大口径双金属复合管施工过程中隐患辨识及监控对策研究

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  摘 要:新疆呼图壁地下储气库,目前是中国库容最大的储气库:库容量107.0亿方,工作气量45.1亿方;据气田介质环境、使用寿命等进行设计选择,本工程注采管道及采气干线选用耐腐蚀的双金属复合管,其中采气干线选用D508*16+2及D355.6*11+2:即基管材质为L415QB、内衬管为316L(00Cr17Ni14Mo2)、直径分别为508和355的双金属复合管,该大口径的双金属复合管在新疆呼图壁地下储气库工程首次使用,属新材料、新技术在本工程的应用。作为本项目的专业监理工程师,通过3年来对大口径双金属复合管的工程监理实践,对复合管施工过程中存在的隐患和难点进行辨识、分析,以及所采取的监控对策、措施的实际应用,对大口径双金属复合管的监管做出有益的探索。
  关键词:大口径双金属复合管 新材料、新技术的监理实践 隐患辨识 监控对策
  一、项目概述
  新疆呼图壁地下储气库工程位于准葛尔盆地南缘,距呼图壁县动约7KM,东南距乌鲁木齐市78KM。工程包括集注站一座;以及集配区的集配站三座、注采气干线6条;注采井场30座、单井注采管道30条,以及相关的外输及配套工程。
  地下储气库的主要作用:1)季节调峰:呼图壁储气库正常调峰时做为季节用气调峰气库,以保证北疆地区用气为主,主要作用是调节季节性用气峰谷差。2)战略储备:主要作用是当西二线天然气长输管道一旦发生事故、造成内地停气的局面时,气库内储备足够多的备用天然气,实现应急调度的目的。
  建设单位:新疆石油管理局储气库项目经理部;监理单位:新疆石油工程建设监理有限责任公司;EPC承包单位:新疆油建与新疆设计院联合体。
  本工程于2011年6月开工,计划总投资93.7亿人民币。2013年6月9日注气系统投产一次成功,2013年11月7日采气系统一次投产成功。国家所有的在建储气库项目中:新疆呼图壁储气库是库容做大,投产最早,问题最少的储气库。
  二、双金属复合管施工过程中的难点及隐患辨识
  本工程双金属复合管主要集有两种规格(D基管外径×壁厚+衬层厚度):D168*14.2+2、D114*10+2,设计压力32MPa;集配站采气干线均采用D355.6*11+2, D508*16+2两种规格,设计压力12MPa,其中用于本工程的采氣干线D355和D508这两种大口径规格的双金属复合管在国内也属新材料、新技术的使用。
  1.材料新,抗腐蚀双金属复合管为基层和内衬不锈钢层两层,结构特殊。区别于传统的焊接工艺,此前没有双金属复合管施工经验,施工过程中需处理好抗腐蚀复合管的焊接工艺评定及焊接相关技术问题。
  2.技术要求难度大,特别是D508和D355这两种规格的复合管制造过程中管端椭圆度偏差较大,复合管的焊接对管内径要求比较高。由于基材选择的是无缝钢管(L415QB),其外径偏差较小,壁厚不均匀,造成管内径不均匀,增加了组对、焊接难度。
  3.基层L415QB与不锈钢衬层热膨胀系数相差大;衬层不锈钢厚度仅2mm,热膨胀系数大,热传导性差,先焊接衬层时会发生翘曲变形,且焊接中反复加热及冷却,焊缝局部易产生变形叠加。
  4.安全使用的要求:确保焊接完成后的双金属复合管焊缝不但具有优异的机械力学性能(管线承受压力高)、耐蚀性能(满足使用寿命),且通球、扫线的顺利实施(不能影响正常的使用、维护)。
  三、对策措施
  1.L415QB/316L双金属复合管材料检查措施:
  L415QB/316L 复合管通过机械结合的工艺,实现基体钢管和内衬不锈钢管的过盈配合,达到复合状态。基体无缝钢材质为L415QB(耐低温-40℃),热处理状态为淬火加回火。内衬钢管材质为316L,材料的中国牌号为00Cr17Ni14Mo2(美国钢铁协会牌号为AISI 316L)。
  1.1通过监理人员的搜集、整理、查阅相关复合管的设计技术规格书、国家相关标准、国内外类似复合管的施工方法,现场的亲身经历、实践,总结、再实践、再总结,集各专家的意见,不断完善补充编写《双金属复合管施工监理细则》。
  1.2按照编制的《双金属复合管施工监理细则》、相关的规范标准、技术规格书和供货合同,对到场的双金属复合管进行现场检查验收,在对现场材料检查过程中发现的问题没有落实解决前,不允许使用;
  1.3在对第一批到货的双金属复合管的外观检查时发现:该复合管材标识的炉批号与该批管材的质量文件不符,现场不能提供与其相符的质量证明文件,要求施工单位暂不进行使用(3PE防腐),以书面工作联络单的形式通知参建各方;并要求复合管驻厂监造单位(第三方)在复合管质量证明文件签字或盖章确认,调动参建各方的力量,保证复合管出厂前的质量。
  1.4到货的质量证明文件不能证明基复合管的基管材质耐-40℃低温要求,要施工单位提供,随后厂家以传真的形式发出,在随后的质量证明文件补充完善。检查复合管压扁试验、基衬分离强度试验、静水报告压试验、理化性能试验、腐蚀试验报告等。
  1.5复合管几何尺寸检验:检测钢管的长度、外径、直径、壁厚、椭圆度等参数;
  1.6见证不锈钢衬管、基管的化学分、基管表面的无损检测抽检验证;检查试验结果;收集相关数据。
  1.7督促第三方驻厂监造单位出具完整的复合管监造报告。
  2.双金属复合管施工工艺的控制:
  2.1焊接保护方法的选用:因为复合管的衬管厚度是2毫米,厚度较薄,在根焊时背面焊道极易造成氧化,本工程双金属复合管首次应用,在选用焊接工艺及保护措施方面,需试验论证,建议组织召开专家评审会议;对不成熟的焊接保护如:焊道背面涂抹保护剂的方法予以否定,采用较为成熟的焊缝背面充惰性气体的保护方法;   对复合管的焊接方法进行焊接工艺评定合格后,在野外现场进行验证,小口径的复合管如本工程的D168*14.2+2、D114*10+2焊接工艺适应性较好,焊口无论从焊道背面颜色、成形,焊缝外观,检测等指标较满意。
  2.2通过对大口径复合管材料检查,管口椭圆度超标,部分管材管口外翘,经过统计,对椭圆度超标严重的进行割口处理,并对部分D508管材拉回工厂进行了内堆焊处理,经过现场实践证明,内堆焊处理后的大口径D508双金属管材焊接过程中问题较少,焊道成形及内在质量较好,缺点是成本较大。
  2.3未做内堆焊处理的D355及D508双金属复合管按照既定的工序,现场进行严格的全过程试验、监督、确认;由监理、厂家、焊接培训中心、施工,进行现场试验,监理人员全过程核查、落实、见证试验段的施工,并做好相关参数的收集、分类、汇总;确定本工程的D355.6*11+2, D508*16+2大口径复合管采用的施工方法。
  2.4根焊时焊缝背面采用充氩保护。氩弧焊时焊缝背面提前送气,流量适当加大,空气排除后,流量逐渐减少,空气排出孔应置于管口最高位置,手工钨极氩弧焊根焊,在测量管口顶部的含氧量<5%后方可始焊,根焊时为了减少管内氩气从对口间隙处流失影响保护效果,焊接前可沿焊口间隙贴上胶带,仅留出焊工一次连续焊接的长度,边焊边揭去胶带。
  2.5焊接方法为:手工乌极氩弧焊根焊,过渡焊+625镍基合金半自动氩弧焊填充、盖面;对于衬层不锈钢与基层碳钢之间的焊接,为更有效的防止稀释和碳迁移等问题,在覆层与基层之间的过渡焊接应严格控制熔合比,因此,覆层的打底焊与过渡层的焊接宜采用热输入量较小的手工钨极氩弧焊。
  2.6金属材料分类及分组:基层:FeⅡ,不锈钢内衬:FeⅣ。
  2.7填充金属分类:根焊316L,过渡焊使用ER309MoL,填充焊、盖面焊使用ERNiCrMo-3;
  2.8焊后不进行热处理。双金属复合管衬层不锈钢不需进行热处理,基层碳钢也不许进行热处理。
  3.监控要点及方法
  3.1焊接人员资质控制:根焊焊工应具备FeⅣ类金属材料焊接资格,过渡焊焊工应同时具备FeⅣ类金属材料焊接资格、堆焊资格和FeⅡ类金属材料资格;填充、盖面焊工应具备FeⅡ金属材料焊接资格和Nifs3填充金属焊接资格。
  3.2管口焊前处理:由于制管时,双金属复合管中的两种金属层之间会滞留一些杂质、水分、空气;根焊或打磨过程中,封焊打开后,由于两种金属之间的挤压夹层内存在一定的压力,层内的空气和水分会向外溢出,现场实践证明,根焊过程中,夹层内溢出的空气、水分和杂质,严重影响根焊层的成形,造成根焊层的塌陷和脱落,故施焊前对该批管材的封焊层重新进行坡口加工,即除去原封焊层,重新用坡口机加工坡口,释放夹层内的空气、水分后重新进行封焊。
  3.3封焊的控制:封焊工作在复合管施工过程中是一个非常重要的环节,即将基管和衬管的间隙封闭焊接, 防止水分、杂质进人两种金属的环形空间里。封焊属异种钢焊接,根据焊接评定,选用直径为2.0的ER309MoL焊丝,手工氩弧焊接,保证较小的热输入。
  3.4管口组对及保护措施控制:双金属复合管在组对时,一定要保持内对齐,充分保证根焊部位的成形;同时在管口顶部检测坡口处含氧量的检测,管口内含氧量低于5%,开始根焊,根焊闭合前,可用微型电筒抽查焊道背面成形及不锈钢颜色变化情况,焊道颜色为银白,金黄、蓝、红灰为合格,黑色、灰色等为不合格。否则会削弱双金属复合管的耐腐蚀能力。
  3.5根焊及道间温度控制:根焊工作是复合管焊接的核心技术,由于衬管壁厚薄,椭圆度控制难度大,在对口焊接时, 尤其要注意错边量的控制, 焊接时必须保证不锈钢层的良好融合。316L不锈钢导热性差,焊接热量不易散出,容易过热,根焊前温度控制在5-100℃。
  3.6過渡焊接的控制:过渡焊是为了保护根焊层及不锈钢的抗温度敏感, 使基管层与衬管层良好过渡融合;这两种钢材的线膨胀系数和导热率的不同,易产生焊接热裂纹,过渡焊道间温度控制在5-100℃;过渡层焊缝应同时熔合基层焊缝、基层母材和内衬层母材,应盖满内衬层至基层。过渡层一般厚度不小于4mm。
  3.7填充、盖面焊接控制:由于双金属复合管的基层材质L415与衬管316L的热敏感性差距较大,因此在选择填充盖面焊接方法时,尽量采用手工焊接,防止热输入量过大,造成双金属复合管中的两种金属在高温下变化较大,形成分层、塌陷、开裂等缺陷,且道间温度控制在60-150℃,每道焊层温度要自然冷却至焊接工艺要求的温度后,始焊下一道焊层直至焊道盖面完成。
  3.8无损检测:焊道外观成形后合格,考虑到焊缝延迟裂纹,焊接完成24h后,方可进行100%射线探伤(RT)。
  3.9沟上组焊完成后, 进行下沟作业时一定要增加下沟设备, 提升高度和放管速度、力度一定要严加控制, 防止外力集中造成应力开裂。
  4.焊缝的返修
  4.1无论是外观检查还是无损检测不能满足要求的焊缝, 均需要进行返修。返修前,应认真分析缺陷的性质和部位,确认返修工艺;
  4.2小口径的双金属复合管在焊口返修时, 特别在进行根部返修时建议不进行返修,而采取割口重新施焊。因为返修时打开口较小, 根焊焊丝送人时易偏移, 造成内咬边, 而且内部焊瘤较大, 易造成根焊层保护不良, 耐腐蚀性能降低。
  四、结语
  国内对双金属复合管的应用起步较晚,使用范围有限,此次在新疆呼图壁地下储气库工程中双金属复合管的施工监控过程中,涉及面广、工期紧、口径大、复合管压力高、与传统的焊接工艺施工区别较大,再加上复合管在地下储气库本工程的首次应用, 因此对监理工作也是一种全新的挑战和考验。
  通过上述复合管施工阶段采取的对策和措施,结合现场监测复合管一次焊接合格率,由初期大口径复合管一次合格率为不足60%,经过工艺调整,加强现场监控,保证了复合管施工过程中的所有措施到位,严格执行既定的施工方案,复合管的一次合格率上升为94%,大口径复合管的施工工艺日趋成熟。
  一方面在项目经理部的大力支持下,兄弟各单位的不断学习交流、施工单位的现场试验、磨合、并逐步补充、完善复合管焊接技术;另一方面,在施工过程中,监理方按照细化的监控措施,采取严格、有效的全过程监管,保证了复合管焊接工艺严格、顺利的实施,最终通过试压、投产检验,大口径复合管焊接控制措施是可行、有效、成功的。
  本次监理实践所取得的工作经验,对未来类似新技术、新材料的工程监理工作,提供了一定的借鉴经验,具有积极意义。
  参考文献
  [1]任意,双金属复合管在酸性气田施工中的技术探讨2012;
  [2]杨刚,X65/316L复合管的焊接工艺及焊接质量控制.2012
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