靳華鋒

(北京燕華工程建設(shè)有限公司，北京 102502)

中國石化上海石油化工股份有限公司煉油部改質(zhì)加氫裝置反應(yīng)系統(tǒng)質(zhì)量升級(jí)管線更換，管道材質(zhì)為ASTM A312 TP347，規(guī)格為?457 mm×34.93 mm，現(xiàn)場切割2道口，更換直管段后再組對、焊接。TP347不銹鋼管道采用固溶熱處理狀態(tài)交貨，具有良好的塑性、韌性和焊接性，但同時(shí)又具備導(dǎo)熱系數(shù)小、熔點(diǎn)低、線膨脹系數(shù)大等奧氏體不銹鋼所特有的物理性能，在焊接工藝和焊接材料等選擇不合適時(shí)，會(huì)出現(xiàn)焊接熱裂紋再熱裂紋、晶間和應(yīng)力腐蝕等缺陷。施工中通過對坡口設(shè)計(jì)、焊接材料、焊接工藝參數(shù)、熱處理工藝參數(shù)的選擇，成功消除了TP347的焊接缺陷，取得良好效果。

1 TP347材料特性分析

ASTM A312 TP347為含鈮Cr-Ni奧氏體不銹鋼，由于含穩(wěn)定化元素Nb，其耐晶間腐蝕和耐多硫酸晶間應(yīng)力腐蝕性能良好，在酸、堿、鹽等腐蝕介質(zhì)中其耐蝕性與含Ti的18-8奧氏體不銹鋼相近，該鋼種比316系不銹鋼具有更高的高溫強(qiáng)度和更好的抗高溫氧化性能，相當(dāng)于我國牌號(hào)06Cr18Ni11Nb。

ASTM A312標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定TP347鋼管的化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 TP347鋼管的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)組成 %

表2 TP347鋼的力學(xué)性能

2 TP347焊接性能分析

TP347材質(zhì)在18-8不銹鋼里加入穩(wěn)定化元素Nb，以耐晶間腐蝕，增加高溫強(qiáng)度和抗高溫氧化性能，此類鋼的組織為單相奧氏體，焊后無淬硬傾向，但焊接時(shí)卻易出現(xiàn)晶間腐蝕、焊接熱裂紋和應(yīng)力腐蝕開裂。

2.1 焊接接頭的晶間腐蝕

晶間腐蝕是局部腐蝕的一種，是沿著金屬晶粒間的界面向內(nèi)部擴(kuò)展的腐蝕。晶間腐蝕可以分別產(chǎn)生在焊接接頭的熱影響區(qū)、焊縫或熔合線上。當(dāng)溫度升高時(shí)，碳在不銹鋼晶粒內(nèi)部的擴(kuò)散速度大于鉻的擴(kuò)散速度，多余的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴(kuò)散，并和鉻化合，在晶間形成碳化鉻的化合物。而鉻由晶粒內(nèi)擴(kuò)散速度比鉻沿晶界擴(kuò)散的速度小，內(nèi)部的鉻來不及向晶界擴(kuò)散，結(jié)果就使晶界附近的含鉻量大為減少，當(dāng)晶界的鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于12%時(shí)，就形成所謂的“貧鉻區(qū)”，在腐蝕介質(zhì)作用下，貧鉻區(qū)就會(huì)失去耐腐蝕能力，從而產(chǎn)生晶間腐蝕[1]。

實(shí)踐中通過調(diào)整焊縫的化學(xué)成分，加入鈦或鈮等穩(wěn)定化元素；減少焊縫中的含碳量；控制在危險(xiǎn)溫度區(qū)的停留時(shí)間，防止過熱的方法以減少和避免形成鉻的碳化物，從而降低形成晶界腐蝕的傾向。

2.2 焊接接頭的熱裂紋

熱裂紋是指在焊接過程中，焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)產(chǎn)生的焊接裂紋。Cr-Ni奧氏體不銹鋼焊接時(shí)有較大的熱裂紋傾向，主要原因如下：焊縫金屬凝固過程中存在較大的拉應(yīng)力；奧氏體焊縫易形成方向性很強(qiáng)的粗大柱狀晶組織，在凝固結(jié)晶過程中，一些雜質(zhì)及合金元素，如S、P、Sn、Sb、Si、B、Nb等易于在晶間形成低熔點(diǎn)的液態(tài)膜，造成焊接凝固裂紋；奧氏體鋼及其焊縫的合金組成復(fù)雜，相互化合易形成低熔點(diǎn)共晶物，形成有害的液態(tài)間層[1]。

防止奧氏體不銹鋼焊縫產(chǎn)生熱裂紋的主要措施是：(1)選擇合適的焊接材料，調(diào)整合金成分，使焊縫具有奧氏體和鐵素體雙向組織，并限制焊接材料中雜質(zhì)元素含量；(2)為減少焊接時(shí)熱量產(chǎn)生，焊接時(shí)盡量減少引弧、熄弧次數(shù)，盡量減少各種加熱，重復(fù)加熱；(3)多層多道焊時(shí)，極易引起層與層間的熱量加大，層間溫度要保證低于100 ℃；(4)為減少焊道熱量，選用熱輸入小、焊縫橫截面較小的V形坡口。

2.3 應(yīng)力腐蝕

奧氏體鋼由于導(dǎo)熱性能差、熱膨脹系數(shù)大所引起的高殘余應(yīng)力是造成奧氏體鋼應(yīng)力腐蝕開裂的主要原因[1]。焊接殘余應(yīng)力的存在加速了腐蝕的速度。為此在焊接時(shí)，應(yīng)盡量降低殘余應(yīng)力，同時(shí)還應(yīng)注意：(1)設(shè)計(jì)合理的焊接接頭，焊縫應(yīng)采用對接接頭，焊縫余高不能過高，不得有咬邊、夾渣、未焊透等缺陷，焊縫接頭截面要圓滑過渡，以減小焊縫拘束度，避免過高的應(yīng)力集中；(2)建立低氫的焊接環(huán)境，選用低氫焊接材料和低氫焊接工藝，焊材使用前要烘干，認(rèn)真清理焊絲、焊縫坡口上的水、鐵銹、油污等雜質(zhì)，焊接時(shí)對熔池采取良好的保護(hù)措施。

3 焊接方法及焊接工藝選擇

3.1 焊接方法選擇

采用鎢極氬弧焊打底，焊條填充、蓋面是管道焊接中最常用的焊接方法。鎢極氬弧焊焊接線能量低，熱源和填充焊絲可分別控制，熱輸入容易調(diào)節(jié)，可進(jìn)行各種位置的焊接，也是實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形的理想方法。手工電弧焊熱影響區(qū)小，易于保證焊接質(zhì)量，適用于各種焊接位置與不同壁厚管道的焊接。本次TP347管道焊接采用焊接線能量低、易于使用焊縫氣體保護(hù)的手工鎢極氬弧焊進(jìn)行打底焊,用多層多道手工電弧焊進(jìn)行填充、蓋面，同時(shí)對焊件背面進(jìn)行充氬保護(hù)相結(jié)合的焊接方法。選擇此方法有效地降低了焊接層間溫度，縮短了焊接接頭在敏化溫度區(qū)間停留的時(shí)間,降低了敏化溫度對焊接接頭的不良影響,同時(shí)又避免了焊縫氧化，保證了焊縫內(nèi)部及表面成型質(zhì)量，同時(shí)也是焊接厚壁管道的經(jīng)濟(jì)方法。

3.2 焊接材料選擇

焊接材料的選擇應(yīng)根據(jù)焊件的化學(xué)成分、力學(xué)性能、使用條件、施焊條件等綜合考慮，為保證各項(xiàng)性能與母材相當(dāng)，焊接材料與母材的化學(xué)成分應(yīng)盡量相近。根據(jù)具體焊接條件,選擇恰當(dāng)?shù)暮覆闹睆?既能滿足焊接過程中較小的熱循環(huán)及焊接熔池的熱輸入,又能較好地滿足焊接工作效率的要求，焊接材料選用見表3。焊絲使用英國METRODE公司生產(chǎn)的ER347，焊條選用具有良好抗裂性和綜合力學(xué)性能的低氫型E347-15焊條，光譜分析焊材化學(xué)成分見表4。焊條使用前需要經(jīng)過200～250 ℃,2 h恒溫烘烤。

表3 焊接材料選用

表4 焊材化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)組成 %

3.3 坡口形式選擇

在滿足焊縫成形及焊接質(zhì)量要求的前提下,采用VY型組合坡口,坡口加工形式和尺寸如圖1所示。采用等離子和砂輪機(jī)切割加工坡口，以保證加工尺寸及加工精度。此種坡口的優(yōu)點(diǎn)是減少焊縫熔敷金屬量，使輸入焊接熔池的熱量減小，縮短焊接接頭在敏化溫度450～850 ℃區(qū)段停留的時(shí)間，減少敏化溫度對焊接接頭性能的影響。坡口加工完畢后對外觀進(jìn)行檢查，表面不得有裂紋、分層等缺陷，并對其表面進(jìn)行100%滲透檢測，執(zhí)行NB/T 47013.5，Ⅰ級(jí)合格，如有缺陷應(yīng)及時(shí)清除。

圖1 坡口加工形式和尺寸

3.4 焊接工藝參數(shù)選擇

焊接前應(yīng)將坡口表面及兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)的水、鐵銹、油污、積渣及滲透劑等有害雜質(zhì)清理干凈。管道的根層焊道焊接采用鎢極氣體保護(hù)焊，焊縫背面采取充氬氣保護(hù)措施，本次焊接采用局部充氬方法(見圖2)。充氬氣開始時(shí)宜采用較大的流量，確保管內(nèi)空氣完全排除后方可施焊，焊接時(shí)背面保護(hù)用的氬氣流量應(yīng)適當(dāng)降低，避免出現(xiàn)凹坑。

圖2 管道焊接局部充氬示意

焊接時(shí)宜選用較小線能量，減少焊接熱輸入量，焊接速度盡量加快，以縮短熔池高溫停留時(shí)間，并嚴(yán)格控制層間溫度。焊接過程中需要充分考慮焊接的層次，減少每層、道焊縫中的溶解金屬,降低熱輸入,減少其在敏化溫度區(qū)間停留的時(shí)間。選用焊接的層次為：GTAW焊接1層，SMAW焊接2～n層。由腐蝕原理分析可以看出，提高焊縫的冷卻速度，降低焊接熔池的熱輸入，是選擇焊接工藝參數(shù)的原則。選取的焊接工藝參數(shù)見表5所示。

表5 TP347焊接工藝參數(shù)

4 現(xiàn)場焊接及熱處理的控制

4.1 焊接過程控制

打底焊從兩定位焊縫的中間位置起焊，背面充氬保護(hù)，氬氣純度不得低于99.99%，采用小擺動(dòng)操作，確保兩側(cè)熔合良好，背面成型高度保證在1～2 mm。手工電弧焊填充及蓋面焊道采用多層多道焊，小擺動(dòng)或不擺動(dòng)操作，層間清理要徹底，各層、道之間接頭應(yīng)相互錯(cuò)開。焊接收弧時(shí)要慢，弧坑要填滿，防止弧坑裂紋。為防止熱裂紋，要嚴(yán)格控制好層間溫度。氬弧焊打底后，待焊道冷卻后進(jìn)行手工電弧焊接，焊接時(shí)，焊道分多層、多道進(jìn)行焊接，焊完一層后要間隔幾分鐘，待焊道冷卻后進(jìn)行下一層焊接，嚴(yán)格控制層間溫度在100 ℃以下。

4.2 焊縫外觀檢查及無損檢測

焊縫表面不得有裂紋、氣孔、夾渣、凹陷、咬邊、未熔合等缺陷，焊縫邊緣應(yīng)該圓滑過渡到母材，余高不得大于2 mm，焊縫表面不允許有深度大于1 mm的尖銳凹槽，且不允許低于母材表面。

TP347材質(zhì)焊接時(shí)特別是在根部打底焊道以及弧坑處最易產(chǎn)生熱裂紋，因此，對根部打底焊道表面要進(jìn)行100%無遺漏的滲透檢測，執(zhí)行NB/T 47013.5，Ⅰ級(jí)合格。為了提高焊接質(zhì)量和減少焊縫返修量，分2次做射線檢測，在焊縫填充至16～18 mm時(shí)做第一次射線檢測，結(jié)果合格接著焊接至蓋面完成，然后再做第二次檢測。如有缺陷，采用砂輪機(jī)打磨方式消除，做表面檢測合格后按原工藝重新焊接。所有無損檢測檢查方法見表6所示。

表6 無損檢測方法

4.3 熱處理工藝控制

有再熱裂紋傾向的耐熱不銹鋼焊后需做穩(wěn)定化熱處理，目的是消除晶間貧鉻層，避免晶間出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕。含鈦或鈮的奧氏體不銹鋼在經(jīng)過穩(wěn)定化處理時(shí)可在Cr23C6形成前優(yōu)先形成鈦或鈮的碳化物，即使再經(jīng)過易析出Cr23C6的敏化溫度區(qū)間(450～850 ℃)時(shí)也不會(huì)沿晶界大量析出Cr23C6，從而提高材料的抗晶間腐蝕能力，降低晶間腐蝕的可能性。TP347在焊后熱處理前應(yīng)清理表面至露出金屬光澤。

焊后熱處理采用電加熱法，加熱過程中溫度分布均勻，并能準(zhǔn)確地控制熱處理溫度。在焊縫區(qū)域上、下、左、右設(shè)置4個(gè)測溫點(diǎn)，采用熱電偶測溫，恒溫時(shí)加熱區(qū)內(nèi)溫差不應(yīng)大于65 K。熱處理后對焊縫表面進(jìn)行100%滲透檢測，執(zhí)行NB/T 47013.5，Ⅰ級(jí)合格。

5 結(jié)語

經(jīng)過精心策劃，嚴(yán)格管控質(zhì)量，在深刻分析TP347焊接特性基礎(chǔ)上，制定合理的焊接工藝及熱處理工藝，成功地克服了TP347易出現(xiàn)的焊接缺陷，并在工程中調(diào)整優(yōu)化，最終獲得了優(yōu)良的焊接質(zhì)量。