施例中，在根焊之前，所述焊接方法还包括步骤：对焊口内部的空间的氧气含量进行检测；当氧气含量小于50ppm，例如30±5ppm，可进行后续的焊接步骤，这样可以防止或减少焊口内部空间的氧气对焊接的影响。在该步骤中，可通过设置一个测氧仪来进行检测氧气含量。

在本实施例中，当管道的壁厚t≤6mm时，焊接线能量控制在0.5～1.0kj/mm，进一步地，当t≤5.5mm时，焊接线能量控制在0.6～0.9kj/mm，例如0.75±0.05kj/mm；

当6mm＜t＜12mm时，焊接线能量控制在0.7～1.5kj/mm，进一步地，当t为7～10mm时，焊接线能量控制在0.7～1.5kj/mm，再进一步地，当t为7.5～9mm时，焊接线能量控制在0.75～1.4kj/mm，例如1.1±0.05kj/mm；

当12mm≤t≤20mm时，焊接线能量控制在1.0～2.0kj/mm，进一步地，当t为12.7～19.1mm时，焊接线能量控制在1～2kj/mm，再进一步地，当14mm≤t≤18mm时焊接线能量控制在1.2～1.8kj/mm，例如1.6±0.05kj/mm。

在本实施例中，当管道的壁厚t≤6mm，且外径r≤114mm时，所述整个焊接过程都采用全氩弧焊的方式，焊接线能量控制在0.5～1.0kj/mm；例如t＝5mm时，整个焊接过程都采用全氩弧焊的方式，焊接线能量控制在0.85kj/mm。

当6mm＜t＜12mm，且r＞114mm时，所述根焊和热焊采用全氩弧焊的方式，所述填充焊和盖面焊采用焊条电弧焊的方式，焊接线能量控制在0.7～1.5kj/mm；例如t＝8mm时，整个焊接过程都采用全氩弧焊的方式，焊接线能量控制在1.0kj/mm。

当12mm≤t≤20mm，且内径大于114mm时，所述根焊和热焊采用全氩弧焊的方式，所述填充焊和盖面焊采用焊条电弧焊的方式，焊接线能量控制在1.0～2.0kj/mm。例如t＝17mm时，整个焊接过程都采用全氩弧焊的方式，焊接线能量控制在1.75kj/mm。

在本实施例中，在所述焊接坡口组对之后、焊口密封之前，所述控制方法还包括：将与所述输气管道材质相同的连接块置于组对的焊接坡口之间，通过点焊将连接块与组对的坡口连接，且在所述热焊结束之后、填充焊开始之前移除所述连接块，其中，

当所述输气管道外径r≤60mm时，将1～2个连接块置于组对坡口之间；例如，当r＝55mm时，将1块连接块置于组对坡口的12点钟位置或6点钟位置，当然也可置于其他钟点位置，只要能够保证坡口组对间隙的均匀即可；

当60mm＜r≤114mm时，将2～4个连接块分别置于组对坡口之间的不同位置；例如，当r＝90mm时，可将2块连接块分别置于组对坡口的3点钟位置和9点钟位置，当然也可置于其他钟点位置，只要能够保证坡口组对间隙的均匀即可。

当r＞114mm时，可将3～6个块连接块分别置于组对坡口之间的不同位置。例如，当r＝130mm时，可按照钟点位置将3块连接块分别置于组对坡口的3点钟位置、9点钟位置和12点钟位置，也可将3块连接块分别置于组对坡口的3点钟位置、9点钟位置和6点钟位置，当然也可置于其他钟点位置，只要能够保证坡口组对间隙的均匀即可。

在本实施例中，连接块的形状可根据管道的壁厚和/或直径来确定。其中，对于壁厚较薄、直径较小的管道，可将圆棒状的连接块放入组对的坡口之间，圆棒状连接块的长度要适度，不能太长；对于管壁较厚的管道，可采用截面为等腰梯形的连接块，其长度也要适度。例如，当所述管道的壁厚≤6mm时，所述连接块横截面可包括圆或椭圆；当所述管道的壁厚＞6mm，所述连接块横截面可包括梯形。其中，对于支管联接的焊口，可根据主管的壁厚来决定使用连接块的形状。

在本实施例中，可通过点焊将若干个连接块与两个输气管道待焊接端的坡口进行连接，这样能够保证坡口组对间隙的均匀。在进行所述点焊的同时，也可以进行内部充氩保护，这样可以防止或减少氧气对焊接的影响，空气过多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，当无法采用内保护装置时，例如碰死口等情况，可在管道待焊接端的内部构筑气坝。所述构筑气坝的材料可包括易排除的材料，例如，溶于水的材料或在通球测试中易排除的材料，在通球测试中易排除的材料可包括直径等于或略大于所述长距离输送管道内径的橡胶圆片，橡胶圆片厚度可为2mm～5mm，优选地，为3mm。

在本实施例中，移除连接块时可用砂轮机磨除，并修磨除尽点焊焊缝金属。

在本实施例中，所述进行热焊的步骤包括：在根焊结束之后，进行第一层热焊；待焊道冷却至100℃以下，例如5～100℃，清理焊道；继续进行第二层热焊。其中，可用粗纱布包覆焊口，然后淋冷却水来实现冷却。热焊指根焊完成后立即进行的第二层焊道，进行热焊的目的是保证焊层厚度，避免焊层太薄产生撕裂。

在本实施例中，在各焊接工序结束中，可通过冷却淋水用粗纱布包覆(即用粗纱布包覆焊口，然后淋冷却水)，使整个管口冷却均匀。

在本实施例中，在根焊与热焊完成后，焊缝的宽度可为5mm～7mm，优选的，可为6mm。热焊结束之后可拆除内保护装置。

在本实施例中，填充焊的焊层包括2～4层，例如2层，每层焊接结束之后，都要进行冷却和清理阶段，其中，每层焊接结束之后，需将焊层温度冷却至100℃以下，以降低焊接接头高温停留时间，避免产生晶间腐蚀。

在盖面焊结束之后，也要继续冷却和清理。

在本实施例中，每层焊接厚度控制在2.0mm～3.5mm，进一步地，可为2.5mm～3.0mm，这样可以控制焊缝热输入，保证铁素体、奥氏体两相组织平衡。

在本实施例中，所述酸性条件包括：输送氯离子浓度为数千至数万的天然气。例如天然气的cl^-含量可为10677mg/l、15000±1000mg/l。

本发明另一方面提供了一种石油天然气集输管网系统，在所述管网系统中，从开采现场的井口装置至中央处理厂的脱水脱烃装置之间的输气管道和/或运输含醇含烃天然气的输气管道具有铁素体和奥氏体双相组织，所述输气管道之间焊缝也具有铁素体和奥氏体双相组织，其中，所述焊缝双相组织的控制方法可包括上述的控制方法，例如，

可通过机械方式对所述输气管道的待焊接端进行下料切割和坡口加工，其中，加工出的坡口面角度为68～70度，坡口钝边为0.5～0.8mm；在所述输气管道待焊接端设置内部保护装置或构筑气坝；将两个所述输气管道的焊接坡口进行组对，形成焊口，根部间隙为2～3mm；对焊口进行密封，形成密封层，按照钟点位置，在密封层的x点钟位置设置出气口，其中，10≤x≤12或0＜x≤2，当在所述待焊接端内部构筑气坝时，还需在密封层的y点钟位置设置进气口，其中，5≤y≤7；通过所述内部保护装置或进气口向焊口内部空间充入背面保护气体，将空气从所述出气口排出；在所述密封层上依次进行根焊、热焊、填充焊和盖面焊，焊接层间温度控制在100℃以下，焊接过程持续充入正面保护气体，其中，在根焊和热焊过程中还需持续充入背面保护气体，根焊收口前，背面保护气体控制在15～30l/min；根焊收口时，背面保护气体控制在10～15l/min。

综上所述，本发明的石油天然气集输管网系统能够适用于酸性腐蚀环境和高氯油气的运输，本发明的焊缝双相组织的控制方法能够确得到具有铁素体和奥氏体的焊缝组织，该焊接组织耐氯离子点蚀、耐应力腐蚀和抗腐蚀性能优良。

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。