向煒成 樸大文 馮晨辰 孫皓

摘 ?????要： 800HT管道具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性能，在化工裝置中有著十分重要的作用。800HT管道價(jià)格昂貴，超高溫大口徑800HT直管內(nèi)壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)須兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性。對(duì)比了現(xiàn)階段不同標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)壓焊接管道強(qiáng)度計(jì)算的要求，詳細(xì)解釋了焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)取值的重要性。影響焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)的因素包括化學(xué)組成、填充材料、焊接工藝、熱處理工藝等。800HT焊制管道的采購(gòu)、制造、施工應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求執(zhí)行，否則難以保證高溫使用性能。

關(guān) ?鍵 ?詞：800HT;焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù);壁厚計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 050.9???????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2020）01-0182-05

Influence of Weld?Joint Strength?Reduction Factor

on Thickness of 800HT Welded Pipeline

XIANG Wei-cheng， PIAO Da-wen， FENG Chen-chen， SUN Hao

（CNPC Northeast Refining & Chemical Engineering Co.， Ltd.， Shenyang Company， Liaoning Shenyang 110167， China）

Abstract： 800HT pipeline has excellent high temperature stability， so it plays a very important role in chemical plants. Because 800HT material is expensive， the pressure strength design of heavy caliber 800HT pipe?used at super high temperature must take into account?the safety and economy.?In this paper，?the requirements of calculating the wall thickness of welded pipes in different standards were compared， and?the importance of weld joint strength?reduction factor?was explained. The influencing factors of weld strength reduction coefficient include?chemical composition，?filling material， welding process?and heat treatment process.?It was pointed out that the purchase， manufacture， construction of 800HT welded pipes should?be carried out in strict accordance with the design requirements.?Otherwise， it is difficult to ensure its high temperature performance.

Key words： 800HT; Weld strength reduction coefficient; Wall thickness calculation

Incoloy 800（UNS N08800）、Incoloy 800H（UNS N08810）、Incoloy 800HT（UNS N08811）三者的化學(xué)成分較為相似，都具有很好的耐還原、氧化性能和高溫穩(wěn)定性能。800HT是在800H基礎(chǔ)上提高了對(duì)（Al+Ti）和C含量的要求，以此得到更為優(yōu)異的高溫使用性能。苯乙烯裝置第一、第二脫氫反應(yīng)器的特點(diǎn)是溫度高。過(guò)熱蒸汽部分管道溫度已經(jīng)超過(guò)了304H的使用范圍。從在運(yùn)苯乙烯裝置上來(lái)看，800HT管道最高設(shè)計(jì)溫度可達(dá)927 ℃。在這一溫度下需選用易于焊接、耐腐蝕、具有較高的抗蠕變和斷裂強(qiáng)度的材料。另外提高該管道輸送蒸汽的溫度會(huì)降低單位產(chǎn)量蒸汽使用量從而達(dá)到節(jié)省能耗和擴(kuò)大產(chǎn)能的目的。因此該部分管道對(duì)苯乙烯裝置運(yùn)行效果的重要意義。大直徑800HT焊接管道以進(jìn)口為主，造價(jià)至少12萬(wàn)/t，占管道總投資的大部分。所以材料設(shè)計(jì)既要滿足操作工況要求又要經(jīng)濟(jì)合理。Incoloy 800HT（UNS N08811）這種高性能的耐熱合金已被證實(shí)可以很好地滿足上述要求。800HT管道在苯乙烯裝置中的使用位置如圖1所示。

從工程設(shè)計(jì)角度說(shuō)，800HT管道材料的選用、控制及詳細(xì)規(guī)格要求的確定（包括焊接材料）是設(shè)計(jì)上的難點(diǎn)，也是工程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。對(duì)于800HT管道國(guó)內(nèi)仍缺乏成熟的設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)。不同工程公司和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此類(lèi)管道強(qiáng)度計(jì)算有著不同的要求。若壁厚設(shè)計(jì)過(guò)大會(huì)造成不必要的浪費(fèi)，同時(shí)施工難度加大;若強(qiáng)度設(shè)計(jì)不達(dá)標(biāo)則會(huì)留下安全隱患^[1]。因此對(duì)于超高溫、大口徑的800HT管道，選擇合理的計(jì)算公式和參數(shù)尤為重要。

1 ?標(biāo)準(zhǔn)公式對(duì)比

SH/T 3059-2012《石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用規(guī)范》、DL/T 5054-2016《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：當(dāng)直管計(jì)算厚度t<管子外徑D₀的1/6時(shí)，承受內(nèi)壓的直管厚度計(jì)算公式如下：

t=PD₀ /（2[s]^tΦW+2PY）????（1）

式中：t —直管的計(jì)算壁厚，mm;

P—設(shè)計(jì)壓力，MPa;

D₀ —管子外徑，mm;

[σ]^t—設(shè)計(jì)溫度下管子材料的許用應(yīng)力，MPa;

Φ—焊接接頭系數(shù);

W—焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù);

Y—溫度對(duì)計(jì)算直管壁厚公式的修正系數(shù)。

GB 50316-2000（2008年版）《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 20801-2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道》規(guī)定：當(dāng)直管計(jì)算厚度t<管子外徑D₀的1/6

時(shí)，承受內(nèi)壓的直管厚度計(jì)算公式如下：

t=PD₀ /（2[s]^tΦ+2PY）?????（2）

式中：t—直管的計(jì)算壁厚，mm;

P—設(shè)計(jì)壓力，MPa;

D₀—管子外徑，mm;

[σ]^t—設(shè)計(jì)溫度下管子材料的許用應(yīng)力，MPa;

Φ—焊接接頭系數(shù);

Y—溫度對(duì)計(jì)算直管壁厚公式的修正系數(shù)。

比較上述公式可以發(fā)現(xiàn)，公式（1）的計(jì)算公式中增加了W焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)。雖然SH/T 3059和DL/T 5054的管道壁厚計(jì)算中引入了焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)，但是兩者均沒(méi)有對(duì)此系數(shù)進(jìn)行詳細(xì)解釋說(shuō)明。

SH/T 3059-2012僅給出了鉻鉬合金鋼與奧氏體鋼在不同溫度下的焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)的取值（如表1所示）。最高設(shè)計(jì)溫度816 ℃，對(duì)應(yīng)帶填充金屬奧氏體鋼的焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)取值為0.5。SH/T 3059在其條文解釋中表示該標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算公式是采用了ASME B31.3《Process Piping》中推薦的計(jì)算公式。由于目前國(guó)內(nèi)其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算公式?jīng)]有引入此系數(shù)，設(shè)計(jì)者在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)所采用的標(biāo)準(zhǔn)，選用相應(yīng)的計(jì)算公式。

DL/T5054-2016《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范》單獨(dú)提出在蠕變溫度下焊接鋼管的直管最小壁厚公式中引入焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)。但對(duì)于該系數(shù)的解釋同樣不夠清晰。對(duì)于800HT材料，該標(biāo)準(zhǔn)也僅給出了最高649 ℃下的焊接強(qiáng)度降低系數(shù)為0.77。

可以看出，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于高溫下800HT焊接管道壁厚計(jì)算時(shí)是否考慮焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)及該系數(shù)如何選取并沒(méi)有統(tǒng)一意見(jiàn)^[2]。所以進(jìn)行該類(lèi)管道強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)在設(shè)計(jì)文件中明確強(qiáng)度計(jì)算選用標(biāo)準(zhǔn)。

2 ?焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)的工程意義

焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)是在2004版ASME B31.3中首次增加的內(nèi)容。在高溫下，焊縫接頭的長(zhǎng)期強(qiáng)度可能比母材的長(zhǎng)期強(qiáng)度低。焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)即是引起焊縫接頭失效的名義應(yīng)力與相同持久時(shí)間母材失效的名義應(yīng)力的比。所以在ASME B31.3內(nèi)壓壁厚計(jì)算公式中，要求許用應(yīng)力和焊接接頭系數(shù)的乘積還應(yīng)乘以焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)W來(lái)調(diào)整（同公式（1））。ASME B31.3-2018版中給出了不同溫度下800HT的焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)（如表2所示），并給出了該系數(shù)取值的解釋性說(shuō)明。

在蠕變溫度范圍，隨著溫度的升高焊接鋼管的焊縫接頭強(qiáng)度系數(shù)隨之降低。對(duì)于帶填充金屬的800HT焊接鋼管，ASME B31.3中規(guī)定649 ℃時(shí)焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)取值0.77，816 ℃時(shí)焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)取值為0.5。中間溫度的強(qiáng)度降低系數(shù)應(yīng)使用線性內(nèi)插法求得。高于816 ℃時(shí)，焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)的取值是設(shè)計(jì)師的責(zé)任^[3]。目前看來(lái)，苯乙烯裝置中800HT管道的設(shè)計(jì)溫度均大于816 ℃。按照標(biāo)準(zhǔn)中給出焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)的取值趨勢(shì)可以看出，800HT焊接管道在875 ℃下的焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)的取值必然小于0.5。

焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)取值越小，相同條件下焊接管道的計(jì)算壁厚越大。以875 ℃、0.3 MPa高溫蒸汽，DN1000的800HT管道（腐蝕余量1.5 mm）為例，在W取值分別為1、0.8、0.5的情況下按照SH/T3059所列公式進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。計(jì)算得到管道規(guī)格分別為1 016×19， 1 016×24，1 016×36。在如此高的設(shè)計(jì)溫度下，大直徑的800HT管道的許用應(yīng)力僅為8 MPa，導(dǎo)致焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)的取值對(duì)800HT管道的壁厚大小影響明顯。在W取1或0.5時(shí)，管道壁厚計(jì)算結(jié)果相差將近一倍。800HT管道造價(jià)昂貴，可以看出W的不同取值對(duì)管道造價(jià)影響明顯。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外苯乙烯裝置的工藝包或設(shè)計(jì)文件來(lái)看，800HT的管道設(shè)計(jì)溫度均在875 ℃以上，設(shè)計(jì)者在進(jìn)行管道壁厚計(jì)算時(shí)，對(duì)此系數(shù)的取值均未小于0.8。ASME B31.3一方面規(guī)定該系數(shù)的選取是設(shè)計(jì)師的責(zé)任，另一方面也規(guī)定該參數(shù)除了可以按照標(biāo)準(zhǔn)給出的具體數(shù)值執(zhí)行之外，也可以由蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)確定。當(dāng)采用焊縫接頭的蠕變?cè)囼?yàn)來(lái)確定焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)時(shí)，宜使用全厚度橫截面試樣，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間至少1 000 h。經(jīng)業(yè)主同意，也可使用大量成功的經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)整該系數(shù)。成功的經(jīng)驗(yàn)必須包括相同或類(lèi)似的材料、焊縫金屬成分，以及在相等或更苛刻的持續(xù)操作工況條件下的焊接工藝。苯乙烯BADGER和Lumusi工藝包對(duì)高溫下800HT的焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)的取值是基于他們的蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果和供貨商提供的800HT管道使用信息確定的。

BADGER和Lumusi工藝包對(duì)焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)取值分別為0.8和1。雖然系數(shù)取值不同，但是工藝包在給出焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)的基礎(chǔ)上都嚴(yán)格規(guī)定了管子的制造、檢測(cè)、施工、熱處理工藝，同時(shí)明確要求制造廠和施工方必須嚴(yán)格按照此規(guī)定執(zhí)行?，F(xiàn)階段部分國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)時(shí)選擇的焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)理論依據(jù)不足，出具的其他設(shè)計(jì)要求也并不完整。有許多因素可以影響800HT在高溫下焊縫接頭的強(qiáng)度，比如選擇的焊材、焊接方式、熱處理要求、焊后圓度偏差、焊縫的錯(cuò)邊等等。這些因素都會(huì)影響實(shí)際的焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)。所以應(yīng)盡量減少此類(lèi)偏差對(duì)焊接接頭壽命的影響。800HT高溫材料的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量明確800HT管道的相關(guān)要求，才能與一個(gè)可靠的焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)相適應(yīng)。

從另一個(gè)角度來(lái)看，如果800HT管道的原料、加工、焊接、檢驗(yàn)等未嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)文件要求執(zhí)行，設(shè)計(jì)人員計(jì)算800HT焊接管道壁厚時(shí)，焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)的取值就不正確，強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果也會(huì)與實(shí)際偏差較大。

3 ?材料、焊接、熱處理要求

因?yàn)榇志ЫM織具有高溫蠕變和應(yīng)力斷裂強(qiáng)度，所以800HT材料需要經(jīng)過(guò)退火以得到控制該溫度范圍內(nèi)最佳性能的晶粒度。要求包括管件在內(nèi)的所有的800HT管道材料需固溶處理狀態(tài)供貨。固溶處理的溫度最低1 150 ℃。平均晶粒度應(yīng)達(dá)到5級(jí)或更粗。通常情況下固溶退火熱處理是在工廠進(jìn)行的。

焊接管子和管件由鋼板加工得到，雖然鋼板出廠前進(jìn)行了上述熱處理。但是管子管件的加工過(guò)程同樣會(huì)影響管道的最終性能。一些冷加工會(huì)影響晶粒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致重結(jié)晶。冷加工量越大，再結(jié)晶程度越高，晶粒組織越細(xì)。這將導(dǎo)致更高的蠕變速率和更短的高溫應(yīng)力斷裂時(shí)間。所以當(dāng)變形導(dǎo)致晶粒變形過(guò)大時(shí)，建議重新進(jìn)行固溶退火。再次固溶熱處理后，800HT材料還應(yīng)在899 ℃進(jìn)行2 h的穩(wěn)定化處理。對(duì)于在成型過(guò)程中未產(chǎn)生明顯的晶粒變形的成型方法，僅進(jìn)行成型后熱處理即可（899 ℃保溫2 h）。所有成型過(guò)程后（無(wú)論熱成型還是冷成型）均應(yīng)進(jìn)行100%的液體滲透檢測(cè)。所有表面不允許有任何線性缺陷。

不同于煉油裝置中涉及硫或酸的腐蝕^[4]，苯乙烯化工裝置中的800HT管道輸送介質(zhì)主要為高溫蒸汽，除了高溫氧化外不用過(guò)多考慮腐蝕問(wèn)題。對(duì)腐蝕余量的選取各家公司也不一致。800系列管道材料的高溫氧化年腐蝕率可參見(jiàn)表3。參考國(guó)外大型設(shè)計(jì)公司經(jīng)驗(yàn)和SH/T 3059給出的金屬材料高溫氧化年腐蝕率。建議設(shè)計(jì)溫度900 ℃，10年設(shè)計(jì)使用壽命的800HT管道，腐蝕余量取1.5 mm。

ASTM B366《工廠制造鍛軋鎳和鎳合金管配件》是鎳鐵鉻合金管件的標(biāo)準(zhǔn)，其中包含800HT（N08811）牌號(hào)。不同于管件，現(xiàn)在國(guó)際上并沒(méi)有800HT（N08811）焊接管道的標(biāo)準(zhǔn)。通用的焊制鎳鐵鉻合金管標(biāo)準(zhǔn)ASTM B514，800系列合金里只包含800（N08800），800H（N08810）的相關(guān)要求。所以在描述800HT焊接管道時(shí)不能單獨(dú)列出焊接管道標(biāo)準(zhǔn)ASTM B514，還需單獨(dú)提出800HT板材標(biāo)準(zhǔn)。800HT焊接管道所用板材的材料和制造、化學(xué)成分、力學(xué)性能和其他要求應(yīng)嚴(yán)格按照ASME SB409《鎳-鐵-鉻合金板材、薄板和代材》中800HT的要求執(zhí)行。其中碳含量嚴(yán)格限制在0.06%～0.10%，Al和Ti的總含量被要求嚴(yán)格控制在0.85%～1.20%。直焊縫焊接管道的性能更多的是由原材料板材決定的。國(guó)內(nèi)的苯乙烯項(xiàng)目，大直徑800HT管道多為進(jìn)口。主要形式是從國(guó)外進(jìn)口符合技術(shù)文件要求的800HT板材，由國(guó)內(nèi)的鋼管廠加工制造成焊接鋼管。國(guó)際上比較著名的800HT材料廠商有日本神鋼、美國(guó)因科、日本冶金、日本住友等。800HT板材的化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表4。

除了焊接管子所用板材本身性質(zhì)外，管道的制造、焊接和熱處理對(duì)整體性能的影響不能忽視。下面提供了業(yè)界較為認(rèn)可的800HT管道的焊接及熱處理要求，設(shè)計(jì)者在確定焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)時(shí)可結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)做出具體規(guī)定。

抗拉強(qiáng)度≥450 MPa;屈服強(qiáng)度≥170 MPa;延伸率≥30%

Incoloy800HT具有高的焊接熱裂紋敏感性。在焊接時(shí)焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻過(guò)程中易產(chǎn)生焊接裂紋。鑒于800HT管道對(duì)焊接質(zhì)量要求嚴(yán)格，在正式制造前需進(jìn)行焊接工藝評(píng)定并合格。參與800HT管道焊接的焊工必須經(jīng)過(guò)焊接基本知識(shí)和實(shí)際操作培訓(xùn)，并取得Incoloy 800HT（焊材ERNiCrCoMo-1，ENiCrCoMo-1）焊接資格的焊接合格證。

800HT管道的焊接過(guò)程可接受GTAW（鎢極惰性氣體保護(hù)焊）打底和SMAW（手工電弧焊）填充蓋面^[5]。焊接材料與母材的主要化學(xué)成分應(yīng)相近，保證各項(xiàng)性能與母材相當(dāng)。填充金屬應(yīng)與工藝焊接評(píng)定所用材料一致。選擇合適的焊接材料，要減少焊接材料中易偏析元素和有害雜質(zhì)的含量。特別應(yīng)減少硫、磷等雜質(zhì)。800HT母材中要求硫含量小于0.015%，焊絲和焊條中的硫含量也需控制在0.015%以內(nèi)。選用與母材匹配的焊接材料是防止微裂紋的重要措施。對(duì)于鎳鐵鉻合金800HT管道GTAW采用的焊絲為SFA 5.14：AWS Class ERNiCrCoMo- 1（Inconel 617）。SMAW使用的焊條為SFA 5.11：AWS Class ENiCrCoMo-1（Inconel 117）。焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度。在焊接時(shí)應(yīng)清除焊縫附近區(qū)域的氧化皮、各種涂料油漆，防止焊縫氣孔的產(chǎn)生。焊接時(shí)宜采用多層多道焊，每道焊完應(yīng)進(jìn)行檢查^[6]。所有對(duì)接環(huán)焊縫和直焊縫需在熱處理前進(jìn)行100%射線檢測(cè)和100%液體滲透檢測(cè)，在熱處理后進(jìn)行100%液體滲透檢測(cè)。對(duì)于部分焊縫當(dāng)射線檢測(cè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)（如支管座的根部），應(yīng)進(jìn)行100%滲透檢測(cè)。應(yīng)盡量避免不同材質(zhì)的焊接，如確實(shí)遇到不同材質(zhì)的焊接（如304H不銹鋼和800HT合金），除上述檢測(cè)外還應(yīng)進(jìn)行100%的超聲檢測(cè)。因焊接管道本身為直焊縫，在對(duì)接時(shí)需避免出現(xiàn)十字焊縫，影響使用性能，每道焊縫至少偏移5°。

所有800HT管道的焊縫均應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理。一般熱處理溫度為899～913 ℃。當(dāng)800HT管道壁厚≤25.4 mm時(shí)保持恒溫1.5 h，壁厚每增加25.4 mm保持恒溫時(shí)間延長(zhǎng)1 h，如50.8 mm厚應(yīng)保持恒溫2.5 h。爐內(nèi)或隨著絕熱層降溫，降溫速率111 ℃/h。當(dāng)溫度低于427 ℃時(shí)，降溫速率不需再進(jìn)行控制。

4 ?結(jié) 論

Incoloy 800HT管道有著優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，在化工裝置高溫部分有著重要的應(yīng)用。焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)的選擇對(duì)于高溫焊接800HT管道壁厚計(jì)算結(jié)果十分重要。該系數(shù)的選取可以結(jié)合蠕變?cè)囼?yàn)及成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)確定。焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)的取值是設(shè)計(jì)者的責(zé)任，設(shè)計(jì)者需要對(duì)在管道生產(chǎn)、制造、施工、熱處理過(guò)程中所有影響該系數(shù)取值的因素進(jìn)行限定，保證焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)取值的正確性。

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