碳钢内衬625合金复合管设计技术研究

张瑞峰，王战勇，方新，刘吉飞，邵艳红

碳钢内衬625合金复合管设计技术研究

张瑞峰，王战勇，方新，刘吉飞，邵艳红

（海洋石油工程股份有限公司设计公司，天津 300450）

对于高含硫化氢(H2S)等腐蚀性介质的石油天然气管道，传统的防腐措施难以满足日益发展的工程需要，通过对碳钢内衬英科耐尔(Inconel)625合金复合管设计技术研究，基于625材料良好的抗硫化氢性能，可以有效提高625合金复合管质量，使镍基合金双金属复合管以更加优异的力学性能和耐蚀性能而得以在高含硫化氢(H2S)等腐蚀性介质的石油天然气管道中更加广泛的应用。

合金复合管；耐蚀性能；高含硫化氢管道

对于高含硫化氢(H2S)等腐蚀性介质的石油天然气管道，传统的防腐措施难以满足日益发展的工程需要，基于英科耐尔(Inconel)625材料良好的抗硫化氢性能，内部堆焊英科耐尔625的 镍基合金双金属复合管以其优异的力学性能和耐蚀性能而得以在高含硫化氢(H2S)等腐蚀性介质的石油天然气管道中开始广泛应用，并展现了良好的应用前景。

1 研究背景

由于目前石油天然气资源的减少，开发难度的增大，含有大量硫化氢介质的石油天然气油田提上开发日程。此类油气田中油气处理管线易腐蚀，危险性极高，一旦发生系统故障或者泄露，可导致资产损失、环境污染、停产维修，甚至生命安全问题。所以本项目采用纯材625管线和碳钢内堆焊625材料管线以降低故障和泄露风险。一般情况下， 4英寸（10.16 cm）及以下管道采用了纯材英科耐尔625材质；6英寸（15.24 cm）及以上的主工艺管道和海管均采用了碳钢内堆焊英科耐尔625的材质。

卡塔尔NFA项目的业主是卡塔尔国家石油公司（以下简称QP），QP有着完备的质量管理体系和技术体系，而且要求极为严格。该项目要求符合卡塔尔国家法律法规、项目的技术文件要求、QP公司的技术标准和SHELL技术标准、ISO和ASME/API等国际规范。卡塔尔NFA项目WHP3平台油井压力较高（管道设计压力高达34.5兆帕，管道等级达到2500磅），所以碳钢内衬英科耐尔625的管道的设计壁厚较大，超过了常规的ASME系列管道壁厚，需要采用非ASME标准壁厚。管道最大尺寸是20英寸（50.8 cm），20英寸（50.8 cm）管道壁厚达到79.8 mm，管道直径和壁厚远超其他项目同类管道的使用尺寸。为保障项目顺利开展，必须针对英科耐尔625内衬的技术要求开展专门研究。

2 技术研究简介

碳钢内衬625合金复合管设计技术研究主要依据SHELL标准中关于碳钢内衬625的相关技术要求。内衬英科耐尔625管道、管件和法兰等主要采取在碳钢内部堆焊英科耐尔625（Weld Overlay）材料这种方式实现。首先针对碳钢管道、管件、法兰、堆焊材料的基材及制造误差进行研究及确定，用于堆焊的管道基材主要采用API 5L Gr X65/ASTM A333-6两种，管件基材材质主要采用ASTM A420-WPL6，法兰基材材质主要采用ASTM A350-LF2 Cl 1；其次针对堆焊层厚度、层数及误差进行研究及确定，堆焊层的厚度要求是最小3 mm，厚度误差为0~2 mm，堆焊层厚度是2层；再次针对焊接工艺及参照标准进行研究及确定，堆焊方法是全自动堆焊，不允许手工焊接，焊接方法遵循相关焊接标准，基材和堆焊材料都要满足NACE MR-0175/ISO 15156的要求。最后针对焊后处理及检验标准经行研究及确定，为最终满足使用要求，焊后要进行热处理，热处理过后要进行机械性能测试、化学成分分析、堆焊层和基材抗张测试、导向弯曲测试、微观结构检验、硬度测试（堆焊后硬度不超过345HV）、冲击测试、腐蚀测试、水压试验、各种无损检验等。

3 技术原理

一般实现碳钢内衬的方法有两种：一是复合管道（机械复合或冶金复合）；另一种就是碳钢内部堆焊。本技术主要研究碳钢内部堆焊（weld overlay）的方式，主要依据QP和SHELL的相关技术规范，另外也参考了ASME/API/ASTM等关于CRA堆焊的相关标准。

堆焊的基材按照管道管件法兰的材质不同而不同，本项目管道基材主要有API 5L Gr X65 / ASTM A333-6两种，管件基材主要有ASTM A420-WPL6，法兰基材材质主要有ASTM A350-LF2 Cl 1，用于内衬的英科耐尔625主要选择ALLOY 625焊材。

焊口两端尺寸偏差较大，焊口处管道易错皮，影响内衬英科耐尔625管道内部堆焊层的连续性，管道内部流体容易直接接触管道基材，造成管道腐蚀，因此，管道、管件、法兰等基材的尺寸偏差控制在（0~±3）mm之间。

堆焊的INCONEL 625要求碳质量分数不超过0.1%，PREN（点蚀当量）值不低于46。

堆焊层的厚度根据SHELL DEP的要求是最小3 mm，厚度误差为0 mm~＋2 mm，堆焊层厚度范围是3~5 mm，堆焊层厚度最少是2层。

堆焊方法是100%全自动堆焊，不允许手工焊接，焊接方法遵循API RP582[1]及相关标准。

基材和堆焊材料都需要满足NACE MR-0175/ ISO 15156[2]的要求。堆焊前后对基材和堆焊材料都需要进行PMI分析，分析标准依据SHELL DEP 31.10.00.10-Gen[3]。

堆焊后要进行热处理(PWHT)，在（950+50）℃温度条件下进行正火，然后空气冷却后淬火。然后再在620~650 ℃条件下回火，然后空气冷却，详细的控制条件应当经过焊接技术评定确定。

热处理过后要进机械性能测试，主要包括屈服和抗张强度测试、焊缝拉伸性能测试、导向弯曲试验、微观结构检验、硬度测试等，测试结果应符合相应的SHELL以及相关国际标准。其中对硬度要求是：硬度只能使用维氏硬度HV10方法测量，基材硬度不超过248 HV10，堆焊层硬度不超过345 HV10。

此后进行剪切测试、延展测试、冲击试验、晶间腐蚀试验、点蚀试验、硫化氢应力腐蚀试验(SSCC)、无损检验（射线检验、焊接牢固性试验、磁粉检验）等。

对于堆焊层要单独进行下面的测试：液体渗透检验、硬度测试、化学成分分析、正合金分析（PMI）。

以上检验测试均要满足可追溯性等级和检验等级最高等级的要求，需要第三方在全程关键节点见证，满足EN 10204 TYPE3.2的认证要求。

4 结束语

碳钢内衬625合金复合管设计技术研究对碳钢内衬625合金复合管基材、误差、焊接工艺及检验标准都进行了明确要求，部分技术要求填补了此项技术领域的空白，也为焊接程序制定和焊接质量检验提供了指导，并且为建造现场的后续施工作业提供了有利的技术支持，促进碳钢堆焊英科耐尔625特材的整体技术实力的提升，经过该项目实施，该技术要求运行良好。同时该技术要求也为采办相关材料，包括碳钢内衬625合金阀门、管线、管件、法兰、垫圈等提出了明确的技术指标，确保了各厂家为项目提供的产品符合项目要求，保障了项目最终交付的产品质量达到业主满意。

［1］American Petroleum Institute. Welding of Metals：API RP582［S］. American Petroleum Institute, 2004．

［2］NACE International The Corrosion Society. Petroleum and natural gas industries-Materials for use in H2S-containing environments in oil and gas production：NACE MR-175/ISO 15156［S］. NACE International The Corrosion Society , 2005.

［3］SHELL Design and Engineering Practice. Gen Positive Material Identification (PMI) Program: SHELL DEP 31.10.00.10［S］. SHELL Design and Engineering Practice, 2013.

Research on Design Technology of Carbon Steel Lined 625 Alloy Composite Pipe

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（Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Design Company, Tianjin 300450, China）

For the oil and natural gas pipeline of high H2S and other corrosive medium content, the traditional anti-corrosion measures are difficult to meet the growing engineering needs. Through the research on the design technology of carbon steel lined Inconel 625 alloy composite pipe, based on the good hydrogen sulfide resistance of 625 material, the quality of 625 alloy composite pipe can be effectively improved, so that the nickel base alloy bimetal composite pipe can be more widely used in oil and gas pipelines for high H2S and other corrosive media due to its excellent mechanical properties and corrosion resistance.

Alloy composite pipe; Corrosion resistance; High hydrogen sulfide pipeline

2020-04-27

张瑞峰（1985-），男，工程师，黑龙江省安达市人，2010年毕业于东北石油大学油气储运工程专业，研究方向：海洋石油工程技术。

TQ 021

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1004-0935（2020）09-1115-02