沙特阿美公司在役管道焊接技術(shù)與管理研究
來(lái)源:《管道保護》2022年第1期 作者:戚建利 時(shí)間:2022-1-18 閱讀:
戚建利
中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司
摘要:沙特阿美公司在役管道焊接擁有一套世界先進(jìn)的技術(shù)與管理體系。通過(guò)實(shí)地對沙特阿美在役管道焊接技術(shù)研究,對其在母材、接頭設計、預熱溫度、焊材選型、壁厚等方面的技術(shù)細節梳理,總結了該公司在焊接工藝評定模擬試驗、現場(chǎng)焊接等方面的管理要求?蔀閳绦猩程匕⒚涝诰(xiàn)焊接作業(yè)提供技術(shù)指導,并為完善國內在線(xiàn)焊接作業(yè)技術(shù)標準與管理提供借鑒。
關(guān)鍵詞:沙特阿美;在役管道;在線(xiàn)焊接;焊接工藝評定;技術(shù)要求;管理要求
沙特阿美石油公司(簡(jiǎn)稱(chēng)沙特阿美)是沙特阿拉伯王國國家石油公司,總部位于東部省札哈蘭市,是全球規模最大、利潤最高的綜合石油公司。沙特阿美擁有并運行的管道超過(guò)兩萬(wàn)公里,典型的沙特西東管道系統干線(xiàn)長(cháng)度約1200公里,其中一條直徑48英寸(1219 mm)和一條直徑56英寸(1422 mm)的管道分別建成于1982年和1992年,隨著(zhù)后續升級擴容,該系統已經(jīng)成為沙特石油工業(yè)的基石。沙特阿美的管理體系源于?松梨诠,擁有石油行業(yè)最嚴苛的質(zhì)量和安全管理體系以及最繁瑣的現場(chǎng)管控程序,其企業(yè)標準分為19大類(lèi)、5300多個(gè)規范。
2016年,中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司成功進(jìn)入沙特市場(chǎng),成為唯一在沙特阿美開(kāi)展作業(yè)的國際維搶修隊伍,先后執行了西東管道增壓擴容一期、二期工程以及拉斯坦努拉改線(xiàn)工程等大型項目,實(shí)現了56英寸(1422 mm)大口徑在役管道焊接、NGL特殊介質(zhì)管道在役焊接等突破。作業(yè)過(guò)程中積極對標沙特阿美標準與要求,總結了其焊接標準與管理要點(diǎn)。
1 在役焊接
根據API 1104中的定義,在役焊接為直接熔敷在運行管道系統管壁上的焊接[1]。管道在役焊接是管道運行狀態(tài)下進(jìn)行管道修復和改造的重要技術(shù),常用于打補丁、焊套袖、安裝對開(kāi)三通等維搶修作業(yè)中,是管道維修、開(kāi)孔封堵等作業(yè)的基礎。
在役焊接主要面對安全和質(zhì)量?jì)蓚(gè)方面的挑戰。安全方面要避免發(fā)生燒穿;質(zhì)量方面要避免產(chǎn)生氫致裂紋。為此,沙特阿美從焊接工藝設計、焊接工藝評定試驗、焊工考試、現場(chǎng)施焊、無(wú)損檢測等多個(gè)方面提出了嚴格的要求。
2 關(guān)鍵技術(shù)要求
沙特阿美企業(yè)標準(阿美標準)中,涉及在役管道焊接作業(yè)的規范有23項,檢查表格多達20項。阿美咨詢(xún)服務(wù)部門(mén)(CSD)負責審批公司所有項目的焊接工藝評定,要求在役長(cháng)輸管道焊接工藝評定主要遵守SAES-W-012、02-SAMSS-006、SAEP-311、AB-036719等阿美內部標準以及API 1104、ASME BPVC IX等國際標準。
2.1 焊接工藝評定程序
在準備進(jìn)行焊接工藝評定時(shí),應確認現場(chǎng)管道和管件的參數,結合阿美標準要求編制預焊接工藝規程(PWPS),對工藝評定試驗過(guò)程進(jìn)行指導,待焊接試驗完畢再按照試驗記錄(PQR)和檢測結果對預焊接工藝規程進(jìn)行修正,形成正式的焊接工藝規程(WPS)指導現場(chǎng)施工。
阿美標準規定,進(jìn)行機械性能測試的實(shí)驗室需經(jīng)過(guò)ISO 17025認證,并提交認證證書(shū)至阿美CSD審核確認[2];所有陸上管道的焊評都需要進(jìn)行沖擊測試[2];CSD進(jìn)而強調在搭接角焊縫不能進(jìn)行沖擊測試和拉伸測試的情況下,需要采用其焊接參數額外完成一項板對板對接焊(材質(zhì)同環(huán)焊縫母材),用于進(jìn)行沖擊和拉伸測試。
2.2 關(guān)鍵變量及要求
手工焊條電弧焊(SMAW)是阿美能夠接受的最常用的在役管道焊接方法。在SMAW焊評制作及現場(chǎng)施工中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)參數主要包括基底金屬、壁厚、接頭設計、預熱溫度和焊材選型等。
(1)基底金屬。橫焊縫對接焊的基底金屬為三通的上下護板,因為有背板而不與在役管道直接融合。阿美標準要求X65及以上材質(zhì)應分別進(jìn)行焊接工藝評定,且 X65材質(zhì)焊接工藝評定可覆蓋低于X65等級材質(zhì)[2]。
同時(shí),焊接工藝評定試驗應使用同等或更高碳當量的母材進(jìn)行[2]。
(2)接頭設計。全包式管件上下護板的倒角和坡口形式[3]規定,上護板坡口為45°,下護板無(wú)坡口,橫焊縫根部的間隙應控制在3.2 mm~8.0 mm之間[3],橫焊縫接頭設計形式如圖 1所示。
圖 1 橫焊縫接頭設計
環(huán)焊縫根部的倒角為斜向45°;對610 mm管徑及以下,環(huán)焊縫組對間隙控制在3.2 mm以?xún),?60 mm管徑及以上的,組對間隙最大控制在6.4 mm[3],接頭設計如圖 2所示。
圖 2 環(huán)焊縫接口設計
另外,環(huán)焊縫可先在管壁上面進(jìn)行預堆層焊接,其厚度不超過(guò)1/3母材厚度或10 mm中的較小值。預堆層焊接超出規定厚度的,要取得CSD專(zhuān)項批準,并在預堆層焊接完畢后進(jìn)行PT或MT檢測[2]。
(3) 預熱溫度。阿美標準推薦的橫焊縫預熱溫度[2]如表 1所示,需結合對全包管件壁厚的要求[3]。
表 1 橫焊縫預熱溫度
鑒于介質(zhì)流動(dòng)情況下管壁預熱溫度較難提升,阿美標準規定可不考慮角焊縫預熱溫度限制,但至少不低于10℃[2]。
(4)焊條選型。阿美標準規定在役焊接一般采用低氫堿性焊條而不用纖維素焊條,不同鋼材等級管道應選擇的焊條最低抗拉強度[2]如表 2所示。
表 2 焊條選用最低抗拉強度要求
其中,壁厚小于6.4 mm的管道,為避免燒穿風(fēng)險,根焊和預堆層焊接應使用2.4 mm或更小直徑的焊條,后續焊道可使用3.2 mm或以上直徑的焊條,但最大直徑不能超過(guò)4.0 mm[2]。
(5)壁厚。在役管道焊接允許的最小管道壁厚為5.0 mm[4],因此壁厚較薄的管道應嚴格控制焊接參數,限制熱輸入以防止管壁燒穿;但較低的熱輸入又增加了氫致裂紋產(chǎn)生的可能性,因此應綜合考慮熱輸入參數。
3 現場(chǎng)焊接管理
3.1 作業(yè)程序與要求
從作業(yè)許可著(zhù)手加強對在役焊接的現場(chǎng)作業(yè)管理。根據規定,現場(chǎng)動(dòng)火作業(yè)需取得由運行部門(mén)(OID)專(zhuān)門(mén)人員(Issuer)簽發(fā)的動(dòng)火作業(yè)許可[5],需要檢查作業(yè)文件批復、資源配備、安全措施、焊工持JCC卡等是否符合規定。
取得作業(yè)許可后,經(jīng)由現場(chǎng)運行人員與總部調控部門(mén)(OSPAS)再次確認運行壓力后才可以開(kāi)始焊接作業(yè)。焊接過(guò)程中,焊工應全程穿戴好勞保用品并佩戴專(zhuān)用呼吸器,焊接區域使用防火毯做好保護,現場(chǎng)放置警示標志,配備滅火器并安排持證監火員。
運行部門(mén)(OID)、總部調控部門(mén)(OSPAS)、質(zhì)檢部門(mén)(PID)、損控部門(mén)(LPD)、安全部門(mén)(HSE)及項目PMT團隊等共同參與現場(chǎng)管理,互相獨立履行管理職責,部門(mén)間協(xié)調難度較大。
3.2 焊接區域檢測
根據初步選定的焊接位置,去除管道外防腐層后,在環(huán)焊縫兩側各50 mm區域進(jìn)行連續UT(超聲)檢測,以確定現場(chǎng)實(shí)際剩余壁厚并排除夾層等缺陷。根據壁厚檢測結果計算最大允許焊接壓力,當其小于當前允許壓力時(shí),協(xié)調運行部門(mén)降壓。焊接應在UT檢測后的90天內完成,否則需要重新進(jìn)行檢測和計算[5]。
焊接管件覆蓋區域內的現有焊道,可在征得公司同意后打磨平滑以方便UT檢測及管件組對[5]。
3.3 焊條烘干與使用
對于低氫型手工焊條,應進(jìn)行烘干及保溫[2],相關(guān)規定如表 3所示。
表 3 焊條烘干保存要求
焊工需每天從焊條庫領(lǐng)取烘干的焊條,填寫(xiě)領(lǐng)取單記錄領(lǐng)取時(shí)間,超過(guò)4小時(shí)未使用的焊條必須歸還入庫。焊條桶運到現場(chǎng)立即插電保溫,焊接時(shí)每次只能取一根焊條,取出后蓋嚴桶蓋。
3.4 無(wú)損檢測
阿美標準對在役焊接無(wú)損檢測沒(méi)有明確要求,但實(shí)際操作總會(huì )秉持非常審慎的態(tài)度。如CSD一般會(huì )要求進(jìn)行延遲檢測和過(guò)程檢測。延遲檢測指焊接完成后等待24小時(shí),再對環(huán)焊縫進(jìn)行磁粉檢測、對橫焊縫進(jìn)行超聲檢測,以盡可能發(fā)現延遲裂紋。過(guò)程檢測主要指層間檢測,針對壁厚較厚的管件,要求熱焊完成后先進(jìn)行一次磁粉檢測,合格后才能繼續填充,根據實(shí)際情況可能還會(huì )增加填充焊層間檢測。
無(wú)損檢測人員應持有沙特阿美要求的資質(zhì)證明,非沙特籍人員應通過(guò)公司或者ASNT的重新考試[6]。至少提前一天申請無(wú)損檢測,批準后經(jīng)阿美PID現場(chǎng)見(jiàn)證,由公司批準的第三方檢測機構實(shí)施檢測。
3.5 焊縫強度試驗
針對需要承壓的管件,尤其是全包式管件如開(kāi)孔三通等,在線(xiàn)焊接完成后應進(jìn)行水壓試驗,以確認焊縫的強度。按照規定,此類(lèi)管件應預留試壓用接口[7]。具體試驗壓力根據管件形式不同有各自的計算方法。以開(kāi)孔三通為例,焊道試壓壓力按照試壓時(shí)三通內部管道承受外壓的公式計算[5]:
Pb=Ph+1.25△P (1)
式中Pb試壓壓力,MPa;Ph主管道運行壓力,MPa;△P最大允許外壓,MPa;根據ASME SEC VIII D1,UG-28計算所得。
為保證試壓安全可靠,開(kāi)孔封堵補強計算書(shū)規定[8],最終三通焊道承壓測試值為Pb、三通法蘭壓力測試限制值、三通壁厚壓力測試限制值中的最小值[5],穩壓時(shí)間至少1 h[9]。
4 結論
本文結合沙特阿美標準要求,重點(diǎn)總結了其在焊接規程設計、現場(chǎng)施焊兩個(gè)環(huán)節中嚴于國內標準或者國內標準中沒(méi)有的相關(guān)要求。如通過(guò)控制前期焊接設計及焊評試驗來(lái)保障在役管道焊接的本質(zhì)安全和質(zhì)量,輔以現場(chǎng)作業(yè)過(guò)程繁瑣的監控及檢測試驗手段,降低燒穿和裂紋等風(fēng)險的發(fā)生概率,最終確保焊接質(zhì)量。在具體實(shí)施中,通過(guò)標準規范、部門(mén)分工、監督檢驗等手段搭建了一個(gè)責權明晰且互相制約的管理體系,能夠細化對作業(yè)隊伍的管控,從而保障相關(guān)標準要求的落實(shí)。這些做法和經(jīng)驗值得我們學(xué)習借鑒。
參考文獻:
[1]API 1104. Welding of Pipelines and Related Facilities[S]. American Petroleum Institute, 2015.
[2]SAES-W-012. Welding Requirements for Pipelines[S]. Saudi Aramco Engineering Standard, 2016.
[3]02-SAMSS-006. Hot Tap and Stopple Fittings[S]. Saudi Aramco Materials System Specification, 2016.
[4]SAEP-311. Installation of Hot Tap and Stopple Connections[S]. Saudi Aramco Engineering Procedure, 2018.
[5]GI-0002.100 Work Permit System[S]. Saudi Aramco General Instructions, 2016
[6]SAEP-1142. Qualification of Non-Saudi Aramco NDT Personnel[S]. Saudi Aramco Engineering Procedure, 2014.
[7]AB-036719-001. Reinforcement of Welded Branch Connections[S]. Saudi Aramco 2634 ENG, 2009.
[8]SA-7627. Hot Tap/ Reinforcement Data and Calculation Sheet [S]. Saudi Aramco 2634 ENG, 2009.
[9]32-SAMSS-004. Manufacture of Pressure Vessels[S]. Saudi Aramco Materials System Specification, 2015.
作者簡(jiǎn)介:戚建利,1984年生,工程師,2004年本科畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)信息與計算科學(xué)專(zhuān)業(yè),2016年工商管理碩士畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)工商管理專(zhuān)業(yè),現主要從事油氣管道維搶修工程項目管理工作。聯(lián)系方式:0316-2175509, qijianli@cnpc.com.cn。
上篇:
下篇: