1.问题描述

高压泥浆管是钻井液循环系统中的重要组成部分。由于高压泥浆具有很强的腐蚀性,输送时工作压力超高,所以对于高压泥浆管的材质、焊接质量及其制作和检验都提出了很高的要求。

2.问题分析

(1)美国防腐工程师协会标准 NACE MR 0175 对高压泥浆管的技术要求高压泥浆管材料牌号:AS19CR4130(铬、钼系列低合金钢),技术协议来源于NACEMR0175标准中“在含有H,S的作业中的管道和设备及处理设备的抗硫化物应力腐蚀裂纹(SCC)的金属材料要求”。SCC引起的损坏会导致设备在继续承压时不能恢复到工作状态,危害承压设备的完整性或使设备不能发挥其基本功能。

采用铬、钼系列低合金钢制造管子及管子零部件,在温度低于510℃时进行冷矫直,那么必须进行不低于480℃的消除应力热处理;如果是冷成形则必须对冷加工区域实施不低于595℃消除应力热处理。冷加工后硬度大于22HRC的高强度管的连接处必须实施不低于595℃的消除应力热处理。同时,使用这些合金钢在管子冷加工后硬度大于22HRC时,惯例是需要做硫化氢致脆裂纹测试,以确定材料的抗 SCC性能。

(2)高压泥浆管制作工艺难点从技术要求可以看出,高压泥浆管的施工难点是控制热处理工艺,保证焊缝、热影响区及焊缝端面的硬度不大于 22HRC。

3.对策

(1)高压泥浆管焊接工艺基于GR4130材料在ASME中没有详细材料分组的情况,焊接工艺评定采用ASMEIX规范同时也要满足NACEMR0175标准及高压泥浆管的技术协议要求。高压泥浆管工作压力大,对焊接接头质量要求高,因此选用管子规格为o141.3mmx19.5mm,主要覆盖范围满足本焊接工艺。

(2)焊接位置及坡口形式高压泥浆管规格、焊接位置以及坡口形式见表 3-1。

注:6G-管子倾斜 45°的焊接。

(3)焊接材料的选择焊接材料的选择在满足母材力学性能要求的同时,也要满足NACEMR0175标准中焊接材料的N含量不大于1%(质量分数)的规定。同时焊接材料强度越高,焊缝硬度也会增加。因此焊接材料选择ER100S-G和E10018-D2等级(美标)。

(4)预热和层间温度的确定按国际焊接协会(IW)推荐碳当量和AWS推荐的碳当量计算公式,计算碳当量为0.52%~0.77%。由此可见,GR4130焊接性较差,按ASME建议的预热温度为130℃,考虑到预热的目的是为了降低焊缝金属的冷却速度,避免冷裂纹的产生,根据实际情况将预热温度定为150~160℃,从而确保合适的冷却速度,保证焊缝金属及热影响区不出现冷裂纹。温度测量点为坡口两侧50~75mm范围内。

(5)焊后热处理方案焊后热处理的主要作用在于消除应力,但需要注意的是,热处理温度过高会降低焊缝的韧性和强度。按NACEMR0175标准要求,为达到硬度不大于22HRC,需要做不低于595℃的热处理,结合ASME和AWS对不同强度低合金钢热处理温度和保温时间(1h/25mm)的要求,综合以上三个标准推荐的热处理工艺规范参数,最终的焊后热处理工艺参数定为:热处理温度650℃,保温时间为2h。热处理温度曲线如图3-5所示。

热处理的临界温度定为300℃,从300℃加热到650℃的升温速率定为180℃/h,从650℃冷却到300℃的降温速率为150℃/h。焊接热影响区(HAZ)的硬度是硬度控制的重点:在硬度测试中要注意利用NACE标准,相邻3个点的平均值为22HRC,其中1个点超出,但超出不大于2HRC是满足要求的。

4.焊缝 V形缺口冲击韧性分析

焊接材料的选择要满足-40℃冲击韧性要求。将高压泥浆管焊缝冲击韧性试验温度定为-40℃和0℃,两个方案同时进行,既能满足技术要求,也能为后续产品生产做好技术准备。-40℃低温冲击试验对焊接工艺要求较高,要从焊材的选择和焊接工艺上人手,主要是控制焊接热输人和层间温度,采用多层多道焊。严格控制每道焊缝的成形系数,记录焊接层数和每一层的道数,在焊接过程及焊后的全过程中对焊缝采取缓冷工艺措施,确保焊缝低温冲击韧性数据满足标准和技术要求,特别是焊缝中心的冲击韧性值。

5.进一步分析

通过对钻井驳高压泥浆管的工艺、制造和安装过程的研究,从工艺的角度讲,工艺试验主要是为了研究焊接接头的力学性能及宏观性能。本焊接工艺示例更有利于焊缝质量的控制:采用多层多道焊,控制焊缝层厚,后一道焊道对前一道焊道具有回火的作用;使用超低氢焊条,不横向摆动,控制好弧长,这样空气不容易进人熔池,焊缝的气孔敏感性降低;每一道焊道都使用打磨的方式清渣并处理焊缝表面,焊缝的夹渣概率会很小。高压泥浆管焊缝的内部质量控制是通过无损检测来控制和验证的。大量的焊接现场实际工作表明,管子母材外表面可能存在硬度超标,需要在试验时对母材的硬度进行测试,因此需规范矫管、焊接、热处理和搬运施工等工序,防止热处理后硬度升高。

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1. 应用行业: 压力容器、锅炉、化工石油管道安装等;

2. 适用范围:不锈钢、碳钢、钛合金等材质焊接;

3. 适用管径:

MWG-90 适合管径:Φ20-89mm,壁厚1-10mm;

MWG-170适合管径:Φ63-168mm,壁厚2-10mm;

MWG-230适合管径:Φ130-230mm,壁厚2-10mm;

MWG-325适合管径:Φ159-325mm,壁厚2-10mm;

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本文部分内容引用:机械工业出版社《现场焊接问题分析及对策》薛小怀 杨文