TP321焊接過程控制

王俊（中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京 100011）

TP321焊接過程控制

王俊（中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京 100011）

實踐中TP321不銹鋼得到廣泛的應用，通過研究它焊接過程中的缺陷與化學成分的關系，特別對新型裝置爐管和高壓管線的焊接，結(jié)合實際制定出合理的工藝和施工工序，在生產(chǎn)中取得良好的效果，突出顯示TP321焊接過程控制的重要性。

TP321不銹鋼;焊接;工藝;鐵素體;熱處理

在近幾年石油化工裝置及煤化工裝置的建設當中，多次遇到過用TP321不銹鋼作爐管和高壓管線的情況。作為一名技術管理人員，通過多次對該材質(zhì)的接觸、總結(jié)，對于焊接TP321不銹鋼在焊接材料、焊接工藝和過程控制方面有了一定的了解。

TP321(06Cr18Ni11Ti)屬奧氏體型高合金耐熱鋼，具有與奧氏體不銹鋼基本相同的焊接特性，可焊性較好，在焊接過程當中容易產(chǎn)生熱裂紋，比低合金耐熱鋼焊接性能要好。

奧氏體不銹鋼導熱系數(shù)小而線膨脹系數(shù)大，自由狀態(tài)下焊接時易產(chǎn)生較大的焊接變形，所以焊接時應采用小線能量焊接，盡量保持電弧電壓穩(wěn)定，并采用快速焊、短電弧、不擺動操作的方法。

而熱裂紋產(chǎn)生的原因也有很多，其中比較典型的就是液化裂紋。奧氏體不銹鋼中對鐵素體含量的要求是有一定限制的，主要是從它抗腐蝕性上分析的。所以要求焊接人員在焊接的過程中能夠準確的把握焊接的熱輸入、焊接速度以及層間溫度等等。TP321不銹鋼管焊接的質(zhì)量與焊后熱處理有著密切的關系，熱處理的冷卻速度控制是關鍵。

1 TP321簡介

TP321屬于ASTM標準奧氏體不銹鋼,對應我國的國家標準GB∕T20878-2007中的06Cr18Ni11Ti材質(zhì)。

2 材料冶金和它的力學性能的分析

2.1 TP321不銹鋼的化學成分

TP321不銹鋼的化學成分如下表1

表1 TP321不銹鋼的化學成分及含量/%

2.2 TP321化學成分與其特性

從上表中我們看出合金元素中Cr和Ni占有相當大的比例，而鉻是一種強碳化物形成元素，由于它的存在可以明顯的提高不銹鋼的高溫強度和耐腐蝕性。鎳元素在奧氏體不銹鋼中擴大奧氏體區(qū)，提高基體金屬的抗腐蝕性，但是它也有不利的一面，即增大了熱裂的傾向。由表1中可以看出碳的含量較低，那是因為含碳量越高，它的焊接性就越差。另一方面，碳容易與不銹鋼中的Cr形成（CrFe）23C的碳化物在晶界處析出，降低了基體金屬的電極電位，使TP321不銹鋼的抗腐蝕性大大的降低。Mn和Si的加入都能增強它的抗裂性，Mn與不銹鋼中的S結(jié)合形成高熔點的硫化物，降低了S的有害作用；Si有利于鐵素體的產(chǎn)生，提高抗裂性。但是無論哪一種元素的加入作用不可能是單一的，這要求焊縫中各元素的量的比例控制比較嚴格。

只有焊接接頭的組織均勻才有好的力學性能，焊接接頭區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)它們的成分和組織就決定了該焊接接頭力學性能的好與壞。我們焊工在焊接過程中一定要掌握好焊接參數(shù)，不能出現(xiàn)波動較大。

焊接接頭（包括角焊接接頭）焊接采用GTAW∕SMAW。當管道壁厚大于或等于14mm時，采用多層多道焊，管道壁厚小于14mm時采用多層單道焊。底層焊接接頭焊接完后進行PT檢測，合格后，方可進行下一層焊接。

3 焊接工藝措施

3.1 焊材的選擇

3.1.1 采用TP321的管道一般壁厚和壓力都比較大，常規(guī)的焊接方法是采用氬弧焊打底（管道內(nèi)充氬保護），焊條填充、蓋面的方法，但現(xiàn)在TP321材質(zhì)焊接常選用自保焊絲打底，電焊條電弧焊進行填充、蓋面的方法，免去了充氬保護，可節(jié)約成本和時間，同樣保證了焊接質(zhì)量。

焊絲選擇：TGF347自保焊絲；焊條選擇：A137

表2 TP321焊材的化學成分及含量/%

3.1.2 采用北京金威焊材廠產(chǎn)的焊材，焊材質(zhì)量好，性價比較高；

3.1.3 焊材到貨后檢查包裝，超過生產(chǎn)日期1年不得使用，有開封痕跡的不得使用；

3.1.4 為保證焊材質(zhì)量，焊材到貨后先自檢進行復驗，復驗合格后方可用于TP321材質(zhì)管道的焊接。

3.2 焊接方法的選擇

3.2.1 首先選用自保焊絲打底，再用焊條電弧焊進行填充和蓋面。

TGF347自保焊絲用于TP321不銹鋼焊接時，采用鎢極氬弧打底，該焊絲有效解決了常見不銹鋼焊接時背面易被氧化的難題。這是由于焊絲上有一種特殊的涂層，當我們進行施焊時，保護藥皮會滲透到熔池背面，形成一層致密的保護層，使背面不受氧化，背部基本見不到很厚的藥皮，清潔度高。一般冷卻后這層渣殼會自動脫落，即使偶爾殘留少量的藥皮，我們在清理的時候也很方便，用壓縮空氣或潔凈水沖洗的方式極易清除。這種焊絲的使用方法與普通TIG焊絲完全相同，涂層不會影響正面的電弧形態(tài)和熔池形狀。而且容器或管道內(nèi)部不用充氬保護，給現(xiàn)場操作者帶來了很大的方便。使用TGF347自保焊絲焊接TP321不銹鋼時，焊接接頭成型好，易于手工操作，不易出氣孔，焊接接頭質(zhì)量容易保證。

3.2.2 TGF347自保焊絲主要特點

（1）背面藥皮剝脫性好；

（2）易于操作，可全位置焊接；

（3）焊接質(zhì)量優(yōu)良；

（4）化學成分穩(wěn)定，焊接后接頭處耐腐蝕性強。

3.2.3 A137焊條施焊時注意事項

A137焊條焊接TP321不銹鋼時焊接性能好，具有優(yōu)良的抗晶間腐蝕性能，能進行全位置焊接。一般的不銹鋼抗晶間腐蝕的能力不是很強，這就要求我們焊接時要注意幾個方面的問題：

（1）焊條在焊接前必須經(jīng)250℃左右烘焙1小時；

（2）焊接前焊件必須將焊口附近區(qū)域的油污、水分等雜質(zhì)清除干凈；

（3）焊接使用直流反接，小電流焊接。

3.2.4 兩種焊接方式對比

在不考慮熱處理、射線檢測等因素的制約，采用充氬和免充氬兩種不同的焊接方法進行焊接，同一焊工每焊接10道標準口（114×6）成本對比，對比分析數(shù)據(jù)見下表3.

表3 TP321不銹鋼不同焊接方法對比表

TP321奧氏體不銹鋼采用TGF347+A137進行焊接與傳統(tǒng)的背面充氬保護施焊，通過以上各項數(shù)據(jù)對比分析，可知，采用自保護焊絲進行焊接有如下優(yōu)勢：

（1）大大降低了焊接成本；

通過統(tǒng)計自保焊絲焊接比充氬保護焊接成本節(jié)省1∕5。

（2）縮短了工期；

尤其是加熱爐安裝時，一臺加熱爐有TP321爐管約1500道標準口，合計下來可以縮短工期約82天。

（3）提高了焊接施工效率；

（4）焊接質(zhì)量好而且穩(wěn)定。

在大型裝置建設中，其成本節(jié)約是一個很大的數(shù)字，而且在面臨業(yè)主壓縮工期的情況下，能有效縮短工期，所以TP321不銹鋼焊接采用免充氬焊接是諸多施工單位的首選。

3.3 焊接工藝參數(shù)的選擇

根據(jù)資料對TP321奧氏體不銹鋼焊接性分析，制定合理的焊接工藝參數(shù)。焊接工藝參數(shù)見表4

表4 焊接工藝參數(shù)

3.4 焊接要點

為保證焊接質(zhì)量和使用性能，焊接過程中，在保證焊透及熔合良好的條件下，采用以下方法：

3.4.1 焊接采用小線能量、多層多道焊的焊接工藝，并采用短電弧、快速焊、窄道焊、不擺動的操作方法，盡量保持電弧電壓的穩(wěn)定。

3.4.2 每層熔敷金屬的寬度不得超過焊條直徑的2.5倍。

3.4.3 嚴格控制層間溫度在100℃以下，使焊接接頭溫度在450～850℃的時間盡量的短，為的是避免在敏化區(qū)域停留，降低脆性，層間溫度的測量采用紅外線溫度儀，為保證層間溫度，每一層焊接完，可用濕布搭在焊接接頭兩側(cè)，或者架設電風扇對焊道直接進行吹風冷卻。化工裝置預制階段可以采用批量打底、填充、蓋面，有效解決層間溫度控制難題，比如：第1日進行打底施工；第2日全部進行第一道填充；第3日進行第2遍填充施工；第4日進行蓋面，這樣每一道工序間隔時間長，層間溫度都能完全滿足設計及規(guī)范要求。

3.4.4 鐵素體的含量和冷卻速度關系很大，如果鐵素體含量要求較嚴格的情況下，可用水澆在焊道上，以加快冷卻速度。

3.4.5 注意引弧和收弧處的質(zhì)量，弧坑要填滿，多層焊的接頭要錯開并注意層間清理。

3.4.6 焊工所使用的刨錘、鋼絲刷應用不銹鋼制成，打磨坡口及焊接接頭用膠質(zhì)尼龍砂輪片應專用，嚴禁與其他材質(zhì)管道打磨砂輪片混用。

3.4.7 焊前應在坡口兩側(cè)100mm范圍內(nèi)涂以白堊粉，以防飛濺物沾污焊材表面。

4 TP321管道焊接流程

4.1 焊接工序

為提高TP321管道焊接的施工效率，結(jié)合現(xiàn)場施工實際情況，總結(jié)出TP321管道施工的工序如下：

TGF347焊絲打底——PT檢測熱裂紋——A 137焊條填充（填充的次數(shù)視管道公稱直徑和壁厚而定）——PT檢測熱裂紋——A137焊條蓋面——鐵素體檢測——RT檢測——穩(wěn)定化熱處理——20%RT復檢。

TP321材質(zhì)管道焊接需檢驗的工序比較多，任何道工序的檢測不合格，需按照以前的工序要求再重新進行返修，以后的工序也無法進行，施工效率將大幅度降低。

4.2 焊接過程中重要檢測

焊接接頭打底后和填充后分別做PT檢測，及時發(fā)現(xiàn)焊接過程中的熱裂紋，對于有熱裂紋部位及時處理，避免RT檢測時檢測出現(xiàn)裂紋，還需要重復返修。焊接接頭蓋面后，先做鐵素體含量測試，鐵素體含量在6～8之間為合格，方可進行熱處理的操作。因為鐵素體含量太多,晶格間應力增大；鐵素體含量太少，不耐晶間腐蝕，所以焊接完的焊接接頭一定要及時檢測鐵素體含量，保證焊接接頭的使用性能。

圖1：PT檢測圖

4.3 TP321管道穩(wěn)定化熱處理

穩(wěn)定化熱處理是熱處理工藝中加熱溫度比較高的一種熱處理方法，熱處理結(jié)果的好壞將直接影響這道焊接接頭的質(zhì)量，因此掌握TP321的熱處理工藝是至關重要的。

4.3.1 熱處理工序

（1）熱處理過程：電腦設定熱處理工藝參數(shù)→焊接接頭上纏繞電

加熱帶→插入熱電偶→保溫氈保溫→開機→自動輸出熱處理曲線。

（2）焊道加熱范圍：以焊口中心線為基礎，每側(cè)不小于60mm，加熱區(qū)以外100范圍內(nèi)予以保溫，保溫厚度不小于40mm。

（3）熱處理采用陶瓷加熱片（加熱繩）電加熱法，測溫采用熱電偶，測點溫度應在加熱區(qū)，熱電偶用不銹鋼鐵絲固定在熱影響區(qū)內(nèi)，采用自動記錄儀記錄熱處理曲線。每處焊接接頭的熱電偶布置位置及數(shù)量見表5

表5 焊后熱處理測溫點數(shù)量及安裝位置

（4）在熱處理自動曲線上應標注熱處理操作時間、操作人、焊接接頭編號及管線號。技術人員確認熱處理曲線記錄并填發(fā)熱處理報告。

（5）為檢驗熱處理質(zhì)量，熱處理完的焊口表面目測檢查有沒有裂紋。

（6）熱處理前應將管道兩端的管口封閉，以防管內(nèi)氣體流動。

（7）熱處理過程中應準確控制加熱速率、恒溫時間應符合規(guī)范的規(guī)定，且使焊件溫度分布均勻。

（8）恒溫時間達到要求后，應立即拆掉保溫層，強制空冷。

（9）測溫采用熱電偶，并用自動記錄儀記錄熱處理曲線。當發(fā)現(xiàn)溫度異常波動時，應及時處理，保證溫度升降平穩(wěn)。當意外發(fā)生斷電時，需重新進行熱處理，保證熱處理效果。

（10）熱處理溫度的選定

熱處理溫度選擇按照下表6進行選擇。

表6 熱處理溫度表

4.3.2 穩(wěn)定化熱處理曲線

圖2：穩(wěn)定化熱處理曲線圖

隨著近幾年石油化工裝置及煤制油化工裝置的建設發(fā)展，TP321材質(zhì)不銹鋼管道作為加熱爐爐管、高壓管道等核心部位，其焊接接頭熱處理受到越來越多的關注。在一些大型化工裝置建設過程中，開車運行過程中焊接接頭出現(xiàn)了裂紋，造成了裝置停車或安全事故，也給建設單位、施工單位造成嚴重的經(jīng)濟損失，因此在TP321不銹鋼焊接過程控制中要嚴格把關，精細管理。

5 結(jié)語

通過實踐，在一系列的施工裝置中TP321不銹鋼的焊接采用TGF347打底+A137填充、蓋面，并采用以上工序進行施工，我們對其合格率進行了統(tǒng)計，結(jié)果顯示焊接一次合格率均在98%以上。與鉻鉬鋼以及其它的不銹鋼進行了比較，發(fā)現(xiàn)TP321焊接過程控制的要點有以下幾點：

ⅠTGF347打底，注意背面成型；

Ⅱ填充過程中的PT檢查要仔細；

Ⅲ鐵素體含量檢測嚴格按照設計或規(guī)范要求進行；

Ⅳ熱處理完的焊口、并且已經(jīng)進行RT檢測的焊口進行20%RT復測，一定要嚴格執(zhí)行，也是對熱處理效果的檢測。

[1]GB 50235-2010《工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》[S].

[2]SH∕T3523-2009《石油化工鉻鎳不銹鋼、鐵鎳合金和鎳合金焊接規(guī)程》[S].

[3]SH3501-2011《石油化工有毒、可燃介質(zhì)鋼制管道工程施工及驗收規(guī)范》[S].

[4]SH∕T3554-2013《石油化工鋼制管道焊接熱處理規(guī)范》[S].

[5]中國機械工程學會焊接學會焊接手冊-材料的焊接[M].第二版北京：機械工業(yè)出版社，2001.