一种野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法与流程

本发明属于焊接技术领域，更具体地讲，涉及一种野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法，可以提高酸性环境碳钢管道对接焊缝抗硫化氢腐蚀性能要求和使用性能要求，确保管道的安全使用。

背景技术：

近几年随着对环境保护越来越重视，对清洁环保的天然气的需求量显著增加，也促使了对越来越多的酸性油气田进行了开发和建设。在天然气生产装置中，碳钢是使用最广泛、使用量最大的材料。而酸性环境碳钢管道焊缝由于焊接过程中产生的残余应力在硫化氢环境作用下容易发生氢致裂纹和硫化物腐蚀开裂而发生酸性碳钢管道泄漏，甚至爆炸的风险，存在巨大的安全隐患。因此适用于酸性环境碳钢管道消应力施工作业方法对保证酸性碳钢管道的安全和使用尤为重要。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一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通过以从满足酸性环境焊缝抗腐蚀性能和理化性能的要求出发，对影响腐蚀的残余应力和金相组织形态进行研究，提出一种能够更好地满足石油天然气酸性气田的开发和管道建设要求，能够提高管道使用寿命，能够减少维护、维修成本的酸性环境碳钢管消应力施工作业方法。

为了实现上述目的，本发明的提供了一种野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法，所述方法可以包括以下步骤：在焊缝周围选定预定加热区，并在预定加热区布置加热器和热电偶；利用所述加热器对预定加热区进行加热，热电偶检测温度到380℃～430℃后，以不大于200℃/h的加热速度将预定加热区加热到600℃～655℃，保温t时间段后，以不大于260℃/h的冷却速度冷却至380℃～430℃，冷却至常温，其中，当所述碳钢管管壁厚度不大于25mm时，所述保温时间t为0.8h～1.2h；

当所述碳钢管管壁厚度大于25mm时，所述保温时间t至少为(0.8+(b-25)/25)h～(1.2+(b-25)/25)h，b表示碳钢管管壁厚度，单位为毫米；分别对焊缝、加热后影响区以及母管进行硬度检测。

在本发明的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法的一个示例性实施例中，当所述碳钢管公称直径大于或等于100mm时，对碳钢管直管加热，所述加热器由第一半圆弧部和第二半圆弧部组成，所述第一半圆弧部和第二半圆弧部能够围合碳钢管以对其加热，所述第一半圆弧部和第二半圆弧部均由外层的第一保温层和位于外层内侧的第一加热层组成，对碳钢管弯管和三通加热，所述加热器由第二加热层和用于包裹第二加热层的第二保温层组成，所述第二加热层为绳式加热器；当所述碳钢管公称直径小于100mm时，所述加热器由第三加热层和用于包裹第三加热层的第三保温层组成，所述第三加热层为绳式加热器。

在本发明的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法的一个示例性实施例中，所述第一保温层的厚度为42mm～56mm，沿碳钢管管身轴向方向，所述第一保温层任一侧的宽度比所述第一加热层同侧宽度宽100mm以上。

在本发明的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法的一个示例性实施例中，沿碳钢管管身轴向方向，所述第二加热层和第三加热层宽度为焊缝宽度的6倍以上且宽度不小于120mm，所述第二保温层为所述第二加热层宽度的1倍以上，所述第三保温层为所述第三加热层宽度的1倍以上。

在本发明的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法的一个示例性实施例中，当所述碳钢管外径大于或等于508mm时，热电偶布置2根以上的偶数根，以碳钢管截面中心为圆心，每根热电偶的夹角相等；当所述碳钢管外径小于508mm时，热电偶布置2根以下。

在本发明的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法的一个示例性实施例中，当所述碳钢管外径大于或等于508mm时，热电偶布置2根，第一跟热电偶位于所述碳钢管截面6点钟位置，第二根热电偶位于所述碳钢管截面2点钟位置或者10点钟位置；当所述碳钢管外径小于508mm时，热电偶布置1根，所述热电偶位于所述碳钢管截面2点钟或者10点钟位置。

在本发明的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法的一个示例性实施例中，分别对焊缝、加热后影响区以及母管进行硬度检测包括分别对焊缝在碳钢管截面12点钟、3点钟和6点钟位置，加热后影响区在碳钢管截面12点钟、3点钟和6点钟位置以及母管在碳钢管截面12点钟、3点钟和6点钟位置进行硬度检测，各检测点检测后的最大硬度值不大于210布氏硬度，平均值不大于200布氏硬度。

在本发明的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法的一个示例性实施例中，分别对焊缝、加热后影响区以及母管进行硬度检测包括分别对焊缝在碳钢管截面12点钟、9点钟和6点钟位置，加热后影响区在碳钢管截面12点钟、9点钟和6点钟位置以及母管在碳钢管截面12点钟、9点钟和6点钟位置进行硬度检测，各检测点检测后的最大硬度值不大于210布氏硬度，平均值不大于200布氏硬度。

在本发明的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法的一个示例性实施例中，所述对加热区进行加热采用智能温控设备控制加热器进行加热，所述智能温控设备包括配电柜、智能温控单元以及输出单元，所述配电柜通过智能温控单元与所述输出单元连接，所述输出单元包括加热电源导线和补偿导线，所述加热电源导线与所述加热器连接，用于为加热器提供电源，所述补偿导线与所述热电偶连接。

在本发明的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法的一个示例性实施例中，所述智能温控设备能够同时对2个以上的焊口同时进行消应力施工作业。

与现有技术相比，本发明的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法的有益效果包括：

(1)有效的解决了焊缝局部残余应力集中，导致焊接接头的抗脆断能力差的问题；

(2)有效的解决了焊接接头中焊缝及热影响区存在硬而脆的组织，导致焊接接头抗腐蚀能力差的问题；

(3)有效的解决了焊缝中游离氢的存在，导致焊缝抗腐蚀能力差的问题。

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示出了本发明一个示例性实施例的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法的智能温控设备的接线方案示意图。

图2示出了本发明一个示例性实施例的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法的三通和弯管加热器布置示意图，其中，(a)表示三通加热器布置示意图，(b)表示弯管加热器布置示意图。

图3示出了本发明一个示例性实施例的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法的碳钢管直管加热器布置示意图。

图4示出了本发明一个示例性实施例的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法的热电偶布置示意图，其中，(a)表示碳钢管外径大于或等于508mm的碳钢管热电偶布置图，(b)表示碳钢管外径小于508mm的碳钢管热电偶布置图。

图5示出了本发明一个示例性实施例的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法的施工作业方法工艺参数示意图。

图6示出了本发明一个示例性实施例的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法流程示意简图。

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根据本发明的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法。

图1示出了本发明一个示例性实施例的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法的智能温控设备的接线方案示意图。图2示出了本发明一个示例性实施例的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法的三通和弯管加热器布置示意图，其中，(a)表示三通加热器布置示意图，(b)表示弯管加热器布置示意图。图3示出了本发明一个示例性实施例的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法的碳钢管直管加热器布置示意图。图4示出了本发明一个示例性实施例的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法的热电偶布置示意图，其中，(a)表示碳钢管外径大于或等于508mm的碳钢管热电偶布置图，(b)表示碳钢管外径小于508mm的碳钢管热电偶布置图。图5示出了本发明一个示例性实施例的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法的施工作业方法工艺参数示意图。图6示出了本发明一个示例性实施例的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法流程示意简图。

本发明提供了一种野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法。在本发明的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法的一个示例性实施例中，所述施工作业方法可以包括：

步骤(1)，热处理连线，选定预定加热区，布置加热器和热电偶。

在本示例中，利用智能温控设备进行消应力作业接线，如图1所示，所述智能温控设备可以包括配电柜、智能温控单元以及输出单元。所述配电柜通过电源线与所述智能温控单元连接。所述智能温控单元与所述输出单元连接。所述输出单元包括加热电源线和补偿导线。所述加热电源线与所述加热器连接，用于为加热器提供电能以对预定加热区进行加热。所述补偿导线与所述热电偶连接。所述智能温控设备可以同时对2个以上的焊口进行同时消应力作业，可以使作业效率得到最大化。

在本示例中，当所述碳钢管的公称直径大于或等于100mm时(≥dn100)时，对于碳钢管直管进行加热时，所述加热器可以由第一半圆弧部和第二半圆弧部两部分组成。所述第一半圆弧部和第二半圆弧部可以合拢为一个整圆包裹所述碳钢管以对其加热。第一半圆弧部和第二半圆弧部均由外层的第一保温层和内层的第一加热层组成。第一保温层和第一加热层可用通过机械方式进行结合。当然结合的方式不限于此，例如压缩结合亦可。优选的，第一保温层可以是保温棉，保温棉的厚度可以是42mm～56mm，优选的，可以是50mm。所述第一加热层可以是履带式加热块。所述第一保温层任一侧的宽度比所述第一加热层同侧的宽度宽100mm以上。采用本发明设置的加热器对公称直径大于或等于100mm的碳钢管进行加热，制作为半圆弧结构，可以将加热带和保温层整合成一体。在野外施工时，不仅大大缩短了热处理加热设备安装时间，提高了热处理施工效率。而且上述结构对防止热量散失有极好的保温效果，对降低能耗效果明显，同时焊缝接头各部位受热均匀且可控。

在本示例中，对于碳钢管的公称直径大于或等于100mm时(≥dn100)的弯管和三通进行加热时，如图2所示，图2(a)表示三通加热器布置示意图，图2(b)表示弯管加热器布置示意图所述加热器可以是第二保温层和第二加热层组成。所述第二加热层可以是绳式加热器。在加热过程中，所示绳式加热器必须在包扎时紧贴碳钢管，包扎的宽度可以是焊缝宽度的6倍以上，并且宽度不能小于120mm，这样设置的好处在于能够使焊缝、热处理区以及母材同时进行热处理，对提高整个焊接接头性能有很好的效果。。所述第二保温层可以是保温棉。所述保温棉的宽度可以是所述绳式加热器宽度的1倍及以上，例如，可以是绳式加热器宽度的1倍。保温棉的厚度可以是42mm～56mm，优选的，可以是50mm。在具体的实施过程中，在保温棉的外侧可以用铁丝进行捆紧以进行加固。

在本示例中，如图3所示，当所述碳钢管公称直径小于100mm时，所述加热器由第三加热层和用于包裹第三加热层的第三保温层组成。所述第三加热层可以为绳式加热器。同样的，在加热的过程中，所示绳式加热器必须在包扎时紧贴碳钢管，包扎的宽度可以是焊缝宽度的6倍以上，并且宽度不能小于120mm。所述第三保温层可以是保温棉。所述保温棉的宽度可以是所述绳式加热器宽度的1倍及以上，例如，可以是绳式加热器宽度的1倍。保温棉的厚度可以是42mm～56mm，优选的，可以是48mm。在具体的实施过程中，在保温棉的外侧可以用铁丝进行捆紧以进行加固。由于小直径碳钢管的曲率半径小，小直径碳钢管(比如:三通)的焊口距离很近，采用上述设置的加热器能够同时实现对近距离焊口同时加热，安装方便快速，结构简单，大大降低了制作成本。

在本示例中，当碳钢管外径大于或等于508mm时，所示热电偶可以设置为两根以上，每根热电偶之间的夹角相等，呈均匀分布于碳钢管周围。进一步的，设置的热电偶为偶数根热电偶。因为碳钢管外径越大，散热越大，受热越不均匀，热电偶沿着碳钢管圆周均匀分布，这样就能保证碳钢管各部分受热均匀且可控。例如，当碳钢管外径大于或等于508mm时，所示热电偶可以为两根或者四根。以碳钢管的横截面圆心为中心，每根热电偶的夹角相等。进一步的，当碳钢管外径大于或等于508mm时，碳钢管热电偶布置图如图4(a)所示，所述热电偶可以为两根，第一根热电偶(热电偶1)在碳钢管横截面的6点钟位置。第二根热电偶(热电偶2)在碳钢管横截面的2点钟位置或者10点钟位置。

在本示例中，当碳钢管外径小于508mm时，在碳钢管横截面上，所示热电偶可以为1根。例如，如图4(b)所示，所述热电偶的位置可以是碳钢管截面的2点钟位置或者10点钟位置。设置在该位置能够使在焊接过程中，热电偶的操作方便。当然，本发明的热电偶的位置和根数不限于此。

以上，对于预定加热区的选定根据本领域技术人员的常规经验选定即可。可以是经验值或者给定值。

步骤(2)，对焊缝进行热处理。

在本示例中，如图5所示，智能温控设备启动，加热器开始对选定的预定加热区进行加热。首先在t1时间段内，将预定加热区的温度由环境温度升温至t1。升温速度可以任意取值，例如升温速度可以是210℃/h～240℃/h。t1时间段可以根据升温速度进行确认。温度t1可以是380℃～430℃。例如，优选的，温度t1可以是397℃～417℃，更优选的，可以是400℃。加热到温度t1后，以v1的升温速度进行升温，到t2时刻升温到温度t2。所述升温速度v1≤200℃/h，优选的，所述升温速度v1≤185℃/h，例如，可以为180℃/h。温度t2可以是600℃～655℃，优选的，可以是620℃～630℃，例如，可以是625℃。加热到温度t2后，停止加热，保温t时间段(图5中的t3-t2时间段)。

当所述碳钢管管壁厚度不大于25mm时，所述保温时间t可以为0.8h～1.2h。进一步的，保温时间可以是0.85h～1.14h。例如，可以是0.9h。

当所述碳钢管管壁厚度大于25mm时，所述保温时间t可以不少于(0.8+(b-25)/25)h～(1.2+(b-25)/25)h，b表示碳钢管管壁厚度，单位为毫米。

例如，当碳钢管的管壁厚小于25mm时，保温时间可以是1h。当碳钢管的壁厚大于25mm时，恒温时间t会相应的至少增加(b-25)/25小时的时间。保温t时间段后，开始进行冷却处理。可以以v2的冷却速度进行冷却。冷却速度v2≤260℃/h，优选的，v2≤240℃/h，例如，可以是230℃/h。经过t4-t3时间段后，温度冷却到t1，即冷却到380℃～430℃。然后断开电源，在不拆除保温层的条件下进行自然冷却。

以上，在0～t1时间段内，升温速度设定为任意值，因为温度到达t1之前，升温速度大小对碳原子扩散作用不大。在t1～t2时间段内，温度从t1升到t2，升温速度v1≤200℃/h。如果升温速度过大，碳原子扩散时间太短，不利于碳原子扩散而且升温速度过大会造成从碳钢管焊缝外表面到内表面温差过大而产生温度应力场，加剧应力集中现象。在t2～t3时间段内，保温温度为t2，碳钢管的厚度越厚，保温时间应按上述公式进行设置，这样能够保证碳钢管外表面到内表面受热更加充分和均匀，有利于碳原子充分扩散，晶粒大小和成分更加均匀。在t3～t4时间段内，温度从t2降到t1，降温速度v2≤260℃/h，因为降温速度对生成的组织和晶粒大小有直接影响，降温速度过大，碳原子扩散时间太短，不利于碳原子扩散而且容易生成脆硬组织(如马氏体、贝氏体等)，降低焊缝接头的韧性和塑性。

步骤(3)，硬度检测。

在本示例中，当热处理完毕后，需要对焊缝、热影响区、母材本身进行硬度检测。例如，分别对碳钢管12点钟、3点钟和6点钟位置的焊缝、热影响区以及母材进行硬度检测。即在碳钢管截面上，可以对焊缝的12点钟、3点钟和6点钟位置进行硬度检测，对加热后影响区的12点钟、3点钟和6点钟位置进行硬度检测以及对母管本身的12点钟、3点钟和6点钟位置进行硬度检测。上述检测后的各检测点的最大硬度值应该不大于210布氏硬度，平均硬度值应该不大于200布氏硬度。优选的，各检测点的最大硬度值应该不大于195布氏硬度(hbw)，平均硬度值应该不大于189布氏硬度。同样的，在碳钢管截面上，可以对焊缝的12点钟、9点钟和6点钟位置进行硬度检测，对加热后影响区的12点钟、9点钟和6点钟位置进行硬度检测以及对母管本身的12点钟、9点钟和6点钟位置进行硬度检测。设置上述的检测位置，分别代表了平焊、立焊、仰焊，而这三个位置焊接参数(电流、电压、线能量等)都不相同，使得这三个位置晶粒组织形态和大小差异很大，所以对三个位置进行硬度检测就能够比较全面理解整个焊缝接头的硬度情况。

总的来讲，如图6所示，对野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法主要包括焊口检验、设备以及仪器检验、热处理连线、电偶布置、加热及保温、缓冷、硬度检测、超声波检测，完成热处理。即在焊口检验和设备、仪器检验合格后进行热处理连续，连线完成后开始进行热电偶以及加热器的布置，布置完成后进行加热和保温，然后缓冷(即上述步骤(2))，最后进行硬度检测和利用超声波进行无损检测，完成碳钢管热处理。

综上所述，本发明的野外酸性环境碳钢管消应力施工作业方法有效的解决了焊缝局部残余应力集中，导致焊接接头的抗脆断能力差的问题；有效的解决焊接接头中焊缝及热影响区存在硬而脆的组织，导致焊接接头抗腐蚀能力差的问题；有效的解决焊缝中游离氢的存在，导致焊缝抗腐蚀能力差的问题，具有很好的应用前景。

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。