加氢装置高压管道的可施工性分析

2021-01-14黄峰

石油化工建设 2021年6期

黄峰

中化泉州石化有限公司福建泉州 362103

可施工性是将施工知识和经验最佳地运用到项目的策划、设计、采购和现场操作中，以实现项目的总体目标；是在项目不同阶段，通过可施工研究，达到满足施工的实际需求，实现降低成本、加快进度和达到本质安全质量，保证项目的整体目标实现。现以加氢装置的高压管道为对象，针对管道材料、焊接性、热处理、无损检测、试压和气密等关键工序进行可施工性分析。

1 高压管道的特点和难点分析

高压管道系统在操作上具有高温高压、临氢、富含H2S、介质腐蚀性强等特点。管道设计需要采用大口径厚壁管（最大的管道在DN600 以上，厚度超过60mm），选用TP347 或TP321 的等特殊材质材料，材料的制造难度大、周期长，部分需要进口。

在施工中存在以下难点：

（1）焊接和热处理难度大、要求高、工序复杂。TP347 属于奥氏体不锈钢，焊接过程对于层间温度的控制要求严格；管道属于厚壁管，需要采取多层、多道焊接，焊接的时间长、工序多；焊后的稳定化热处理易产生再热裂纹。

（2）大口径厚壁高压管道的现场固定焊口检测难度大。如无法采用中心透照方法进行RT 检测，需使用双壁单影方法进行RT 检测，需要长时间的曝光，散射线引起的胶片感光占比过高，底片灰雾度较大，检测灵敏度不足，对于检测的质量和工程进度都有较大影响；根据实际情况，需要在规范允许的范围内采取其他检测方法，或采取多种检测方法组合对现场固定焊口进行无损检测。

（3）管道的试验压力高，试压难度大。高压管道系统的设计压力和温度高，在常温状态下进行管道压力试验需进行温度系数折算，折算后管道系统的试验压力较高。

（4）高压系统的氢气气密要求高。

（5）高压系统管道使用大口径厚壁材料，预制完成的管段、阀门重量大，需要使用大型吊车吊装就位。

2 可施工性分析

2.1 管道焊接和热处理的分析

管道材料的选用对于材料制造、现场焊接、热处理的影响较大。加氢装置的高压管道采用大口径厚壁管，对于关键的高温高压、临氢部位采用TP347 等奥氏体不锈钢材料，这就要从材料选用、制造及进场检验、焊接质量管控、热处理技术要求等方面来实现可施工性，从而保证整体施工质量。

2.1.1 材料选用、制造

设计阶段做好特殊材料的选择，明确TP347 等特殊材料的技术要求、制造工艺、制造过程控制，做好进场检验，保证材料的可焊接性。针对TP347 管件在制造阶段易出现晶粒粗大的问题，为避免影响现场的焊接性能和稳定化热处理，在设计阶段提出明确的技术要求，重点参数是非金属夹杂物、金相组织和晶粒度。在制造阶段按对技术要求的执行，对钢管和管件的管坯逐根做晶粒度和非金属夹杂物的检测；对管件成品逐件做晶粒度检测；并加强对钢管和管件尺寸偏差的控制。材料制造过程中，通过监造、飞检、首检等多种手段，加强制造过程的质量控制。

2.1.2 材料进场检验

材料进场后，要检查清单与实物、外形尺寸、标识、质量证明文件等；原材料入库前和安装前实施100%半定量材质复验，标识、建立台账，并进行全定量的抽检；对管子和管件进行100%的PT 检测；进行100%的晶粒度覆膜检测；对管道原材料进行非金属夹杂物、金相组织和晶间腐蚀抽检。

2.1.3 焊接质量的管控分析

坡口加工采用机械加工，并进行PT 检测。焊接时采用多层多道焊接工艺，焊接过程注意控制线能量的输入和层间温度。对焊接过程实施监理人员全程旁站，并加强过程抽检，对每道焊缝的焊接工作记录签字确认，原始焊接工作记录每天扫描存档。加强对焊工的首道焊口检验：每名焊工在焊接首道焊口时，焊接打底完进行PT 检测，填充到25mm 时进行第一次射线检测，焊接完成后进行第二次射线检测。

2.1.4 焊口的热处理

（1）碳钢的高压管道按照规范要求进行焊前预热、焊后热处理；对于有延迟裂纹倾向的管道，在热处理完成后24h 进行RT 检测和PT 检测。

（2）奥氏体不锈钢的稳定化处理、固溶处理。目前，在高压临氢系统中，主要使用的奥氏体不锈钢材质有TP321/ TP321H、TP347/ TP347H。但在近几年的加氢装置施工过程中，对于TP347 材质的管道在进行焊后稳定化热处理时，不同程度的出现了再热裂纹的情况。对于这类材质管道的热处理要求，一是按照设计文件要求；二是参照规范NB/ T10068- 2018《含稳定化元素不锈钢管道焊后热处理规范》执行；三是根据热处理的实际情况，由业主组织专家讨论，取消现场焊口的稳定化热处理。

2.2 大口径厚壁管现场固定焊口无损检测

2.2.1 检测方法可施工性分析

（1）规范SH3501- 2011 第7.5.13 条要求：管道的名义厚度小于或等于30mm 的对接焊缝，应采用射线检测，当由于条件限制需改用超声检测时，应征得设计和建设/ 监理单位的同意；名义厚度大于30mm 的对接焊缝可采用超声检测。

（2）RT 检测的方法分析：对于典型的大口径厚壁管现场固定焊口，无法使用中心透照方法进行RT 检测的，需使用双壁单影透照的方法进行。例如Φ610mm×52.37mm 焊口现场常用的Ir192（放射源活度60～80 居里），射线拍片计算时间如下：每道焊口需要拍片8 张，每张片曝光时间8h,每道焊口需要拍片8d 时间（夜间作业8h）。曝光时间过长，射线检测的曝光时间随透照厚度成指数增长（厚度每增加10mm，曝光时间大约增加1 倍），引起胶片感光的射线中散射线所占比例过高，信噪比过低，底片灰雾度过大，灵敏度低，危害性较大的面积性缺陷（如裂纹）难以发现。

（3）使用超声波进行检测：由于奥氏体不锈钢只能使用一次波进行检测，所以焊缝需打磨至与母材齐平，否则会阻挡探头移动，造成焊缝中靠近外表面的部分区域无法检测；奥氏体晶粒粗大，会引起一定的反射回波，形成“噪声”，使得信噪比降低，真实缺陷可能被噪声掩盖而漏检。虽然存在上述缺点，但在选用合理的纵波斜探头，配以相应的对比试块和模拟试块的情况下，使用脉冲反射法超声检测（手工超声）和相控阵超声检测相结合时，还是能检出奥氏体不锈钢中的大部分危害性缺陷，缺陷检出率依然要高于双壁单影法射线检测。

（4）使用TOFD 进行检测：在超声类检测方法中，TOFD 使用的是衍射波，对细小缺陷较为敏感，奥氏体不锈钢的粗大晶粒引起的“噪声”过于明显，所以TOFD 检测方法不适用于奥氏体不锈钢。

（5）对比分析检测方法：对于厚度较薄的工件，射线检测灵敏度较高，比超声检测有优势，所以标准中规定30mm 以下的管道应使用射线检测；对于厚度较厚的工件，射线检测灵敏度显著降低，超声检测的灵敏度相对高于射线检测，所以标准中规定30mm 以上的管道可使用超声检测代替射线检测。

2.2.2 无损检测采取的应对措施

（1）原则上对接焊缝应在焊接接头全部填充盖面后进行RT 检测，对于管道壁厚大于30mm 的焊口，可根据现场实际情况采用多种检测方法结合进行检测。

（2）对厚壁管线焊接接头要求施工单位尽最大可能创造条件，满足焊口采用放射源中心透照的RT 检测方法。

（3）对管线壁厚≤30mm 的焊接接头，在全部焊接后应全部采用RT 检测，其中现场的固定焊口采用放射源双壁单影透照方式进行RT 检测。

（4）对于壁厚＞30mm 的碳钢、合金钢材质管道：氩弧焊打底焊完后实施100%PT 检测；采用打底+ 填充焊层厚度达到10～15mm 时，进行第一次RT 检测，焊接完成后采用TOFD 的方法检测；对于不能采用TOFD 检测的管件、法兰焊口采用UT 方法检测。

（5）对于壁厚＞30mm 奥氏体不锈钢材质管道：氩弧焊打底焊完后实施100%PT 检测；焊接完成10～15mm 厚度时，实施100%的RT 检测；完成全部填充盖面后，实施100%的UT+PAUT+PT 检测。

（6）对于实施100%PAUT 检测的奥氏体不锈钢管道焊口，应选择相应的检测探头、对比试块，检测人员也应具备相关检测经验，并编制专项检测方案；还要选择抽检部分焊口进行RT 和PAUT 的对比验证，这些焊口应包含现场的固定焊口和预制焊口（宜优先选择RT 检测II 级合格的内部有不超标缺陷的焊口，共选5 道焊口）。

2.3 高压管道系统试压分析

高压管道系统有试验压力高、盲板不易安装、拆装困难的问题，同时要考虑高压管道所有法兰面参与水压试验，减少拆装和后续高压管道高压气密所用时间，应尽量形成大的试压系统。在设计阶段应考虑高压管道如何划分试压系统，管道要和设备一起试压，管道的试验压力、试压包划分与设备设计压力、试验压力的匹配，以及是否要增加拆卸法兰。

（1）对于不能隔离的高压换热器、空冷器，应考虑与管道系统一起试压；对于该部分设备的试验压力不低于管道系统试验压力的77%（按照SH3501 第8.1.8条），必要时提高设备的设计压力。

（2）对于有压差设计要求的高压换热器，对管板的设计压力、管程和壳程的试验压力、设计的压力差值应与各自的管道试压系统相匹配。

（3）管道材质的选用除考虑操作温度、压力外，还需要统筹考虑系统的试验压力，必要时提高材质选用等级。

（4）加热炉炉管的设计压力、试验压力与进出口管道系统试验一致。

（5）需要与管道系统一起试压的高压部件，包括阀门、仪表件、取样接口等的设计压力与管道系统试验压力一致。

2.4 系统气密的分析

高压管道系统的氢气气密是工程质量最终检验的重点、难点，通常采取以下步骤保证系统的气密性。

2.4.1 设计阶段

设计阶段优化静密封点的设置，减少高压法兰的数量；优选焊接阀门；设备接口在满足检修的要求下，与管道也采用焊接的形式。

2.4.2 安装前

安装前加强对高压管道材料的入库检查（外观检查、100%光谱检测）、法兰面检查、维护和保管、金属环垫的密封面/ 线检查、连接螺栓的检查，以及材料领用管理（按需、每日限额领用）。

2.4.3 安装过程

在安装过程中，高压系统的静密封点通过采取以下措施后，在氢气的检测中未出现泄漏的情况。

（1）规范静密封点检查程序：密封面完整性检查→螺栓螺母清洗及检查→法兰对中回装检查→垫片表面及安装检查→法兰施工紧固过程检查→紧固结果检查。

（2）加强安装过程对密封面的检查力度。组成以生产为主，监理、总包、施工参加的检查小组，对密封面和金属环垫逐个检查合格后方可正式安装。法兰密封面重点检查油雾锈蚀、凹痕和划伤等缺陷，如有轻微缺陷，可通过研磨进行处理，对于缺陷严重的密封面采取现场机加工处理。

（3）优化试压、吹扫程序，减少拆装，确保全部静密封点参与系统水压试验。试压包与吹扫系统的划分和实施必须紧密配合、衔接，减少拆装工作量；管道的安装、试压与后期吹扫、冲洗配合，高压管道采用先行吹扫再试压的方案，对管道上如轨道球阀等内洁要求较高的阀门下线，由生产部门组织分段进行吹扫，吹扫完成一段，阀门回装一个，保证全部静密封点能够参与水压试验，并不再二次拆装。

（4）所有静密封点采用定力矩紧固。通过选用专业的定力矩紧固单位，对高压螺栓的紧固力进行计算，遵循同步紧固、顺序紧固、分级加压紧固的原则完成。