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1、大庆油田有限责任公司2023年度工程建设技术座谈会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2023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：本文从减少成本、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实验等检测后完全满足标准规定，其工艺已应用于现场施工，大大减少了生产成本，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
2、，与天然气相关的管道、场站建设也越来越多，但天然气中具有的硫化氢是导致焊接接头应力腐蚀失效的重要因素之一，直接威胁到管道设施的安全运营。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，将大大减少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解决厂，该解决厂为中油（国际）阿克纠宾油气股份公司新建的油气解决厂，一期建成原油解决规模400万吨/年
3、，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2196mm。根据规定，工艺实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）实验。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。焊材选择重要考虑合用性和普遍性原则。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焊条进行实验，其中J427与进口E7018
4、-1H4R 两种低氢焊条化学成分见表1，力学性能见表2。表1 化学成分元素材质化学成分（%）CSiMnSPNiCrMoVJ427GB5117标准值0.0750.570.90.871.250.0130.0350.0210.040.020.30.0440.20.0010.30.0010.08E7018-1H4RAWS A5.1标准值0.0560.430.750.941.60.0080.0090.050.30.040.20.020.30.0130.08表2 力学性能焊条屈服强度（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3304104205202227.52
5、7/-301620.6%0.15%E7018-1H4R标准值实测值420490520560222727/-201605ml/100g4ml/100g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
6、。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/T985.1-2023标准或根据经验自行拟定，本实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。2-3mm300.5-1mm6mm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2.5mm，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。表3 焊接参数焊层焊接方法焊道名称焊接材料极 性焊 接电 流(A)焊 接电 压(V)焊 接速 度(cm/
7、min )保护气体种类及流量(L/min)牌号规格（mm）种类流量(L/min)1GTAW打底H08Mn2SiA2.5正接90-9511-124-5Ar152SMAW填充J4273.2反接95-10021-239-103SMAW盖面J4273.2反接95-10021-239-102.4 焊后热解决焊后消应热解决是避免应力腐蚀裂纹的重要手段之一。参考以往土库曼斯坦酸性气技术规格书中L245NCS热解决温度设定以及JB/T4709-2023钢制压力容器焊接规程，将加热温度定为63010，保温时间1h。3 试件检测分析试件焊接、检测完毕后，按规定进行拉伸、弯曲、应力腐蚀实验、氢致开裂实验及硬度实验。
8、其中应力腐蚀实验按照NACE TM0177A实验溶液的规定执行，实验时间720h，规定受拉应力面无开裂或任何表面破坏裂纹，实验结果见表4，试样照片见图2。表4 硫化氢应力（四点弯曲）腐蚀实验报告技术标准NACE TM0177-2023NACEA溶液PH值开始2.7结束3.5NACEA溶液H2S浓度（ppm）开始2673结束2962实验时间（h）720实验温度（）2226实验结果试样尺寸（长宽高）缝1114.3515.045.00缝2114.3515.045.00缝3114.3515.045.00试样号缝1缝2缝3名义最小屈服强度（MPa）245245245实际加载挠度（mm）555实际载荷比例
9、（%）92.692.692.6实验结果未断裂未断裂未断裂图2 应力腐蚀实验后样品表面图片氢致开裂实验按照NACE TM0284-2023标准执行，实验时间96h，规定每个试件三个断面的平均值1.5%。，实验结果见表5，试样照片见图3。表5 氢致开裂实验报告技术标准NACE TM0284-2023NACEA溶液PH值开始2.7结束3.4NACEA溶液H2S浓度（ppm）开始2713结束2946实验时间（h）96实验温度（）2226实验结果试样号试样尺寸（长宽高）CLRCTRCSR缝1100.4619.925.02000缝2100.4619.925.02000缝3100.4619.925.0200
10、0平均值000图3 氢致开裂实验后样品表面图片硬度实验按照ISO15156-2中规定执行，规定最大硬度值250HV10。测点分布见图4，实验结果见表6。图4 维氏硬度实验表6 硬度实验报告项目硬度实验硬度类别：HV10试样号12345678910138135141158158135136132144144111213141516171819148150150147147146142154138依据标准：GB/T4340.1-2023从以上实验结果看，采用H08Mn2SiA焊丝与J427焊条组合的氩电联焊完全满足各项实验标准规定，可应用于含硫管道的焊接。4 成本对比对于2196mm管，按公式计算
11、焊材消耗量，其中：W焊接材料消耗量（g）；A截面积（cm2）；密度（/cm3）；L焊道长（cm）；熔敷效率（焊条电弧焊55%）；1.2余高以20%焊道计。得0.344Kg/道口，本工程抗硫管线共计3937道口，合计所需焊材1354.56Kg，按J427焊条7.17元/Kg，E7018-1H4R焊条90元/Kg（此价格为施工单位实际进价）计算，可减少成本11.2万元，经济效益还是比较显著的。5 结论通过以上实验和成本对比分析，可得出以下结论：（1）20#钢与J427的组合，完全可满足酸性环境下抗硫管线的焊接应用。（2）国产J427焊条可替代进口E7018-1H4R焊条，大大减少焊接成本。参考文献：1邹增大主编.焊接手册(材料的焊接).第3版.北京:机械工业出版社,2023.
