Технология ремонта продуктопроводов, эксплуатируемых в сероводородной среде

Введение

На объектах нефтегазового комплекса РФ в настоящее время находится в эксплуатации большое количество изношенного оборудования, в том числе и технологических трубопроводов. Такая ситуация является причиной техногенных аварий, причиняющих большой ущерб экономике предприятий нефтегазоперерабатывающего комплекса. Одной из причин считается некачественное проведение ремонтных работ и реконструкции технологических трубопроводов после сверхнормативной эксплуатации. Поэтому возникает необходимость разработки эффективных способов восстановления работоспособности данного вида оборудования [1–7].

Постановка задачи исследования

Основным способом ремонта технологических трубопроводов является сварка. Для этого используется большое количество способов, но основным остается ручная дуговая сварка плавящимся электродом [8].

При проектировании технологических трубопроводов нефтегазоперерабатывающего комплекса чаще всего используется материал сталь 20. Сталь 20 – конструкционная углеродистая сталь, химический состав которой представлен в табл. 1.

Проблемой сварки и ремонта технологических трубопроводов, изготовленных из стали 20, является выполнение замены изношенных участков трубопроводов, эксплуатируемых в агрессивной среде сероводорода. Результатом эксплуатации в таком режиме является насыщенность материала трубопровода сероводородом, вследствие чего при сварке по традиционной технологии сварки новой трубы с эксплуатируемой не удается достичь качественного сварного соединения [9].

Результаты исследований

Для разработки новой технологии сварки была выбрана для исследований труба со следующими параметрами: материал – сталь 20; диаметр – 57 мм; толщина – 5 мм. Исследуемый образец продолжительное время работал в агрессивной среде, в частности в среде сероводорода на установке гидрокрекинга нефтеперерабатывающего завода.

Перед проведением экспериментальных и исследовательских работ испытуемые образцы были подвержены входному контролю: стилоскопированию металла, замеру твердости, толщины и диаметра трубы. Результаты подтвердили насыщение металла трубы сероводородом, что привело к структурным и геометрическим изменениям. Поэтому предварительно была проведена дегазация металла трубы с целью удаления из металла в зоне ремонта диффузионно-подвижного атомарного водорода [10].

Дегазация проводилась устройствами электрического нагрева равномерным нагревом участка металла, включающего непосредственную зону выборки дефекта и сварки, и примыкающую зону шириной, равной 3–4 толщинам стенки ремонтируемого элемента в каждую сторону, при температуре на 50 °C выше температуры рабочего продукта, но не ниже 300–350 °C в течение 0,5 часа (рис. 1) [11].

При дегазации кроме задачи по удалению из металла в зоне ремонта диффузионно-подвижного атомарного водорода решается и задача по исключению кипения металла в процессе сварки, особенно корневых швов, и образования в нем пор и трещин.

Следующим этапом эксперимента является предварительная наплавка кромок свариваемых частей трубы. Сущность этой операции состоит в том, что перед сваркой на кромки наплавляется слой аустенитного или ферритного металла. Это позволяет предупредить образование околошовных трещин типа отколов вследствие благоприятного безнапряженного состояния на границе раздела: металл шва – основной металл.

Применение наплавки кромок позволяет осуществить полную термообработку деталей с наплавленными кромками и полностью устранить неблагоприятные структурные изменения в околошовной зоне даже в том случае, когда термообработка после сварки невозможна или затруднена (рис. 2).

Наплавка кромок металлом того же состава, что и основной металл, или переплав кромок неплавящимся электродом также значительно повышают стойкость соединений против образования отколов. В этом случае положительное влияние наплавки обусловлено мелкодисперсным распределением в переплавленном металле неметаллических включений и благоприятным изменением их формы и химического состава. В процессе сварки было выявлено, что дуга после дегазации горит устойчивее.

Перед наплавкой производится прокалка электродов типа Э50А УОНИИ 13/55 (LB-52U) по следующему режиму: нагрев до температуры 350–400 °C, выдержка 1–2 часа.

После проведения наплавки проводилась термическая обработка наплавленного участка. Ее назначение заключается в снятии внутренних напряжений в металле, возникших в процессе изготовления элементов оборудования (при сварке, гибке листов, вальцовке и т. д.).

Термообработка производилась по режиму высокого отпуска: нагрев до температуры 600–630 °C, скорость нагрева с 300 °C – не более 150 °C/час, время выдержки – 2,5 минуты на 1 мм толщины стенки трубы, но не менее 1 часа, скорость охлаждения – не более 150 °C/час до 300 °C, далее – на спокойном воздухе или под слоем теплоизоляции.

После получения удовлетворительных результатов наплавки кромок трубы была проведена сварка бывшей в эксплуатации трубы с новой ремонтной трубой.

Сборка стыков труб под сварку осуществлялась с использованием центровочных приспособлений, обеспечивающих требуемую соосность стыкуемых труб и равномерный зазор по всей окружности стыка, а также с помощью прихваток или привариваемых на расстоянии 50–70 мм от торца труб временных технологических креплений (рис. 3).

Сварка проводилась короткой дугой, особенно при использовании электродов с основным покрытием, для которых длина дуги должна быть не более диаметра электрода. При этом соблюдались следующие условия: как можно реже обрывалась дуга; сварка начиналась в разделке или на наплавленном металле; кратер шва тщательно заплавлялся частыми короткими замыканиями электрода; не выводился кратер на основной металл; при смене электрода или случайных обрывах дуги сварка возобновлялась c отступом 15–20 мм назад от кратера и предварительной очисткой этого места от шлака и окалины [12].

Сварка стыка выполнялась по условиям производства при неповоротном положении стыка (рис. 4).

Процесс сварки проходил в нормальных условиях. Свариваемость при этом была хорошая, не было прилипания электрода (рис. 5).

После окончания сварки проведен контроль качества сварного соединения ВИК (визуальный измерительный контроль) – 100 %, ЦД (цветная дефектоскопия) в объеме 100 % для выявления поверхностных трещин (рис. 6).

По итогам контроля дефектов не обнаружено. Для полного контроля стыка проведен УЗК (ультразвуковой контроль) стыка (рис. 7). УЗК не показал наличие дефектов в данном сварном шве. Поэтому стык был признан годным, без единого дефекта.

Выводы

Эффективность технологии ремонта технологических трубопроводов с применением сварки достигается с учетом при ее разработке свойств транспортируемого продукта и его влиянием на процессы технологического процесса сварки.

При разработке технологии сварки технологических трубопроводов, эксплуатируемых в среде сероводорода, были обоснованы и предложены следующие мероприятия:

• предварительная дегазация металла труб;
• предварительная наплавка и термическая обработка кромок эксплуатируемой трубы;
• рекомендована технология ручной дуговой сварки с выполнением следующих условий: как можно реже обрывать дугу; сварку начинать в разделке или на наплавленном металле; кратер шва тщательно заплавлять частыми короткими замыканиями электрода; не выводить кратер на основной металл; при смене электрода или случайных обрывах дуги сварку возобновлять, отступив 15–20 мм назад от кратера и предварительно очистив это место от шлака и окалины

Результатами практического применения предлагаемой технологии сварки подтверждена высокая эффективность разработанной технологии сварки технологических трубопроводов, эксплуатируемых в среде сероводорода.