20#抗硫管线焊接工艺研究

20#钢含硫天然气管线焊接工艺

应用研究

大庆油田工程建设有限公司培训中心

2010年12月

20#钢含硫天然气管线焊接工艺应用研究

大庆油田工程建设有限公司培训中心刘庆忠张先龙都宏海

概要：本文从降低成本、缩短进料周期等角度出发，根据前线施工单位具体情况，灵活应用，提出以国产J427焊条替代进口焊条，采用氩电联焊方法进行了20#钢含硫管线的焊接。焊接接头经应力腐蚀试验等检测后完全满足标准要求，其工艺已应用于现场施工，大大降低了生产成本，取得了令人满意的效果。

关键词：J427焊条、焊接、应力腐蚀

0 前言

近年来，随着天然气在国民经济中各个行业的广泛应用，与天然气相关的管道、场站建设也越来越多，但天然气中含有的硫化氢是导致焊接接头应力腐蚀失效的主要原因之一，直接威胁到管道设施的安全运行。以往对于此种含硫管线焊接经常采用进口专用高韧性低氢焊条，成本高、进料周期长。如能采用国产焊条替代进口焊条，将大大降低施工成本及缩短工期，对于大庆油田乃至外部市场含硫天然气管道焊接将具有重要意义。本文即基于此点，对国产焊条在含硫管线的应用展开研究，其结果已得到建设方认可，并应用到工程施工中。

1 工程简介

本研究依托工程为工程建设公司承揽的哈萨克斯坦希望油田第四油气处理厂，该处理厂为中油（国际）阿克纠宾油气股份公司新建的油气处理厂，一期建成原油处理规模400万吨/年，其中配套集输管线42.5公里，地上工艺管道18.9公里，地下管道23.6公里。含硫管线全长13.42公里，共3937道口，材质为20#，规格为Φ219×6mm。根据要求，工艺试验除需正常的力学检测外，还需对管线焊接接头进行硬度（HV10）、抗氢致开裂（HIC）和抗硫化物应力开裂（SSC）试验。

2 焊接工艺研究

2.1 焊接方法及材料

焊接方法为氩电联焊。焊材选择主要考虑适用性和普遍性原则。通过调研发现，针对20#钢，在大庆油田以大西洋焊材使用最为普遍，份额约占到了工程建设公司承揽工程的80%左右，因此本研究实际选用四川大西洋产H08Mn2SiA 焊丝和J427焊条进行试验，其中J427与进口E7018-1H4R 两种低氢焊条化学成分见表1，力学性能见表2。

表1 化学成分

由于焊缝中的Ni 对介质中的硫化物比较敏感，在残余应力和工作应力等作用下，易导致应力腐蚀，因此在含硫管线焊接中一般规定焊材中Ni 含量≤1%。从表1中可以看出，E7018-1H4R 和J427的Ni 含量都满足上述规定，并且J427的Ni 含量还要稍低于E7018-1H4R 。此外，从表2也可看出，J427虽然属于碳钢类焊条，但是其韧性实测值并不低于E7018-1H4R ，且扩散氢含量较低，对于在低合金高强钢中易出现的阴极氢脆（HEC ）型应力腐蚀敏感性还是较低的。综合以上两点，为采用国产J427焊条进行抗硫管线焊接提供了理论依据。 2.2 坡口形式

坡口形式可参照GB/T985.1-2008标准或根据经验自行拟定，本试验具体坡口尺寸见图1。坡口组对时采用正式焊缝法点固，点固点位于11点、2、6点方向。

焊条

屈服强度（MPa ） 抗拉强度(MPa) 伸长率 (%) 冲击韧性 （J ） 药皮中含水量

J427

标准值 实测值 ≥330 410 ≥420 520 ≥22 27.5 ≥27/-30℃

162 ≤0.6% 0.15% E7018-1H4R

标准值 实测值

≥420 490

≥520 560

≥22 27

≥27/-20℃

160

≤5ml/100g 4ml/100g

图1 坡口示意图

2.3 焊接工艺

焊接位置为水平固定，钨极为铈钨极，尺寸Φ2.5mm，伸出长度约2mm；钨极端部要打磨成圆滑过渡；喷嘴直径为12mm两种；氩气纯度≥99.9%；焊条焊前烘干350℃，2h。其它焊接工艺参数见表3。

2.4 焊后热处理

焊后消应热处理是避免应力腐蚀裂纹的主要手段之一。参考以往土库曼斯坦酸性气技术规格书中L245NCS热处理温度设定以及JB/T4709-2000《钢制压力容器焊接规程》，将加热温度定为630±10℃，保温时间1h。

3 试件检测分析

试件焊接、检测完成后，按要求进行拉伸、弯曲、应力腐蚀试验、氢致开裂试验及硬度试验。其中应力腐蚀试验按照NACE TM0177A试验溶液的规定执行，试验时间720h，要求受拉应力面无开裂或任何表面破坏裂纹，试验结果见表4，试样照片见图2。

试验结果

试样号缝1 缝2 缝3

名义最小屈服强度（MPa）245 245 245

实际加载挠度（mm） 5 5 5

实际载荷比例（%）92.6 92.6 92.6 试验结果未断裂未断裂未断裂

图2 应力腐蚀试验后样品表面图片

氢致开裂试验按照NACE TM0284-2003标准执行，试验时间96h，要求每个试件三个断面的平均值≤1.5%。，试验结果见表5，试样照片见图3。

表5 氢致开裂试验报告

技术标准NACE TM0284-2003

NACE—A溶液PH值开始 2.7 结束 3.4 NACE—A溶液H2S浓度（ppm）开始2713 结束2946 试验时间（h）96 试验温度（℃）22～26

试验结果

试样号试样尺寸（长×宽×高）CLR CTR CSR

缝1 100.46×19.92×5.02 0 0 0

缝2 100.46×19.92×5.02 0 0 0

缝3 100.46×19.92×5.02 0 0 0

平均值0 0 0

图3 氢致开裂试验后样品表面图片

硬度试验按照ISO15156-2中规定执行，要求最大硬度值≤250HV10。测点分布见图4，试验结果见表6。