TP321厚壁臨氫管道焊接技術

何蘇華

(中化二建集團有限公司，山西 太原 030021)

引 言

在石油化工行業中，普通工藝分餾提煉的油品雜質較多，為保證產品的清潔、環保，煤焦油加氫系統應運而生。而在加氫系統中，氫和硫化氫的濃度較高，對傳送管道腐蝕性強，容易產生晶間腐蝕[1]。本技術依托晉昌源20萬t/a煤焦油加氫處理項目加氫裝置，其反應系統連接加熱爐、反應器、換熱器，進出口配管采用從國外進口的ASTM A312 TP321奧氏體不銹鋼，運行環境為高溫、高壓、臨氫狀態，總焊口數2128道，最高設計壓力18 MPa，最高設計溫度450 ℃，管徑最大為DN250，壁厚最大為28.58 mm。

1 理論分析

1.1 焊接缺陷分析

鑒于加氫裝置中，TP321工藝管道運行環境為高溫、高壓、臨氫狀態，氫和硫化氫的濃度較高，因此對焊接質量的管控尤為重要。TP321工藝管道焊接過程中容易出現的主要缺陷包括：焊縫及熱影響區熱裂紋敏感性大；晶間腐蝕；應力腐蝕開裂；焊縫接頭的σ相脆化。

1.1.1 焊接熱裂紋

1)產生原因

TP321鋼熱導率小、線膨脹系數大，在焊接局部加熱和冷卻的條件下，厚壁高壓臨氫管線焊接接頭部位的高溫停留時間較長，焊縫金屬及近焊縫在高溫承受較高的拉伸應力與拉伸應變。在焊接過程中，如果層間溫度過高，焊接電流過大，形成熱裂紋的傾向就更加明顯。

2)預防措施

①選擇合適的焊接材料，從而改善焊縫的組織結構；

②焊接時盡量減少熔池過熱，提高接頭的冷卻速度，以防止形成粗大柱狀組織。采用小的線能量，以降低焊接拉應力。

1.1.2 晶間腐蝕

1) 產生原因

TP321鋼焊接過程中在焊縫和靠熔合線的過熱區，當溫度達到450 ℃～850 ℃敏化溫度時，在晶界上析出碳化鉻(Cr23C6),造成晶界處鉻的含量達不到防腐蝕的最低值，產生貧鉻現象。在腐蝕環境下，就會出現晶界處開裂現象。

2) 預防措施

①采用低碳或超低碳的焊材，或采用含鈦、鈮等穩定化元素的焊材，使Ti、Nb與C形成穩定的TiC、NbC,而不形成Cr23C6,從而防止晶間腐蝕；

②選用較小的焊接電流和較快的焊接速度,加快冷卻速度以減少焊接熔池過熱，并焊后進行穩定化熱處理。

1.1.3 應力腐蝕開裂

1) 產生原因

在加氫裝置反應部分管線輸送的酸性多相系統，其富含大量的硫化氫，在這種腐蝕環境下焊接的殘余應力在受拉伸作用下就會產生延遲開裂現象，其金相特征是裂紋從表面開始向內擴展，表現為無塑性變形的脆性破壞。

2) 預防措施

①合理制定成形加工和組裝工藝，盡可能減小冷作變形度，避免強制組裝，防止組裝過程中造成各種傷痕(SCC裂源，易造成腐蝕坑)；

②采取合適的焊接工藝：保證焊縫成形良好，不產生任何應力集中或點蝕的缺陷，如,咬邊等；采取合理的焊接順序，降低焊接殘余應力水平；

③進行焊后穩定化熱處理。

1.1.4 焊縫接頭的σ相脆化

1) 產生原因

焊縫在經受一定時間的高溫(650 ℃～850 ℃)加熱后會在焊縫中析出一種脆性的σ相，導致整個焊縫接頭脆化，塑性和韌性顯著下降。在高溫加熱過程中，σ相主要由鐵素體轉變而成，加熱時間越長，析出越多。

2) 預防措施

①選擇合適的焊接材料限制焊縫金屬中的鐵素體含量(<12%)；

②減少焊縫金屬在高溫下的停留時間。

綜上所述，對缺陷進行原因分析，見表1。

表1 缺陷分析表

通過表1可以看出，TP321管道焊接缺陷的產生主要是由于：焊接材料使用不當；未制定合理的加工和組裝工藝；焊接工藝選用不合適；未進行穩定化熱處理。因此，對以上4點的分析管控是TP321厚壁臨氫管道焊接的關鍵所在。

1.2 焊材選用分析

1.2.1 焊條選用分析

焊接材料的選用根據焊件的化學成分、力學性能、使用條件和施焊條件進行分析。選用含有Nb穩定劑的A132(E347-16)焊條，其具有優良的機械性能和焊接工藝性能，可以有效預防焊縫接頭的σ相脆化，抗焊接熱裂紋和抗晶間腐蝕性能好。

1.2.2 焊絲選用分析

選用H08Cr19Ni10Ti(ER321)焊絲，其含有穩定化元素Ti,防止晶間析出碳化物，提高焊縫的抗晶間腐蝕能力，具有良好的力學性能。焊絲中含有Si元素，提高了焊接操作性及熔金流動性。

1.3 坡口形式與組對分析

1) TP321奧氏體不銹鋼所有坡口加工采用全自動坡口機(圖1)，根據現場實際尺寸控制管道下料數據，對于壁厚≤22 mm采用單V形坡口(見圖2)；對于壁厚>22 mm采用雙V形坡口(見圖3)。坡口加工完成后進行100%滲透檢測，確保無裂紋和分層。這種坡口形式，一方面，可以減少焊縫金屬的填充量，另一方面，也可以降低或消除焊接接頭的應力集中。

圖1 全自動坡口機坡口加工

圖2 壁厚≤22 mm坡口圖 圖3 壁厚>22 mm坡口圖

2) 為了防止焊接過程中的飛濺，組對前在坡口兩側各100 mm范圍內涂白堊粉或其他防粘污劑。TP321奧氏體不銹鋼組對時不能強力組對，保證焊縫兩端可以自由伸縮，利用自制移動式龍門吊(第67頁圖4)對較大口徑管道及管件(≥DN200)進行預拼裝，鋼絲繩與管材接觸面采用帆布隔離，防止直接接觸造成的滲碳及摩擦劃損。確保對接處不受或少受約束力，這樣有效地避免焊縫產生殘余應力的可能。

1.4 焊接工藝分析

針對T321管道焊接過程中容易出現的焊接缺陷問題，制定了如下焊接工藝措施。

圖4 移動式龍門吊

1) 焊接工藝參數(見表2)

表2 焊接工藝參數表

2) 采用數字弧焊電源，提高焊接電源的可靠性、可維護性、功能的多樣性、靈活性，能有效地控制焊接電流、電壓的輸入，焊接速度快，能有效地預防晶間腐蝕的產生；

3) 打底層采用鎢極惰性氣體氬弧焊(GTAW)工藝(見圖5),熱輸入線能量較小，焊接質量優良，此工藝熔池保護效果好，焊縫金屬致密。焊接過程中線能量控制在5 kJ/cm～12 kJ/cm，能有效地降低焊接拉應力，預防焊接熱裂紋的產生。此工藝焊接成形的焊縫，在生產中可以有效避免腐蝕介質在接頭部位的聚集，預防應力腐蝕開裂現象；

圖5 氬弧打底焊

4) 焊接時在保證焊透和熔合良好的前提下，在焊接工藝參數范圍內采用多層、多道、窄焊道焊接的氬電聯焊工藝，采用小熱輸入、短電弧、不擺動或小擺動的操作方法，有效地預防了晶間腐蝕現象。

5) 焊縫背面充氬，實行內保護，內保護措施采用管子整體充氬，并符合下列要求：

①管內充氬氣開始時流量適當加大，確認管內空氣完全排除后施焊。

②焊接時充氬氣流量逐步降低，避免充氬氣壓力較高而造成焊縫背面成形時出現內凹或根部未焊透現象，焊后延遲5 s～15 s停送氬氣，以保護尚未冷卻的鎢極和熔池。

③為了取得良好的保護效果，要控制氬氣流量在10 L/min～15 L/min，且氬氣純度達到99.99%。

④GTAW法焊接時，手工均勻送進焊絲, 以獲得平整而均勻的焊道，打底層用膠布反粘(見圖6)，防止附著在母材上的粘接劑污染焊縫。焊絲的加熱端始終在氬氣保護之下，為加強保護效果在焊嘴后側加一輔助輸送保護氣罩。斷弧后，要待焊接熔池冷卻后才能切斷氬氣保護。

⑤氬弧打底層焊接時，在管段兩端的坡口上用可熔性紙封堵，形成密封室，管道內部進行充氬保護，由于底層焊道較薄，焊接第2層時，焊縫背面也進行充氬保護。

⑥焊接用氬氣輸送管采用塑料軟管(見圖7)，不能用橡膠軟管或其他吸濕性材料的軟管。

圖6 坡口端面保護 圖7 充氬保護

6) 針對本工程TP321管道在高溫情況下熱裂紋傾向高且容易出現σ相脆化。因此，為提高焊接熔池的冷卻速度，用冷水、乙醇擦拭焊縫兩側，減少焊縫的高溫停留時間，加快焊縫冷卻速度。

7) 焊件多層焊時，層間溫度稍高于預熱溫度，且每層的焊接接頭錯開。除打底焊外，其余焊層采用多道焊，層內溫度控制在100 ℃～150 ℃，不低于預熱溫度，用手持紅外測溫儀進行測量控制。每一層每一道焊完后均用專用砂輪磨光機徹底清除焊道面的熔渣等附著物，并做著色檢查，消除各種表面缺陷。

8) TP321厚壁管道焊接采用氬電聯焊的焊接工藝，焊絲手工送進速度要均勻且不能太快, 以獲得平整而均勻的焊道，層間焊接接頭相互錯開。手工電弧焊蓋面層時(見第68頁圖8)，操作必須短弧快速焊, 并橫向擺動焊條，在仰焊部位盡量減小熔池體積，有利于焊縫成形，平焊部位焊縫收弧時, 焊條除作橫向擺動外，還縱向擺動, 以填滿弧坑，擺動幅度控制在8 mm以內。

1.5 焊縫穩定化熱處理分析

1.5.1 焊縫熱處理條件

1) 管道附著件和與管道焊接連接支、吊架的焊縫全部進行焊縫熱處理。

圖8 電弧蓋面

2) 熱處理前，需熱處理焊縫的焊接工作全部結束，焊縫的外觀檢查完畢，并符合設計和規范要求。

3) 熱處理機具、電加熱器、熱電偶及保溫材料準備齊全，人員已進行技術交底，熟知工藝要求和標準。

4) 焊接熱處理人員通過專業培訓，并經過考核取得國家或行業機構的資格證，焊接熱處理人員要嚴格按照焊接程序和熱處理工藝規范要求執行，做到操作無誤，記錄準確。專業技術人員要認真及時填寫熱處理記錄報告，整理竣工資料并進行移交。

1.5.2 熱處理部位

所有TP321管道及管件的對接焊縫。

1.5.3 熱處理工藝要求

1) 熱處理溫度(見表3)。

表3 管線熱處理溫度

2) 熱處理范圍

熱處理的加熱范圍以焊縫為基準，兩側各不小于焊縫寬度的3倍，且不小于25 mm，加熱區以外的100 mm范圍予以保溫，且管道端口封閉。如圖9所示。

圖9 管道熱處理加熱、保溫方法簡圖

3) 熱處理的加熱速度、恒溫時間及冷卻速度(見圖10)

300 ℃以下時不控制，加熱升溫300 ℃～900 ℃，當管道壁厚≤25 mm時加熱速度≤180 ℃/h；25 mm<管道壁厚≤28.58 mm時加熱速度≤150 ℃/h。

恒溫時間按表4規定計算，且總恒溫時間均不得小于2 h。在恒溫期間內，各測點的溫度均在熱處理溫度規定的范圍內，其差值不得大于10 ℃。溫度控制精確，且不超過熱處理的溫度范圍。TP321管道每毫米壁厚4.7 min。

圖10 熱處理曲線圖

恒溫后700 ℃以上時，壁厚≤25 mm時冷卻速度≤180 ℃/h；25 mm<管道壁厚≤28.58 mm時冷卻速度≤120 ℃/h。冷卻至700 ℃后自然冷卻。

管壁厚度(或焊縫金屬厚度)熱處理時加熱速度、恒溫時間、降溫速度見表4。

表4 加熱速度、恒溫時間、降溫速度表

4) 熱電偶的布置

至少有一個控制熱電偶置于焊口上方，并且至少有一個記錄熱電偶進行溫度監控，置于控制熱電偶90°處，熱電偶置于焊縫中央，熱電偶間的最大溫差不大于10 ℃。

2 焊接材料和方法

2.1 管道材料

1) 臨氫狀態下ASTM A312 TP321管材化學成分及力學性能見表5、表6。

表5 TP321鋼化學成分 %

SiCrTiNi≤0.07517.00～19.005w(C)～0.79.00～12.00

表6 TP321鋼常溫力學性能

從表5、表6中可以看出，TP321鋼是一種含有穩定化元素鈦的奧氏體不銹鋼，因此在一般情況下其焊接性能良好，焊接接頭具有較好的塑性和韌性。

2.2 材料與生產環境的匹配情況

在臨氫環境中材料的晶間腐蝕機理表明，較低的金屬碳含量，可以減少快速連續加熱過程中金屬晶粒內部過飽和固熔的碳原子向晶粒邊緣擴散，最大限度地避免“貧鉻區”的出現，這是防止晶間腐蝕的重要手段，同時嚴格限制非金屬磷、硫、硼等的含量，增加可以與碳生成穩定碳化物的鈦、鈮。TP321屬于超低碳不銹鋼材料，符合上述要求。

2.3 TP321的光譜分析試驗

TP321原材料在施工前必須進行嚴格的材料驗收、檢查，對所有管材、管件等均按照批號且每批(同爐批號、同材質、同規格)抽檢10%，不少于1件進行光譜分析(如圖11)，確保其成分符合出廠證明文件要求，并滿足工藝需求。

從表6可以看出、進場原材料實測值符合標準值要求，因此進場原材料合格。

圖11 TP321管材光譜分析試驗

表6 TP321原材料成分標準及實測數據表%

2.4 焊接材料

1) 焊條化學成分及力學性能見表7、表8。

表7 A132(E347-16)成分標準及實際含量數據表 %

表8 A132(E347-16)力學性能

2) 焊絲化學成分見表9。

3) 焊接材料與母材的匹配情況

通過焊材與母材化學成分實測值比對，焊材S、P等雜質的含量較母材實測值的含量少，一方面,可以有效防止產生熱裂紋，另一方面,提高了焊接接頭的耐蝕性；Si的含量在標準范圍內保證敷設金屬流動性的同時，又降低了產生雜質化合物的概率；A132和H08Cr19Ni10Ti均為高合金的焊接材料，其中,耐蝕性元素Cr、Ni含量略高于母材以防止應力腐蝕；焊材中穩定化元素Ti、Nb可防止晶間腐蝕；焊條的力學性能與母材基本一致，熔合匹配性好。

表9 H08Cr19Ni10Ti(ER321)成分標準及實際含量數據表

4) 本技術用的焊接材料(見表10)。

表10 焊接材料用量

3 焊接結果與分析

在晉昌源加氫裝置TP321管道施工過程中，焊縫外觀檢測合格率100%，外觀成形美觀；無損檢測一次合格率99.8%。本技術通過對TP321厚壁臨氫管道母材及焊材的化學成分及力學性能分析，證明了材料與生產環境相匹配，焊接材料與母材相匹配；施工中通過優化坡口形式、改良預制工裝、選用可行的焊接工藝、焊后穩定化熱處理，確保了焊接質量，同時也提高了工作效率。

4 結論

施工實踐證明，運用本技術有效地防止了焊接熱裂紋、晶間腐蝕、應力腐蝕開裂、焊縫接頭的σ相脆化等缺陷的產生，施工質量得到了有效的保障。通過全自動坡口機、自制移動式龍門吊、數字弧焊電源等新設備、新方法、新工藝的應用，改進了原有TP321管道施工工裝，優化了焊接工藝，高效、快速地達到高水平的焊接質量。本技術工藝成熟、經濟實用、優質高效、可操作性強，對同類裝置、同類管道焊接提供了良好的借鑒作用，具有一定的推廣價值。