何蘇華

(中化二建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030021)

引 言

在石油化工行業(yè)中，普通工藝分餾提煉的油品雜質(zhì)較多，為保證產(chǎn)品的清潔、環(huán)保，煤焦油加氫系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。而在加氫系統(tǒng)中，氫和硫化氫的濃度較高，對傳送管道腐蝕性強(qiáng)，容易產(chǎn)生晶間腐蝕[1]。本技術(shù)依托晉昌源20萬t/a煤焦油加氫處理項(xiàng)目加氫裝置，其反應(yīng)系統(tǒng)連接加熱爐、反應(yīng)器、換熱器，進(jìn)出口配管采用從國外進(jìn)口的ASTM A312 TP321奧氏體不銹鋼，運(yùn)行環(huán)境為高溫、高壓、臨氫狀態(tài)，總焊口數(shù)2128道，最高設(shè)計(jì)壓力18 MPa，最高設(shè)計(jì)溫度450 ℃，管徑最大為DN250，壁厚最大為28.58 mm。

1 理論分析

1.1 焊接缺陷分析

鑒于加氫裝置中，TP321工藝管道運(yùn)行環(huán)境為高溫、高壓、臨氫狀態(tài)，氫和硫化氫的濃度較高，因此對焊接質(zhì)量的管控尤為重要。TP321工藝管道焊接過程中容易出現(xiàn)的主要缺陷包括：焊縫及熱影響區(qū)熱裂紋敏感性大；晶間腐蝕；應(yīng)力腐蝕開裂；焊縫接頭的σ相脆化。

1.1.1 焊接熱裂紋

1)產(chǎn)生原因

TP321鋼熱導(dǎo)率小、線膨脹系數(shù)大，在焊接局部加熱和冷卻的條件下，厚壁高壓臨氫管線焊接接頭部位的高溫停留時(shí)間較長，焊縫金屬及近焊縫在高溫承受較高的拉伸應(yīng)力與拉伸應(yīng)變。在焊接過程中，如果層間溫度過高，焊接電流過大，形成熱裂紋的傾向就更加明顯。

2)預(yù)防措施

①選擇合適的焊接材料，從而改善焊縫的組織結(jié)構(gòu)；

②焊接時(shí)盡量減少熔池過熱，提高接頭的冷卻速度，以防止形成粗大柱狀組織。采用小的線能量，以降低焊接拉應(yīng)力。

1.1.2 晶間腐蝕

1) 產(chǎn)生原因

TP321鋼焊接過程中在焊縫和靠熔合線的過熱區(qū)，當(dāng)溫度達(dá)到450 ℃～850 ℃敏化溫度時(shí)，在晶界上析出碳化鉻(Cr23C6),造成晶界處鉻的含量達(dá)不到防腐蝕的最低值，產(chǎn)生貧鉻現(xiàn)象。在腐蝕環(huán)境下，就會出現(xiàn)晶界處開裂現(xiàn)象。

2) 預(yù)防措施

①采用低碳或超低碳的焊材，或采用含鈦、鈮等穩(wěn)定化元素的焊材，使Ti、Nb與C形成穩(wěn)定的TiC、NbC,而不形成Cr23C6,從而防止晶間腐蝕；

②選用較小的焊接電流和較快的焊接速度,加快冷卻速度以減少焊接熔池過熱，并焊后進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理。

1.1.3 應(yīng)力腐蝕開裂

1) 產(chǎn)生原因

在加氫裝置反應(yīng)部分管線輸送的酸性多相系統(tǒng)，其富含大量的硫化氫，在這種腐蝕環(huán)境下焊接的殘余應(yīng)力在受拉伸作用下就會產(chǎn)生延遲開裂現(xiàn)象，其金相特征是裂紋從表面開始向內(nèi)擴(kuò)展，表現(xiàn)為無塑性變形的脆性破壞。

2) 預(yù)防措施

①合理制定成形加工和組裝工藝，盡可能減小冷作變形度，避免強(qiáng)制組裝，防止組裝過程中造成各種傷痕(SCC裂源，易造成腐蝕坑)；

②采取合適的焊接工藝：保證焊縫成形良好，不產(chǎn)生任何應(yīng)力集中或點(diǎn)蝕的缺陷，如,咬邊等；采取合理的焊接順序，降低焊接殘余應(yīng)力水平；

③進(jìn)行焊后穩(wěn)定化熱處理。

1.1.4 焊縫接頭的σ相脆化

1) 產(chǎn)生原因

焊縫在經(jīng)受一定時(shí)間的高溫(650 ℃～850 ℃)加熱后會在焊縫中析出一種脆性的σ相，導(dǎo)致整個(gè)焊縫接頭脆化，塑性和韌性顯著下降。在高溫加熱過程中，σ相主要由鐵素體轉(zhuǎn)變而成，加熱時(shí)間越長，析出越多。

2) 預(yù)防措施

①選擇合適的焊接材料限制焊縫金屬中的鐵素體含量(<12%)；

②減少焊縫金屬在高溫下的停留時(shí)間。

綜上所述，對缺陷進(jìn)行原因分析，見表1。

表1 缺陷分析表

通過表1可以看出，TP321管道焊接缺陷的產(chǎn)生主要是由于：焊接材料使用不當(dāng)；未制定合理的加工和組裝工藝；焊接工藝選用不合適；未進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理。因此，對以上4點(diǎn)的分析管控是TP321厚壁臨氫管道焊接的關(guān)鍵所在。

1.2 焊材選用分析

1.2.1 焊條選用分析

焊接材料的選用根據(jù)焊件的化學(xué)成分、力學(xué)性能、使用條件和施焊條件進(jìn)行分析。選用含有Nb穩(wěn)定劑的A132(E347-16)焊條，其具有優(yōu)良的機(jī)械性能和焊接工藝性能，可以有效預(yù)防焊縫接頭的σ相脆化，抗焊接熱裂紋和抗晶間腐蝕性能好。

1.2.2 焊絲選用分析

選用H08Cr19Ni10Ti(ER321)焊絲，其含有穩(wěn)定化元素Ti,防止晶間析出碳化物，提高焊縫的抗晶間腐蝕能力，具有良好的力學(xué)性能。焊絲中含有Si元素，提高了焊接操作性及熔金流動性。

1.3 坡口形式與組對分析

1) TP321奧氏體不銹鋼所有坡口加工采用全自動坡口機(jī)(圖1)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際尺寸控制管道下料數(shù)據(jù)，對于壁厚≤22 mm采用單V形坡口(見圖2)；對于壁厚>22 mm采用雙V形坡口(見圖3)。坡口加工完成后進(jìn)行100%滲透檢測，確保無裂紋和分層。這種坡口形式，一方面，可以減少焊縫金屬的填充量，另一方面，也可以降低或消除焊接接頭的應(yīng)力集中。

圖1 全自動坡口機(jī)坡口加工

圖2 壁厚≤22 mm坡口圖 圖3 壁厚>22 mm坡口圖

2) 為了防止焊接過程中的飛濺，組對前在坡口兩側(cè)各100 mm范圍內(nèi)涂白堊粉或其他防粘污劑。TP321奧氏體不銹鋼組對時(shí)不能強(qiáng)力組對，保證焊縫兩端可以自由伸縮，利用自制移動式龍門吊(第67頁圖4)對較大口徑管道及管件(≥DN200)進(jìn)行預(yù)拼裝，鋼絲繩與管材接觸面采用帆布隔離，防止直接接觸造成的滲碳及摩擦劃損。確保對接處不受或少受約束力，這樣有效地避免焊縫產(chǎn)生殘余應(yīng)力的可能。

1.4 焊接工藝分析

針對T321管道焊接過程中容易出現(xiàn)的焊接缺陷問題，制定了如下焊接工藝措施。

圖4 移動式龍門吊

1) 焊接工藝參數(shù)(見表2)

表2 焊接工藝參數(shù)表

2) 采用數(shù)字弧焊電源，提高焊接電源的可靠性、可維護(hù)性、功能的多樣性、靈活性，能有效地控制焊接電流、電壓的輸入，焊接速度快，能有效地預(yù)防晶間腐蝕的產(chǎn)生；

3) 打底層采用鎢極惰性氣體氬弧焊(GTAW)工藝(見圖5),熱輸入線能量較小，焊接質(zhì)量優(yōu)良，此工藝熔池保護(hù)效果好，焊縫金屬致密。焊接過程中線能量控制在5 kJ/cm～12 kJ/cm，能有效地降低焊接拉應(yīng)力，預(yù)防焊接熱裂紋的產(chǎn)生。此工藝焊接成形的焊縫，在生產(chǎn)中可以有效避免腐蝕介質(zhì)在接頭部位的聚集，預(yù)防應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象；

圖5 氬弧打底焊

4) 焊接時(shí)在保證焊透和熔合良好的前提下，在焊接工藝參數(shù)范圍內(nèi)采用多層、多道、窄焊道焊接的氬電聯(lián)焊工藝，采用小熱輸入、短電弧、不擺動或小擺動的操作方法，有效地預(yù)防了晶間腐蝕現(xiàn)象。

5) 焊縫背面充氬，實(shí)行內(nèi)保護(hù)，內(nèi)保護(hù)措施采用管子整體充氬，并符合下列要求：

①管內(nèi)充氬氣開始時(shí)流量適當(dāng)加大，確認(rèn)管內(nèi)空氣完全排除后施焊。

②焊接時(shí)充氬氣流量逐步降低，避免充氬氣壓力較高而造成焊縫背面成形時(shí)出現(xiàn)內(nèi)凹或根部未焊透現(xiàn)象，焊后延遲5 s～15 s停送氬氣，以保護(hù)尚未冷卻的鎢極和熔池。

③為了取得良好的保護(hù)效果，要控制氬氣流量在10 L/min～15 L/min，且氬氣純度達(dá)到99.99%。

④GTAW法焊接時(shí)，手工均勻送進(jìn)焊絲, 以獲得平整而均勻的焊道，打底層用膠布反粘(見圖6)，防止附著在母材上的粘接劑污染焊縫。焊絲的加熱端始終在氬氣保護(hù)之下，為加強(qiáng)保護(hù)效果在焊嘴后側(cè)加一輔助輸送保護(hù)氣罩。斷弧后，要待焊接熔池冷卻后才能切斷氬氣保護(hù)。

⑤氬弧打底層焊接時(shí)，在管段兩端的坡口上用可熔性紙封堵，形成密封室，管道內(nèi)部進(jìn)行充氬保護(hù)，由于底層焊道較薄，焊接第2層時(shí)，焊縫背面也進(jìn)行充氬保護(hù)。

⑥焊接用氬氣輸送管采用塑料軟管(見圖7)，不能用橡膠軟管或其他吸濕性材料的軟管。

圖6 坡口端面保護(hù) 圖7 充氬保護(hù)

6) 針對本工程TP321管道在高溫情況下熱裂紋傾向高且容易出現(xiàn)σ相脆化。因此，為提高焊接熔池的冷卻速度，用冷水、乙醇擦拭焊縫兩側(cè)，減少焊縫的高溫停留時(shí)間，加快焊縫冷卻速度。

7) 焊件多層焊時(shí)，層間溫度稍高于預(yù)熱溫度，且每層的焊接接頭錯(cuò)開。除打底焊外，其余焊層采用多道焊，層內(nèi)溫度控制在100 ℃～150 ℃，不低于預(yù)熱溫度，用手持紅外測溫儀進(jìn)行測量控制。每一層每一道焊完后均用專用砂輪磨光機(jī)徹底清除焊道面的熔渣等附著物，并做著色檢查，消除各種表面缺陷。

8) TP321厚壁管道焊接采用氬電聯(lián)焊的焊接工藝，焊絲手工送進(jìn)速度要均勻且不能太快, 以獲得平整而均勻的焊道，層間焊接接頭相互錯(cuò)開。手工電弧焊蓋面層時(shí)(見第68頁圖8)，操作必須短弧快速焊, 并橫向擺動焊條，在仰焊部位盡量減小熔池體積，有利于焊縫成形，平焊部位焊縫收弧時(shí), 焊條除作橫向擺動外，還縱向擺動, 以填滿弧坑，擺動幅度控制在8 mm以內(nèi)。

1.5 焊縫穩(wěn)定化熱處理分析

1.5.1 焊縫熱處理?xiàng)l件

1) 管道附著件和與管道焊接連接支、吊架的焊縫全部進(jìn)行焊縫熱處理。

圖8 電弧蓋面

2) 熱處理前，需熱處理焊縫的焊接工作全部結(jié)束，焊縫的外觀檢查完畢，并符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

3) 熱處理機(jī)具、電加熱器、熱電偶及保溫材料準(zhǔn)備齊全，人員已進(jìn)行技術(shù)交底，熟知工藝要求和標(biāo)準(zhǔn)。

4) 焊接熱處理人員通過專業(yè)培訓(xùn)，并經(jīng)過考核取得國家或行業(yè)機(jī)構(gòu)的資格證，焊接熱處理人員要嚴(yán)格按照焊接程序和熱處理工藝規(guī)范要求執(zhí)行，做到操作無誤，記錄準(zhǔn)確。專業(yè)技術(shù)人員要認(rèn)真及時(shí)填寫熱處理記錄報(bào)告，整理竣工資料并進(jìn)行移交。

1.5.2 熱處理部位

所有TP321管道及管件的對接焊縫。

1.5.3 熱處理工藝要求

1) 熱處理溫度(見表3)。

表3 管線熱處理溫度

2) 熱處理范圍

熱處理的加熱范圍以焊縫為基準(zhǔn)，兩側(cè)各不小于焊縫寬度的3倍，且不小于25 mm，加熱區(qū)以外的100 mm范圍予以保溫，且管道端口封閉。如圖9所示。

圖9 管道熱處理加熱、保溫方法簡圖

3) 熱處理的加熱速度、恒溫時(shí)間及冷卻速度(見圖10)

300 ℃以下時(shí)不控制，加熱升溫300 ℃～900 ℃，當(dāng)管道壁厚≤25 mm時(shí)加熱速度≤180 ℃/h；25 mm<管道壁厚≤28.58 mm時(shí)加熱速度≤150 ℃/h。

恒溫時(shí)間按表4規(guī)定計(jì)算，且總恒溫時(shí)間均不得小于2 h。在恒溫期間內(nèi)，各測點(diǎn)的溫度均在熱處理溫度規(guī)定的范圍內(nèi)，其差值不得大于10 ℃。溫度控制精確，且不超過熱處理的溫度范圍。TP321管道每毫米壁厚4.7 min。

圖10 熱處理曲線圖

恒溫后700 ℃以上時(shí)，壁厚≤25 mm時(shí)冷卻速度≤180 ℃/h；25 mm<管道壁厚≤28.58 mm時(shí)冷卻速度≤120 ℃/h。冷卻至700 ℃后自然冷卻。

管壁厚度(或焊縫金屬厚度)熱處理時(shí)加熱速度、恒溫時(shí)間、降溫速度見表4。

表4 加熱速度、恒溫時(shí)間、降溫速度表

4) 熱電偶的布置

至少有一個(gè)控制熱電偶置于焊口上方，并且至少有一個(gè)記錄熱電偶進(jìn)行溫度監(jiān)控，置于控制熱電偶90°處，熱電偶置于焊縫中央，熱電偶間的最大溫差不大于10 ℃。

2 焊接材料和方法

2.1 管道材料

1) 臨氫狀態(tài)下ASTM A312 TP321管材化學(xué)成分及力學(xué)性能見表5、表6。

表5 TP321鋼化學(xué)成分 %

SiCrTiNi≤0.07517.00～19.005w(C)～0.79.00～12.00

表6 TP321鋼常溫力學(xué)性能

從表5、表6中可以看出，TP321鋼是一種含有穩(wěn)定化元素鈦的奧氏體不銹鋼，因此在一般情況下其焊接性能良好，焊接接頭具有較好的塑性和韌性。

2.2 材料與生產(chǎn)環(huán)境的匹配情況

在臨氫環(huán)境中材料的晶間腐蝕機(jī)理表明，較低的金屬碳含量，可以減少快速連續(xù)加熱過程中金屬晶粒內(nèi)部過飽和固熔的碳原子向晶粒邊緣擴(kuò)散，最大限度地避免“貧鉻區(qū)”的出現(xiàn)，這是防止晶間腐蝕的重要手段，同時(shí)嚴(yán)格限制非金屬磷、硫、硼等的含量，增加可以與碳生成穩(wěn)定碳化物的鈦、鈮。TP321屬于超低碳不銹鋼材料，符合上述要求。

2.3 TP321的光譜分析試驗(yàn)

TP321原材料在施工前必須進(jìn)行嚴(yán)格的材料驗(yàn)收、檢查，對所有管材、管件等均按照批號且每批(同爐批號、同材質(zhì)、同規(guī)格)抽檢10%，不少于1件進(jìn)行光譜分析(如圖11)，確保其成分符合出廠證明文件要求，并滿足工藝需求。

從表6可以看出、進(jìn)場原材料實(shí)測值符合標(biāo)準(zhǔn)值要求，因此進(jìn)場原材料合格。

圖11 TP321管材光譜分析試驗(yàn)

表6 TP321原材料成分標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)測數(shù)據(jù)表%

2.4 焊接材料

1) 焊條化學(xué)成分及力學(xué)性能見表7、表8。

表7 A132(E347-16)成分標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際含量數(shù)據(jù)表 %

表8 A132(E347-16)力學(xué)性能

2) 焊絲化學(xué)成分見表9。

3) 焊接材料與母材的匹配情況

通過焊材與母材化學(xué)成分實(shí)測值比對，焊材S、P等雜質(zhì)的含量較母材實(shí)測值的含量少，一方面,可以有效防止產(chǎn)生熱裂紋，另一方面,提高了焊接接頭的耐蝕性；Si的含量在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)保證敷設(shè)金屬流動性的同時(shí)，又降低了產(chǎn)生雜質(zhì)化合物的概率；A132和H08Cr19Ni10Ti均為高合金的焊接材料，其中,耐蝕性元素Cr、Ni含量略高于母材以防止應(yīng)力腐蝕；焊材中穩(wěn)定化元素Ti、Nb可防止晶間腐蝕；焊條的力學(xué)性能與母材基本一致，熔合匹配性好。

表9 H08Cr19Ni10Ti(ER321)成分標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際含量數(shù)據(jù)表

4) 本技術(shù)用的焊接材料(見表10)。

表10 焊接材料用量

3 焊接結(jié)果與分析

在晉昌源加氫裝置TP321管道施工過程中，焊縫外觀檢測合格率100%，外觀成形美觀；無損檢測一次合格率99.8%。本技術(shù)通過對TP321厚壁臨氫管道母材及焊材的化學(xué)成分及力學(xué)性能分析，證明了材料與生產(chǎn)環(huán)境相匹配，焊接材料與母材相匹配；施工中通過優(yōu)化坡口形式、改良預(yù)制工裝、選用可行的焊接工藝、焊后穩(wěn)定化熱處理，確保了焊接質(zhì)量，同時(shí)也提高了工作效率。

4 結(jié)論

施工實(shí)踐證明，運(yùn)用本技術(shù)有效地防止了焊接熱裂紋、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、焊縫接頭的σ相脆化等缺陷的產(chǎn)生，施工質(zhì)量得到了有效的保障。通過全自動坡口機(jī)、自制移動式龍門吊、數(shù)字弧焊電源等新設(shè)備、新方法、新工藝的應(yīng)用，改進(jìn)了原有TP321管道施工工裝，優(yōu)化了焊接工藝，高效、快速地達(dá)到高水平的焊接質(zhì)量。本技術(shù)工藝成熟、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、優(yōu)質(zhì)高效、可操作性強(qiáng)，對同類裝置、同類管道焊接提供了良好的借鑒作用，具有一定的推廣價(jià)值。