大口徑、厚壁A335Gr.P22管道焊接裂紋防治措施

古永安 姜慶新 靜衛民 牛緯濤

中國石油天然氣第七建設公司 山東青島 266300

A335 Gr.P22 相當于國內的牌號12Cr2Mo (公稱成分2.25Cr1Mo)鋼管，按金相組織劃分屬于珠光體耐熱鋼的一種。該材料有良好的高溫熱強性（持久強度和蠕變強度），廣泛應用于石油、化工和鍋爐等行業，輸送高溫高壓流體介質。

1 施工材料及焊接性分析

1.1 施工材料

施工中使用的管材由JFE Steel Corporation 提供，管材化學成分和力學性能實例（見表1、表2）：

表1 化學成分

表2 力學性能（室溫）

1.2 焊接性分析

A335 Gr.P22 由于加入了1.90%～2.60%Cr 和0.87%～1.13%Mo，導致材料焊接性較差。焊接性差主要表現為焊接時對冷裂紋和消除應力裂紋的敏感程度較高。有效地控制該兩種裂紋的產生，是保證焊接質量的重點。

1.2.1 冷裂紋

對于鋼材焊接冷裂紋敏感程度可從碳當量CE 和冷裂紋敏感系數Pcm 等方面進行間接分析。僅從化學成分上分析，依據國際焊接協會（IIW)推薦的碳當量計算公式：

結果顯示A335 Gr.P22 的碳當量CE＞0.5%，表明該材料有較強的淬硬性，焊接性較差。

A335 Gr.P22 焊接冷裂紋敏感系數(Pcm)計算如下：

結果顯示，A335 Gr.P22 焊接冷裂紋敏感系數為20# 鋼的2 倍還多，表明該材料對焊接冷裂紋敏感，在實際焊接過程中由于受拘束力的影響，將進一步加劇材料對焊接冷裂紋的敏感。

1.2.2 消除應力裂紋

對于碳含量＞0.1%的低合金鋼，根據合金元素對消除應力裂紋敏感性的影響，可采用消除應力裂紋敏感性指數（ΔG）法進行評定。依據A335 Gr.P22 的化學成分，ΔG 計算如下：

ΔG+Cr+3.3Mo+8.1V- 2+10C(其中元素符號表示該元素的質量分數）

結果顯示ΔG＞2，表示該材料對消除應力裂紋敏感。

2 原焊接工藝和焊接裂紋原因分析

2.1 原焊接工藝

焊接選用GTAW+SMAW 的焊接方法，焊材選用國產大西洋焊材H08Cr2Mo1+R407，焊材使用前按生產商推薦規范進行烘干；管道壁厚較大（38.1mm），選用V- Y 型坡口；焊前預熱180℃，焊后及時進行350℃的后熱處理，恒溫30min；為改善焊接接頭組織和力學性能，焊接過程中采用小幅度擺動焊條多層多道焊的焊接方式。施工過程中，由于厚壁管道RT 透照時間較長，為了提高RT 效率，施工過程中每道焊口初次焊接熔敷金屬厚度達10mm 時停止焊接進行后熱，24h 后進行首次RT，RT合格后按原焊接工藝填充、蓋面。焊接參數（見表3）。

2.2 焊接裂紋及裂紋產生原因分析

表3 A335 Gr.P22 焊接工藝參數

2.2.1 焊接裂紋

焊口初次焊接后RT 出現焊接裂紋（見圖1、圖2），兩種形式裂紋分別幾乎出現于整道焊口，且分布較均勻。

圖1 焊接裂紋（RT底片臨摹）

圖2 焊接裂紋（RT底片臨摹）

2.2.2 裂紋產生原因分析

綜合A335 Gr.P22 焊接性分析和現場施工過程，以下幾個方面共同導致了焊接裂紋的產生：

（1）A335 Gr.P22 碳當量高，大口徑厚壁管道拘束度大、散熱快。焊前預熱180℃溫度偏低，不能充分達到預熱目的；

（2）焊接時存在有害的溫度梯度。一方面，由于溫控柜只對管道外表面溫度進行監控，且達到預熱溫度后立即開始施焊，壁厚較大導致焊接時焊道外表面能夠達到預熱溫度而內表面溫度仍然較低（約80℃），從而在焊道的內外表面間產生了有害的溫度梯度。另一方面，加熱時間短，僅加熱范圍內達到預熱溫度，加熱范圍外的管道溫度較低，加熱范圍內和加熱范圍外的管道之間也產生了有害的溫度梯度；

（3）大口徑厚壁管道散熱快，僅靠焊接熱輸入不足以維持層間溫度；

（4）有害的溫度梯度，大口徑、厚壁管道拘束力大、管道、管件自重大，使焊接應力增大，且初次焊接約10mm 的熔敷金屬厚度較小，導致熔敷金屬強度不足產生裂紋；

（5）后熱時間較短，不能充分達到消氫的作用。

3 工藝調整措施

為了避免裂紋再次產生，施工過程中采取了以下措施：

(1) 預熱溫度提高至250℃；

(2) 達到預熱溫度后保溫30min，待內外表面均達到預熱溫度后方可開始焊接；

(3) 為保證層間溫度，焊接過程利用電加熱片對焊口兩側持續加熱，并利用溫控柜實時監控焊口兩側溫度；

(4) 焊接過程中利用紅外測溫儀隨時測量焊口兩側和內外表面的溫度，保證焊口兩側及內外表面溫度均勻，避免產生有害的溫度梯度；

(5) 多層多道焊時，焊接接頭錯開，焊接前仔細檢查接頭處質量，如發現裂紋及時打磨，將裂紋清除后方可施焊；

(6) 由一人一次焊接一道焊口，改為雙人對稱同時焊接一道焊口；

(7) 適當增加第一次焊接的熔敷金屬厚度，由10mm 增加至20mm；

(8) 對熱處理人員進行加強教育，提高熱處理人員認識，保證焊接完成后能夠及時進行后熱(或熱處理)；(9) 后熱時間由30min 延長至60min。

4 工藝調整后的效果及結論

通過采取以上9 點措施對焊接工藝進行調整后，在后續的施工過程中未再產生焊接裂紋，避免了焊接裂紋的再次產生，證明了以上幾點調整措施對預防A335 Gr.P22 焊接裂紋有顯著效果。