316L尿素级不锈钢高压管道施工技术

化工建设工程　　　　　　　　　　　　　　　　　　2002年第24卷第3期

316L尿素级不锈钢高压管道施工技术

王荣青

(中国石油天然气第七建设公司,胶州市　266300)

　　摘　要　以日产1050t尿素装置的施工为例,对316L尿素级不锈钢高压管道的焊接、安装、检验、水

冲洗和试压等施工艺进行了系统性的介绍。

关键词　316L　高压管道　焊接　安装　检验　水冲洗　试压　　我公司承建的新疆泽普石化厂化肥扩建工程日产

1050t尿素装置,是我国第第一套采用荷兰Stamicarbon(斯太米卡邦)改进型CO2汽提法生产专利技术的尿素装置。尿素装置具有高温、高压、易燃、易爆、易腐蚀、易中毒等特点,属特别危险生产区域;本装置最高操作压力为14.32MPa,最高操作温度为383℃。装置高压部分工艺管道主要有4种材质:316Lmol、316L、A33GR6、API5LB,均为进口材料,其中316Lmod是超低碳不锈钢316L的改良型,又称316L尿素级不锈钢。这种新材料的施工条件要求苛刻,施工难度大。本人根据现场施工实际并结合316L尿素级不锈钢高压管道施工特点及难点,论述归纳了316L尿素级不锈钢高压管道施工技术和施工经验,供316L尿素级不锈钢高压管道安装借鉴。1　316L尿素级不锈钢高压管道施工技术要求111　原材料及焊材的技术要求11111　尿素生产工艺过程中的中间产物存在的氨基甲酸根、氰酸根等对不锈钢及焊缝有强烈的腐蚀性;为了提高原材料和焊缝的耐腐蚀性,原材料及焊材必须满足下列要求。

(1)管道及管道组成的化学成分要求(重量百分比),见表1。

表1　管道化学成分要求

C≤0.030S≤0.030Si≤1.0N≤0.22Mn≤2.00

Cr17.0～18.5

P≤0.040

%

Ni≥13.0～15.0Mo2.20～3.00　　(2)焊材熔敷金属的化学成分要求(重量百分比),

见表2。

表2　焊材化学成分要求

C≤0.040S≤0.020

Si≤0.05N≤0.20

Mn≥3.00Ni≥21.0

Cr≥24.0Mo1.9～2.7

P≤0.030

%

　　本装置316L尿素级不锈钢高压管道焊接材料焊

丝为R25.22.21MN,焊条选用E25.22.2LMNB。

(3)铁素体含量的要求

原材料及焊材的奥氏体形成元素(Ni、C、N、Mn)和铁素体形成元素(C、Mo、Si)的平衡,应使得母材及母材

焊接后能获得完全奥氏体组织(最大铁素含量为0.

6%)。铁素体含量可用铁素体测量仪检测。1.1.2　原材料及焊材质量证明书上应列有材料在交货条件下的化学成分和力学性能,并包括休氏试验的试样号、休氏试验和选择性浸蚀试验结果以及有关材料的铁素体含量和金相组织说明。1.2　原材料及焊材的保管要求(1)经过检验合格的原材料及焊材的保管,要求设专库进行统一管理,不允许与其他的焊材接触。

(2)焊条烘干宜采用专用烘干箱。1.3　316L尿素不锈钢高压管道预制1.3.1　同种管径且同种壁厚的管道统一排料,管道下料时除现场实测实量外,还应充分考虑管道坡度以及组对间隙的要求。1.3.2　316L尿素级不锈钢的切割及开孔

(1)316L尿素级不锈钢高压管道的切割只能采用机械方法切割,不允许用等离子切割、气割、碳弧气刨。高压设备(高压洗涤器、合成塔)接口盲板拆除时,只能用专用不锈钢砂轮片打磨铲除。

(2)316L尿素级不锈钢高压管道的开孔,使用专用钻头在钻床上进行开孔。热电偶组件开孔,设计要求将螺纹接头与管子焊好之后,再将螺纹接头底部的管子钻通、扩孔、除刺。施工现场这样做有一定困难,可采用另一种做法:先将螺纹接头钻通、扩孔、除刺,随后插入与热电偶套管等径直管段定位,然后将螺纹接头与管子焊好之后,拔出直管段,插入套管,安装热电偶。实践证明,后一种安装方法是行之有效的。

1.3.3　316L尿素级不锈钢高压管道预制,要求在专用车间进行,车间不允许进行其他钢种施工作业。预制平台采用木质或不锈钢板搭置。此外,预制平台要求干净、无灰尘。不论是存放在预制车间还是临时堆放在施工现场的预制管段,都应在其底部平铺上木质或不锈钢板;且预制管段应及时清扫封闭。1.4　焊接工艺1.4.1　焊接工艺评定

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焊接工艺评定项目除不锈钢焊接工艺评定的常规项目外,316L尿素不锈钢高压管道焊接工艺评定还应进行休氏体试验、选择性浸蚀和金相试验等项目的评定。按Stamicarbon规范的要求,焊接工艺评定需得到外方焊接工程师的确认,确认合格,焊接工艺评定才有效。1.4.2　焊工的考核确认

在外方焊接工程师对焊接工艺评定按Stamicarbon规范要求确认合格后,外方焊接工程师还要对参与316L尿素不锈钢高压管道施工的焊工进行考核确认。焊工的考核确认要求每名焊工按焊接工艺评定的要求现场焊接一道焊缝,并进行根部焊和第一层填充焊后的返修焊;由外方焊接工程师对试件进行确认,确认内容包括:外观检查、金相检查、射线检测、渗透检测及铁素体检测;确认合格后由外方焊接工程师颁发316L尿素级不锈钢高压管道焊接许可证。至此,才允许进行316L尿素级不锈钢高压管道的焊接工作。1.4.3　焊接准备及焊接方法1.4.3.1　焊接准备

(1)坡口型式:壁厚<15mm;采用单V型玻口;壁厚≥15mm采用双V型坡口或U型坡口;(2)坡口边缘焊接区和相邻区域(离边缘约10mm),焊接之前应该用丙酮或酒精清洗干净;

(3)加工坡口时,要求边加工边浇水(水中氯离子含量最大为25ppm);坡口要磨时,应平缓地打磨母材使之不至于变成蓝色。1.4.3.2　焊接方法

(1)壁厚≤8mm,采用全氩弧焊焊接;

(2)壁厚>8mm,采用氩弧焊与手工电弧焊相结合焊接,氩弧焊打底焊接两层,其余各层采用手工电弧焊,只能采用窄的堆焊焊缝。1.4.4　焊缝检查

(1)公称直径≤40mm,最终焊接后检查:外观检查、铁素体含量检测、渗透检测(对于对接焊缝采用射线检测代替渗透检测)。

(2)公称直径>40mm,壁厚≤5mm的焊缝,最终焊接后应进行如下检查:外观检查、铁素体含量检测(如有可能检查管内焊缝)、渗透检测、射线检测100%。

(3)公称直径>40mm,壁厚>5mm的焊缝。①打底焊层和第一层填充焊接后应进行如下检查:外观检查、铁素体含量检测(如有可能检查管内焊缝)、渗透检测;②第二层填充焊后应做如下检查:外观检查、渗透检测、射线检测100%;③最终焊接后应进行如下检查:外观检查、渗透检测、射线检测100%。1.4.5　焊缝反修工艺

焊缝返修工艺与正式焊接一致。1.4.6　焊缝的渗透检测

采用水洗型着色法湿式显象,被检工作表面温度

在15℃～55℃,渗透时间为5～15min。1.5　管道安装1.5.1　管道安装前,应将管道清扫干净;1.5.2　不能与碳钢或镀锌管相接触;1.5.3　临时搭接件和临时支撑的材质应为316L尿素级不锈钢;去除临时搭接件和临时支撑时,只能使用专用不锈钢砂轮片打磨铲除;1.5.4　固定夹具采用316L尿素不锈钢制作;1.5.5　高压排污总管各支管上的阀门必须进行100%的单体试压,且试压时应有业主、监理或外商在场,此为确保装置正常运行的关键控制点;1.5.6　因高压气相管道连接的两台高压设备的操作压力几乎相等,为减少流体流动阻力,气相管道安装时,管道不能形成管袋(即保证水平管水平,不能有坡度),以保证流体正常流通;其外,要确保气相管道伴热管及保温施工质量,以避免冷凝腐蚀。1.5.7　因高压液相管道中流体介质为尿液及甲铵溶液,其特点是在高压条件下,温度低于60℃时,易产生结晶现象;因此,高压液相管道施工中要注意以下几点:

(1)确保高压液相管道安装坡度及坡向的要求以及高压液相主管道伴热及保温施工质量;

(2)安装高压液相管道上的导淋阀、取样分析点以及冲洗支管等服务点时,要求这些服务点上的第一道阀门离高压液相主管道的距离应为最小;以避免因这段距离中流体介质不流动、无法实现热量交换和散热的影响从而导致这段距离中的流体介质温度过低,产生结晶堵塞这些服务点。1.5.8　管道安装过程中及安装完毕,其周围禁止动火作业;如不可避免,应采取合理的防护措施,避免受到铁素体的污染;1.5.9　静密封组成件的安装

静密封均采用透镜垫密封型式,其密封效果良好;静密封组成件的安装,要求焊环接头密封面顶部离螺纹法兰距离应为6mm;密封面存在可修复缺陷时,只能用专用研磨工具进行研磨。其外,在进行高压螺纹鞍座安装时,要特别注意防止焊接变形对其螺纹的伤害;为此,在其焊接前,先拧入一段预加工好的涂有二硫化钼的堵头,待焊接合格后,再将其拆除,安装正式件。1.6　水冲洗及压力试验1.6.1　水冲洗及压力试验用的水质要求,外商要求水中的氯离子浓度不大于1ppm,此为锅炉用纯净水,务必满足;1.6.2　盲板加设　高压甲铵泵出口及所有高压安全阀入口,加设无孔透镜垫,液位计拆除加设无孔透镜垫及盲板法兰;无孔透镜垫压力等级应与工艺管道用透

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镜垫压力等级一致,无孔透镜垫材质宜采用不锈钢(其

硬度应低于法兰硬度);实践证明,无孔透镜垫密封性能良好,本装置压力试验达到试验压力20.0MPa时,所加设的6个无孔透镜垫无泄漏点发生;无孔透镜垫拆除后,焊环接头密封面完好;1.6.3　压力试验时,必须认真检查高压排污总管各支管上的阀门,确认是否内漏;以避免装置投产时,因阀门内漏,工艺流体介质渗入排污总管堆积结晶,堵塞排污总管;1.6.4　水冲洗及压力试验后,应将水排净,但不能加热或用热空气干燥,以避免氯化物的浓缩。2　铁素体含量检测方法及焊缝铁素含量超标预防措施

尿素装置316L尿素级不锈钢高压管道的焊接,不仅要解决焊接接头强度问题,更为重要的是解决316L尿素级不锈钢高压管道焊接接头的耐腐蚀问题。铁素体含量的高低是判断316L尿素级不锈钢材料及焊接接头耐腐蚀性强弱的重要因素;铁素体含量的检测,则是施工现场判断316L尿素级不锈钢材料及焊接接头质量是否符合Stamicarbon规范要求的重要指标,也是唯一检验手段。因此正确掌握铁素体含量检测方法及焊缝铁素含量超标的预防措施,对保证316L尿素级不锈钢高压管道施工质量是非常重要的。211　铁素体含量检测方法2.1.1　检测范围

管材、管道配件、焊环管头、法兰、垫片、热电偶组成件等的内外壁任意三点;过滤器(检查阀体、本体法兰及滤网);阀门、调节阀及安全阀(检查阀体、阀座、阀杆、阀板);高压设备的接口短管及本体法兰。2.1.2　检测方法

(1)检验设备的校验

检测设备采用铁素体检测仪,因316L尿素级不锈钢最大铁素体含量为0.6%,校验用的样品的铁素体含量最大应为0.6%。

(2)设备校验之前,应用丙酮或酒精清洗校验用的样品及检测探头,使其干净、无灰尘,确保校验的精度;

(3)铁素体含量检测前,应将被检测部位及检测探头用丙酮或酒精清洗干净,再进行检测;检测过程中,要常清洗检测探头,确保其不受铁素体的污染,以保证检测结果的准确性;

(4)当被检测点铁素体含量不合格时,在条件允许的情况下,可用专用砂轮片打磨不合格点,磨去表面钝化层后,用丙酮或酒精清洗打磨处;然后再进行检测,仍不合格,则此点铁素体含量不合格。2.2　焊缝铁素体含量超标预防措施

原材料及焊材检验合格,并运用正确的有效的方

法进行成品保护后,焊缝铁素体含量超标的可能性主要来自于管道焊接过程,对焊缝铁素体含量的控制可采用如下措施。2.2.1　焊接技术措施2.2.1.1　选用适当的焊接方法,使它输入焊接熔池的热量最小,让焊接接头尽可能的缩短在敏化温度区段的停留时间,减低危险温度对焊缝的影响;2.2.1.2　合理地制定焊接工艺参数

在保证焊缝质量的前提下,用最小焊接电流,最快的焊接速度;2.2.1.3　合理的焊接操作

(1)采用窄焊缝,多道多层焊,每一道焊缝或每一层焊缝焊后,要等焊接处冷却到低于150℃温度时,再进行次一道或次一层焊缝焊接;

(2)在施焊过程中不允许依靠焊接材料在熔池中摆动,来增高熔池的温度和冷却时间;

(3)在材质分界线处,316L尿素级不锈钢的焊缝,在有条件的情况下一定要最后施焊,以减少焊缝的受热次数;

(4)为了加快焊缝冷却速度,每焊完一层焊缝后可以浇水(水中氯离子浓度≤25ppm),加快冷却不会产生裂纹;也可以边焊边浇水,焊一段浇一段水,但必须注意焊接熔池及其附近区域不允许有水;2.2.1.4　在焊接过程中为了防止受不洁物的污染,焊接施工人员用的手套及衣服应保持清洁。2.2.2　准确判断充氩保护效果

进行氩弧焊时,在管内保持用氩气进行连续保护,直至完成了两层焊道;焊接区的充氩保护效果,可以从焊接接头的颜色进行判断,其对应关系见表3。

表3　奥氏体型不锈钢焊接接头颜色与保护效果的关系

焊接接头颜色保护效果

银白、金黄最好

蓝色良好

红灰较好

灰色不良

黑色最差

3　铁素体含量超标的处理方法

(1)管材局部铁素体含量超标,可将超标部分切

除;

(2)管配件及焊环接头焊接端部铁素体含量超标,

在规范的允许范围内切除超标部分;

(3)焊缝铁素体含量超标,将超标部分用磨光机打磨铲除,重新焊接;

(4)其他情况,只能做退货处理,重新定货。

本装置316L尿素级不锈钢高压管道焊道350道,射线检测焊接一次合格率为100%,焊缝铁素体含量检测一次合格率99.5%,装置最终压力试验压力为20.0MPa时,无一处泄漏点。实践证明,本文论述的316L尿素级不锈钢高压管道施工技术及施工措施是行之有效的。

(收稿日期:2001-11-16)