厚壁不銹鋼管焊接工藝探討

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中油吉林化建公司承建的四川石化蠟油加氫裝置管道中，A312TP321不銹鋼厚壁管按設(shè)計(jì)要求壁厚范圍為5～66mm，溫度大于350℃時(shí)，需進(jìn)行溫度900±10℃穩(wěn)定化處理，且穩(wěn)定化處理后焊接接頭力學(xué)性能、耐腐蝕性能滿足使用要求[1]。本次焊接工藝評(píng)定采用兩種方式進(jìn)行：采用規(guī)格為Ф508×50mm的A312TP321材質(zhì)，按相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)完成施焊后，將試件二分之一切割，取編號(hào)為1#和2#，其中，1#試件探傷后不做穩(wěn)定化處理；2#試件探傷后進(jìn)行穩(wěn)定化處理，分析焊接和熱處理工藝對(duì)兩組試件焊接接頭性能的差異。

1母材化學(xué)成分及焊接性分析

本次評(píng)定中母材選用ASME標(biāo)準(zhǔn)中A312TP321材質(zhì)管材，規(guī)格為Ф508×50mm，化學(xué)成分見表1。A312TP321材質(zhì)焊接性較好，具有不銹鋼物理性能特點(diǎn)。焊接過程中，由于導(dǎo)熱系數(shù)小、厚壁較厚散熱較難等因素影響，焊接接頭在敏化溫度區(qū)間（450～850℃）停留時(shí)間較長(zhǎng)，易形成粗大的鑄態(tài)組織[2]，且在晶界上易析出大量碳化鉻（Cr23C6），降低不銹鋼的耐蝕性，造成晶間腐蝕；同時(shí)焊縫受殘余拉應(yīng)力影響，熱輸入量較大時(shí)熱裂紋的傾向較為明顯[3-4]。因此，焊接材料和工藝選擇不當(dāng)時(shí)，易出現(xiàn)熱裂紋、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕等缺陷。

2焊接方法與材料

A312TP321不銹鋼焊接常采用氬電聯(lián)焊方法。鎢極氬弧焊線能量小，能夠避免焊接過程中熱輸入量高導(dǎo)致焊接接頭性能下降，產(chǎn)生熱裂紋，但生產(chǎn)效率低，適合于打底焊；焊條電弧焊效率相對(duì)較高，熱影響區(qū)小，有利于保證焊接接頭質(zhì)量。根據(jù)高壓臨氫管道設(shè)計(jì)要求焊接材料選擇應(yīng)與母材化學(xué)成分、性能相近的材料，才能保證焊后的焊接接頭的力學(xué)性能、耐腐蝕性能符合要求，因此，本次焊接工藝評(píng)定焊絲采用H08Cr20Ni10Nb，焊條為A137或A132。

3焊接工藝實(shí)施要求

A312TP321不銹鋼厚壁管道焊接關(guān)鍵在于采用小線能量和較快的冷卻速度，減少焊接熱影響區(qū)和敏化溫度范圍停留時(shí)間，防止焊接接頭出現(xiàn)碳化物析出敏化、熱裂紋和脆化等焊接缺陷。鎢極氬弧焊焊接電流控制在110-140A，正面、背面采用相同的流量（15～20L/min）進(jìn)行保護(hù)，焊絲前端應(yīng)置于保護(hù)氣體中，焊前嚴(yán)格清理雜質(zhì)，對(duì)于A312TP321不銹鋼厚壁管道應(yīng)在焊縫背面吹氬氣加以保護(hù)，并促進(jìn)背面成形。焊條電弧焊焊接電流控制在110～130A，焊接過程中焊條不作橫向擺動(dòng)，焊道的寬度不超過直徑的2.5倍，短弧焊、收弧慢。焊接采用多層多道焊，每層厚度不大于3mm，嚴(yán)格控制道間溫度，每一焊道完成后不僅要徹底清除焊道表面的焊渣和周圍的飛濺物、防飛濺涂料，以及消除氣孔、夾渣等表面缺陷，而且后焊道應(yīng)在前焊道冷卻至60℃以下再施焊，盡量避免碳化物的析出和形成粗大的奧氏體組織。在焊接過程中及時(shí)調(diào)整焊接順序，使焊接變形控制在允許的范圍之內(nèi)。管道焊接不能在坡口以外的地方引弧和收弧，確保引弧與收弧處的質(zhì)量，弧坑應(yīng)填滿，并用砂輪將收弧處修平整。

4焊后熱處理

A312TP321不銹鋼厚壁管道焊縫經(jīng)穩(wěn)定化處理后，焊縫可能出現(xiàn)再熱裂紋。穩(wěn)定化處理前經(jīng)無損探傷檢測(cè)合格后，將管道加熱區(qū)表面清理干凈后，采用電加熱法處理，同時(shí)采用熱電偶測(cè)溫監(jiān)控，保證試件溫度控制在900±10℃之間。測(cè)溫點(diǎn)不應(yīng)少于兩個(gè)，確保加熱過程中加熱溫度分布均勻和準(zhǔn)確地控制熱處理溫度。

5焊接評(píng)定結(jié)果

每類檢測(cè)分別在1#和2#試件上截取4個(gè)試樣，拉伸和彎曲試驗(yàn)檢測(cè)按照NB/47014-2011要求進(jìn)行，晶間腐蝕試驗(yàn)按GB/T4334-2008中方法E在硫酸-硫酸銅溶液中，連續(xù)煮沸16小時(shí)，用5mm壓頭彎曲180℃后，用10倍放大鏡觀察，觀察是否有晶間腐蝕裂紋產(chǎn)生。對(duì)比評(píng)定的結(jié)果顯示焊后經(jīng)穩(wěn)定化處理的試樣性能不能滿足設(shè)計(jì)要求，分析主要原因是焊接過程中厚壁不銹鋼管散熱慢，焊縫在高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，穩(wěn)定化處理過程中出現(xiàn)大量碳化物及脆性相析出，導(dǎo)致力學(xué)性能和抗晶間腐蝕性能下降[5]。因此，在設(shè)計(jì)要求穩(wěn)定化處理?xiàng)l件不變的條件下，調(diào)整焊接工藝通過對(duì)道間溫度、冷卻方式、道間冷卻方式因素進(jìn)行調(diào)整，采用改變單一參數(shù)反復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。通過以上數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，影響焊接接頭性能主要因素為道間冷卻方式，采用急冷方式快速將整個(gè)焊件溫度降至常溫，能夠避免脆性相及碳化物的析出及粗大的鑄態(tài)組織形成，獲得晶粒細(xì)小的奧氏體組織，綜合性能較好，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

6結(jié)束語

隨著石油、化工裝置大型化的發(fā)展，高溫、高壓、臨氫裝置中厚壁不銹鋼管應(yīng)用將更為廣泛，焊接質(zhì)量直接影響其使用安全性，因此厚壁不銹鋼管的焊接技術(shù)顯得更為重要。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過控制焊接道間溫度，避免敏化溫度停留時(shí)間過長(zhǎng)是提高厚壁不銹鋼管焊接質(zhì)量的有效措施，但由于每道均需要急速冷卻，焊接過程時(shí)間較長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，增加生產(chǎn)成本。因此，采用線能量小的焊接方法，降低焊接熱輸入量，控制脆性相和碳化物析出，才是解決厚壁不銹鋼管焊接技術(shù)的根本措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]王遲.加氫裝置TP321奧氏體不銹鋼管焊接工藝[J].石油和化工設(shè)備，2011，14（3）：18-20.

[2]周桂芬.不銹鋼厚壁管焊接工藝試驗(yàn)研究[J].熱加工工藝，2013，42（23）：199-201.

[3]何蘇華.TP321厚壁臨氫管道焊接技術(shù)[J].山西化工，2018，38（4）：65-69.

[4]趙珍祥.TP321不銹鋼臨氫管道焊接探討[J].化工設(shè)備與管道，2009，46（5）：63-66.

[5]胡亞運(yùn).含穩(wěn)定化元素的不銹鋼管道焊后熱處理效果的評(píng)價(jià)與研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2016.

作者:魯海龍 單位:吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院