TP347H不锈钢厚壁管道的焊接

材料与焊接 石油化工设备技 术，201 1。32(3) l7 PetrochemicalEqui pm entTechnology T P347H 不锈钢厚壁管道的焊接 丘 平 (中国石化工程建设 公司，北京100101) 摘要：论 述 了T P347H 不锈钢厚壁管道 的焊接技 术要求主要 包括 TP34 7H 的化学成分、焊接性能、 焊接方 法和焊 材 选用、热处理制 度的 确 定 以及焊接工艺参数 、焊接要求、焊后热处理和焊缝 返修等内容。 关键词：T P34 7H不锈钢厚壁管道焊接 与常用 18 8型300系列奥氏体不锈钢相比， T P347H 是 一 种含铌稳定化元素的铬镍奥 氏体不 锈钢，具有较好的耐高温 、抗 晶间腐蚀和抗连 多硫 酸应 力腐蚀性能，同时具有 良好的机械 加工和焊 接性能，在石油化工装置中越来越得到广泛应 用。 lT P 347H钢管的化学成 分 奥氏体不锈钢被加热至 4 50 850 “C 时，晶界 处 的铬和碳生成碳 化 铬从 固溶体中析出，引起碳 化铬附近的晶界区贫铬 ，在适合的腐蚀介质 中，形 成 “ 碳化铬(阴极) 一 贫铬区(阳极) ” 电池 ，从而发 生晶间腐蚀。从金 属 材料选用来 看，防止奥氏体 不锈钢发生晶 间腐蚀 的措施 是降低碳 含量 ，使只 有微量的碳化铬析出而 不引起 晶界贫 铬(即选用 超低碳不锈钢)或 者在 奥氏体不锈 钢 中加入与碳 元素亲合力更强 的钛 或铌元素(即选用含稳定化 元素的奥氏体不锈钢)。其中，TP34 7H不锈钢所 加人铌 的含量比碳化铌 NbC(NbC 一 8)化 学式 计算值略高，A S MES A3 12sA3 12M 标准规定的 T P347H 钢管的化学成 分见表 1 。 表1 T P 34 7H钢管的化学成 分 2T P 34 7H钢管的焊接性 能 T P347H不锈钢管道采用固溶加稳定 化热处 理状 态交货，具有良好 的焊接性，但其又具备奥氏 体不锈钢所特有的物理性 能 ，即导热 系数小、熔点 低、线膨胀系数大 ，因此，管道 焊接时，焊缝金属高 温停留时 间长 易形成 粗大的铸态组织 ，以及产生 较大的残余应 力和变形 ，在 焊 接工艺和焊 接 材料 选 择不合适 时，可能会 出现晶间腐蚀 、热裂纹和应 力腐蚀等缺 陷。 21 晶间腐蚀 T P347H 不锈钢 厚 壁管道焊 接 采用多层焊 时，会造成焊缝的前层焊缝和焊缝两侧的热影响 区温度达到敏化温度区域，在 晶界上析出碳化铬， 形成 贫铬区，若此区域恰 好暴露 在 焊缝 表面并与 适合的腐蚀介质接 触，则 会 产生晶间腐蚀。控 制 晶间腐蚀的关键 是 防止晶粒 表面区域的敏化 ，当 加热温度高于850 时，晶内的铬会向晶间扩散， 使晶界的贫铬区得以恢 复或者选择添加铌稳定元 素的低碳不锈 钢焊条焊丝 ，并通 过合理的焊接工 艺，减少危险温度范围停留的时间 ，以防止出现晶 间腐蚀的缺陷。 管道焊 接 热影响区除了 可能出现晶 间腐蚀 外，在其焊接 接头 的过 热区内，加 热温度 大于 1 200的部 位，碳 化铌会 固溶于7相 晶粒内，冷 却 时有部分固溶的碳原子扩散并偏聚于 7相 晶界 处，在随后多层焊时 ，7相晶界偏聚 的碳原子浓 度 会增大 ，并在7相 晶界发生碳 化铬沉淀，在适合的 收稿日期：2010 08 17。 作者简介：丘平，男，198 8年毕业于抚顺 石油学院石 油加工 工程专业，获工学学士学位，现在 中国 石化工程建设公司从 事配管设计和技 术 管理工作 。已发表论 文多篇，教 授级高级 工程师。 Emailqiupingseico rncr l 石油化 工设备技术 201 1年 腐蚀介质作用下 ，将从表面 开始产生晶间腐蚀，直 至形成刀状腐蚀 的破坏。对此采取控制接头焊接 顺序，避免采用交叉焊缝等措施 ，来降低焊接接头 的刀蚀。 22 热裂纹 34 7H 不锈钢的线膨胀系数大、导热系数小， 焊接时会延长焊缝 金 属 在高温区域的停留时 间 ， 增 大焊缝 金属在高温时经受的拉伸应变 ，此外不 锈钢 焊缝 结 晶时 ，液相线与固相线之间 的距离大， 凝固过程的温度范围大，使低熔点杂质偏析严重 ， 且在 晶界 聚集，以及焊缝的柱 状 晶间易存在低 熔 点的夹层薄膜 ，在 凝固结晶后期以液态膜形式存 在于奥氏体柱状 晶粒之 间 ，在 一 定的拉应 力作用 下起 裂、扩 展形成晶问开裂。对此，采取控制焊缝 的化学成分 ，减少硫、磷等杂质元素在 晶问形成低 熔点共 晶，以及减少焊 接 时形成较 大的内应力等 措施，防止出现热裂纹的缺陷。 23 应 力腐蚀 造成 管道焊接接头 应力腐蚀开裂与焊接有关 的主要 原因是焊接残余应力和焊缝 金 属组织 ， 一 方面由于34 7H不锈钢 的线膨胀 系数 大、导 热系 数小，焊接时产生较大的应力；另 一 方面焊接接头 过热 ，形成粗大 的奥氏体组织，降低抗裂性能，此 外接头处碳化铬的析出 ，也会促成应力腐蚀开裂。 对此 ，采取控制焊缝的化学成分、减少或消除焊接 残余应 力、改 变 焊件 外形和 选 用合理的焊 接工艺 等措施，防止出现应力腐蚀的缺陷。 3 焊接 方 法和焊材选用 112 熔 化焊接 方法均可 用于 T P34 7H不锈 钢 管 道 的焊接 ，在工程中最常用 的是焊缝底层焊道 采 用钨极氩弧焊，其余焊道采用手工电弧焊完成。 钨极氩弧焊用于 全位置焊 接 ，使用纯度不低于 9996的氩 气保护，无氧化性，焊丝熔 化后成分 基本不发生变化，合金过渡系数高 。焊缝成分易控 制，且钨极氩弧焊的焊 接线能量 小 ，焊缝强度、塑 性和韧性好，易 满足使用性 能要求 ，但TP 347H 厚壁管道若焊口全部 采用钨极氩弧焊 ，可能不经 济。手工电弧焊热影响区小 ，易于保证焊接质量， 适用各种焊接位置与不同壁 厚管道焊接，但其合 金 过渡 系数 低，焊接时 易夹渣 ，更 换 焊条焊 接 中 断时 ，易 引起焊接工艺参数的波动，从而影响焊接 质量。 焊接材料 是焊接过程中的各种填充金 属及为 了提高焊接质量而附加的保护物质，包括焊丝 、焊 条、焊 剂和保护气体 等，对焊缝金属的成分、组织 和性 能起着至关重 要 的作用。焊接材料应确保熔 敷金属有与母材 相近的成 分，并 考 虑熔 敷焊缝 的 金相组织。 T P347H 厚壁管道钨极氩弧焊选 用 HOCr20N 订0Nb焊丝，手工电弧焊 选 用钛 钙型 A132或低氢型A137焊 条，其 中A132焊 条采用 直流反接进行焊接，其熔渣流 动性 好 ，电弧稳 定， 飞溅少，脱渣方便，焊缝 表面质量 好 ，焊接工艺性 能优于 A137焊条，但采用A137焊条，焊缝 具 有 良好 的抗裂 性和综合力学性 能。 HOCr20Nil 0Nb 焊丝 、A1 32和A137焊条化学成分见表2，A 1 32 和A 137焊条性能要求见表3 。 表2焊接 材料 熔敷金 属的化学成分 表3熔敷 金 属 的 力学性能 A 13 2 A137 E347 16 E34 7 15 按照G B 43345 验收合格 按 照GB 1954 4 8 4 热处理制度 的确 定 41 固溶处理 固溶处理是通 过加热使含铬的碳化 物充分溶 人奥氏体内，然后快速冷却抑制碳 化铬的析出获 得单相奥氏体组织，目的是使钢具有优良的耐 蚀 性。固溶处理温度低于1000，碳 化 铬溶 解不 足，基体含铬量偏低，将导致钢的耐蚀 性下降，而 固溶处理温度高于1150，6铁素体量增 多，晶 第32卷第 3期 丘平 TP347H 不锈钢厚壁管道 的焊接 粒易粗大，碳化 铌 大量溶人奥氏体而失去铌元 素 固定碳 的作用 ，在使用过程中，碳化铬易沿晶界析 出而导致 晶间腐蚀抗力的下降。 TP34 7H 固溶处 理温度 一 般要求高于碳化铬溶解温度低于碳化铌 的溶解温度。 通 过 选择三个热处理温度l060 、l 100 和 1 130，分别对 西35642 8mm 的T P34 7H 钢管试样(其化学 成分见表 1)进 行固溶处理 ，其 室温力学性能检测结果见表 4 。 表4管 道 试 样 室 温力学 性 能 1060570 1100573 1 1305 60 286 283 274 5 1 5 5 50 以 上性能 试验 结果表明，固溶处理温度在 1050 l150范围内对试样的室 温力学性能影 响不大 ，所以TP34 7H不锈钢厚壁管道 的 固溶处 理温度可在该温度段内任意选择。 42 稳定化处理 T P34 7H 管道经过 固溶处理后组织均匀，没 有碳化物相，具有良好的耐腐蚀性能，但经过焊接 加热后，过饱和的碳从 晶内析出向晶界偏聚，并 与 铬结合生成碳化铬，发生敏化，同时 由于管道 的施 工现场焊后热处理 一 般 采用 局部加 热 ，难以达到 固溶处理条件，且管 道 进 行 急 冷将 会产 生残余应 力，所以T P347H管道 焊后常采用稳定 化处理， 即将管道加 热至870 900，并进行适当的保 温 ，使过剩 碳 充分与稳 定化元素结合，然后在空 气中冷却，从而消 除焊接残余应 力 ，改善焊 接接 头组织 ，有效提高T P34 7H的抗 敏 化 态 晶 间腐蚀 能力。 通过 对已经固溶处理的西356x428mm的 T P 347H 钢管试样(其化 学 成分见表 1)再 进行 稳 定化处理，稳定 化处 理工艺条件为 870保温 2h，试样稳定化处理前 、后力 学性能检 测的结果 见表5。 表5管道试 样稳定化处理前、后的力学性 能 室 温 500 600 560 365 336 29 3 206 187 288 179 174 47 38 3l 以上性能试 验结果表 明，试样经稳 定化热处 理后，强度指标有所 下降，尤其是屈 服强度 ，但塑 性指标有所上升。 5焊 接工艺 51焊前准备 (1)坡口加工 焊接坡口形式及尺寸的选择应易于保证焊接 质量、填 充金属量少 、熔合比小和便于操作， TP 347H不锈 钢厚壁 管道对接常 采用V Y型坡 口、带钝 边U型坡口和窄间隙U型坡口等形 式 “ 。 T P34 7H不锈钢厚壁管道应采用机械方 法切 割和进行坡口加工 ，若采用等离子切割，切割后需 除去影响焊接质量的表面层 。坡口加工后应进行 外观检查 和 】00渗透检测，其表面 不得 有裂纹 、 分层等缺陷 。 (2)焊口组对 组对前 应 清 除坡口及其母材两侧内外表面 20mm 范 围内 的污物 ，不允许有 油污、锈蚀及其 他影响焊缝质量的杂质存在，对管道内部的清洁 度进行检查。焊口组对 时应避免强行组对，必要 时可 通过修磨 管端坡口的钝边来达到对口要求 ， 使内外错边分布均 匀 ，错边 量控 制 在管道 壁厚的 10之内，且不大于05mm 。 组对后 的定 位 焊应采用 对称点焊，其焊 接工 艺与正式 焊接工艺 相同。公称 直径小于 D N250 的管道采用坡口内点固，至少对称点焊3个点 ，定 位焊缝长度不小于 1 5mm ；公称直径等于或 大于 DN250的管道采用圆钢棒定 位焊，圆钢棒材质为 34 7型 不锈钢 ，圆钢棒沿焊件坡口周向等分点固， 等分点不得少 于 3个。 对于壁 厚小于 60mm的 管道 ，圆钢棒点焊在坡口边缘，两侧定位焊缝长度 石油化工设备技术 应保证焊缝 在正式焊 接过 程中不出现 开裂 ，为方 便拆 除钢棒，点焊时宜使钢棒过半露 出坡口外；对 于壁厚等于或大于60 mm 管道 ，圆钢棒点焊在坡 口内，利于测定 各层焊缝间 的横向收缩 量和管段 的挠曲变形 ，对焊接变形 进行监控。 定 位焊后需及时清理管内的焊渣或打磨的铁 屑，对焊口间隙、内错 边 量和焊缝等进 行检查 ，不 得有裂纹、气孔和夹渣等缺陷存在 ，熔入永久焊缝 内的定位焊缝两端应便于接弧 ，经检查合格后方 可进行组对焊 接。圆 钢棒在拆 除时应 用 砂 轮 磨 削，不得采用敲打、掰扭等方法。 52 焊接工艺参数 2 T P 34 7H不锈钢厚壁管道焊接应采用小线 能 量和多层焊，即采用小电流、快速焊、窄道焊 ，且严 格控制层间温度在 60以下，以减少晶 间腐蚀、 热裂纹和应力腐蚀等缺 陷。 VY 型坡口和带钝 边 u型坡口的管道打底采用钨极氩弧焊(GTAw)， 填充和盖面采用 手工电弧焊(S MAw)。 钨极氩 弧焊保护气 体采用纯度 99999 6的氩气，正面气 体流量为 15 20Lmin，背面气体流量 为10 15 Lrain。 钨极氩弧焊接和手工电弧焊接工艺参数 见表6。 表6 GT AW 、SM AW 焊 接管道工艺参数 HOCr20Ni l 0 Nb GTAW 或ER 34 7 S M AWA1 37 24 直流正接 80 11010 15 24 32 直流反接 85 12021 25 53 焊接要求 T P347H 不锈 钢厚壁管道 焊接关键在于采用 小线能量和较快的冷 却速度，减少焊接热影响区 和危险温度范围停留时间，防止焊 接 接 头出现碳 化物析出敏化、热裂纹和脆化等焊接缺陷。 控制焊接变形 和接头缺陷。焊接采用分层倒 退焊和对称焊的焊接顺序，并 在 焊 接过 程中注 意 观测其连接管道 的变 形情况，若变形 偏大则 应及 时调整焊接顺序，使焊接变 形控 制在 允许的范 围 之内，如采用双人分段倒退焊 与对称 焊相结合的 焊接顺序。同时管道焊接不能在坡口以外的地方 引弧 和收弧，确保 引弧与收弧处 的质量，弧坑应填 满，并用砂轮将收弧处修磨平整。 控 制焊缝 金 属 的化学成分和组织。减少焊缝 金属中N i、C、S和P等元素的含量，增加C r、Mo、 Si和Mn等元素的含量，并控 制 铬镍元素的比例 为2 2 23，使焊缝组织为奥氏体加铁素体的双 相组织，避免产生低熔点的有害杂质偏析，减少焊 接接头 热裂 纹的 产生。但铁 素体含量 应小于 5，否则会造成焊接接头脆化 。 钨极氩弧焊施 焊 时，焊丝前 端应置于保护气 体中，焊前严格清理杂 质，对于 T P 34 7H不锈 钢 厚壁管道应在焊缝背面 吹氩气加以保护 ，并促进 背面成形。 手工电弧焊 焊接 过程中焊条不作 横 向摆动， 焊道 的宽度不超过焊条直径 的4倍，短 弧焊 、收弧 慢。 T P347H 不锈 钢厚壁管道 应采用多层焊，每 层厚度不大于3 mm ，严格控制层间温度，每 一 焊 道完成后不仅要彻底 清除焊道表面的熔渣和周围 的飞溅 物 、防飞溅 涂料，以及消 除气孔、夹渣等 表 面缺陷，而且后焊道 要 在前焊道 冷却至 60以下 再施焊，尽量 避免 碳化物的析出和形成 粗 大的奥 氏体组织。 54 焊后热处理 奥氏体不锈钢 一 般不要求进 行 焊后热处理 ， 但为了改善 T P 347H不锈钢 厚壁管道 耐腐蚀性 能和消除焊接应 力，通常要求进行 焊后稳定 化热 处理 ，即在870 900u C保温 后空冷，其 加 热 范围 是以焊口中心为基准，每侧不应 小于焊缝宽度的 3倍，且不小于25mm 。 TP347H 不锈钢厚壁管道焊后热处理参数见 表7，表 中S为管壁厚度值。 表7焊后热 处理参数 S不大于50mm时：S 25 4 00以上时，不得 超 过5 oo o400以上时，不得超过6 500 S大于50mm 时：1+ S50S且 不大于220，不低于50S ，且不大于260，不低于50 第 3 2 卷第 3期 丘平TP 3 4 7 H不锈钢厚壁管道 的焊接 热处理 前应 将 管 道加 热 区表 面清 理 干净 ， 焊 后热处 理采用 电加热 法 ， 并采用 热 电偶 测温 ， 测温 点 不应 少于两 个 ， 确保 加 热 过 程 中加 热 温度 分 布 均 匀和准 确地控 制热 处理温 度 。 应 当 注 意 的是 TP 3 4 7 H 不 锈 钢 厚 壁 管 道 焊 缝 稳定化热 处 理 后 ， 焊缝 可能 出 现再 热 裂 纹 。在 热处 理过程 中， 可能 因奥 氏体 与 铁 素体 晶界 处碳 化铌 的析 出 ， 或者 在 铁 素体 基 体 上形 成 高 铌 的金 属化 合物而 脆化 ， 在应力 松弛 作用下 ， 局部 塑性 变 形能力 不能符 合 实 际变 形 量 ， 引 起焊 缝 金 属 沿铁 素体或 奥 氏体 与铁 素 体 晶 界开 裂 ， 使 焊缝 出现 纵 向裂纹 和横 向裂纹 。 5 5 焊 缝返修 T P 3 4 7 H 不锈 钢厚壁 管道 焊接后 应进行 焊 缝 外 观检查 ， 不允许 出现 咬边等 表面 凹陷 ， 表 面余 高 不 大于 0 1倍 的坡 口最 大 宽度 和 1 mm 之 和 ， 且 不应大于 2 mm； 其错边量 不大于 0 1 倍 的管子 壁厚 ， 且 不大 于 0 5 mm。 焊缝 表 面缺 陷超 过 相应 的质 量验 收 标 准 时 ， 对 气孔 、 夹 渣 、 焊瘤 、 余 高 过大 等 缺 陷应 采用 砂 轮 打磨方法 去除 ， 必要 时应进 行补焊 ； 对焊缝 尺 寸不 足 、 咬边 、 弧坑未 填满 等缺 陷应进行 补焊 。 管道 焊接 接 头 应 1 0 0 进 行 射 线 探 伤 ， 并 按 现行标 准进 行焊缝 缺 陷等级评 定 。为 了提 高焊接 质 量 和减 少 焊缝 返 工量 ， 壁 厚大 于 4 0 mm 的管道 焊 接需 要 进行 分 层 探伤 ， 如壁 厚 4 0 6 0 mm 的 管道 分 2层探伤 ， 壁厚 大于 6 0 mm 的管道 分 3 层 探 伤 。 焊缝 内部缺 陷超过 现行质 量验 收标准 时应进 行返修 ， 返修 前需 要将缺 陷清 除干净 ， 并采用 表面 探 伤检 验确认 。返 修焊缝 性能 和质量要 求应 与原 焊缝要 求相 同 ， 并 按原规定 的检 测方 法检查 合格 ， 同一部位返修不得超过两次。 6 结语 随着 石油化 工 装 置大 型 化 的发 展 ， 特 别 是越 来 越 多 的 各 种 类 型 高 压 加 氢 装 置 的 建 设 ， T P 3 4 7 H 型 不 锈 钢 厚 壁 管 道 得 到 日益 广 泛 的应 用 ， 其 焊接 质量 的优劣直 接涉 及管道 的安全 运行 ， 只有严 格执 行焊接 工艺 ， 进行全 过程控 制 ， 才 能取 得 良好 的焊 接效 果 。 参 考文 献 ： 1 S H T 3 5 2 3 1 9 9 9 石油 化工 铬镍奥 氏体 钢 、 铁镍 合金和镍合金管道焊接规程E s 2 邹增大 ， 李亚江 ， 孙俊生， 等焊接材料 、 工艺及设备 手册 M北京 ： 化学 工业 出版 社 ， 工 业装 备与 信息 工 程 出 版 中 心 ， 2 0 0 1 ( 上 接 第 l 6页 ) 现一 般 ， 考 虑到设 备工作 温度低 于 8 2 0 ， 所 以该 焊 材 完 全 可 满 足 使 用 需 要 。 镍 含 量 较 高 的 I n c o l o y 8 0 0 、 0 C r 2 5 Ni 2 0热导 率小 、 线膨胀 系数 大 ， 焊接 时容易产 生热