耐熱合金鋼P22焊接工藝

曹長安 趙天亮* 冀衛興 趙 芳

(1.河北省安裝工程有限公司；2.河北建筑工程學院)

0 引 言

15萬噸/年蒽油加氫改制裝置高壓工藝管道采用符合ASME A335 P22標準的國產管道，公稱成分為2.25Cr-1Mo，介質為氣液態加氫油氣，最高設計溫度345 ℃，最高設計壓力20.48 Mpa，GC1級別壓力管道.

由于第一次接觸該類美標牌號管道，針對產品開展焊接工藝研究工作，以確保材料、結構和工藝方法正確性.研究采用的基本方法為進行焊接工藝理論分析，再進行焊接工藝試驗.在焊接理論知識和生產經驗的基礎上對產品的焊接材料、安裝有關因素分析，估計可能出現的質量問題，分析產生的原因和尋找解決的辦法，做出初步的焊接工藝預測，避免焊接試驗的盲目性.在焊接工藝理論分析的基礎上進行全面的焊接試驗，驗證理論分析的結果，制定合理P22管道焊接及熱處理工藝，避免因腐蝕開裂導致事故產生，保證管道安全穩定運行.

1 預焊接工藝制訂

1.1 鋼類型及化學成分

P22耐熱鋼是以Cr-Mo為基的珠光體耐熱鋼，其化學成分及力學性能見表1和表2.

表1 P22鋼化學成分(%)

表2 P22鋼機械性能

1.2 焊接性分析

P22耐熱鋼的焊接主要存在熱影響區的硬化、冷裂紋和再熱裂紋等問題.

由于含有Cr和Mo，具有明顯的淬硬傾向，焊接過程中在焊縫和熱影響區出現硬脆的馬氏體組織.鋼中不同組織的膨脹系數差異，焊接熱循環過程中近縫區產生很大的組織應力和熱應力，導致冷裂紋產生.

P22在焊后熱處理或高溫使用過程中易出現再熱裂紋.

P22鋼在制定焊接工藝時，應采取相應工藝和措施防止熱影響區的硬化、冷裂紋和再熱裂紋等焊接質量問題產生.

1.3 焊接方法

管道固定口在焊接過程中受安裝條件及企業技術裝備能力的限制，不具備自動焊條件.只能選擇受施工環境影響較小的氬電聯焊方法.手工鎢極氬弧焊是常用的易操作并且普遍的焊縫根部焊接方法.對于填充和蓋面焊，手工電弧焊在焊接效率上有一定優勢，并能取得較好的接頭質量.

為了提高預制深度和勞動生產率，采用工廠化預制設備對管件進行坡口加工及組對焊接.該套設備由數控帶鋸切割、物流運輸、數控坡口機和自動焊工作室四部分組成，能夠進行DN100以上管道的埋弧自動焊、熔化極氣體保護焊的焊接.考慮管道規格、熱輸入及操作方便性，采用熔化極氣體保護焊對P22管道進行打底、填充及蓋面焊接.

1.4 焊接材料

氣體保護焊焊絲型號為ER90S-G，氬弧焊絲型號為ER62-G，焊條型號為E6015-B3，保護氣體為80%Ar+20%CO2.焊材具體化學成分及熔敷金屬力學性能見表3.

表3 焊材化學成分(%)及熔敷金屬力學性能

1.5 預焊接工藝

P22耐熱鋼應預熱250 ℃～300 ℃，減少焊縫與母材的溫度梯度，降低由于溫差造成的應力集中.厚壁管道在焊接過程中存在較大拘束度及殘余應力，在焊接復雜熱循環作用下易誘發再熱裂紋，故采用多層多道焊[1].焊接工藝參數見表4.

表4 焊接工藝參數

定位焊焊縫沿圓周均勻分布，每段長度為20～30 mm，高度為3 mm，不得少于3點.焊接工藝與正式焊相同，必須保證焊透，無焊接缺陷.為減少應力集中，定位焊縫兩端應呈現緩坡狀.預熱到規定溫度時，立即進行打底層焊接.焊接時采用較低的電流和電壓、快速焊，保證較小線能量，縮小“過熱區”范圍，避免再熱裂紋產生[3].打底層起焊點在兩定位焊點之間，并且一次連續焊完.焊接過程中，保證焊縫30～100 mm范圍內母材保持足夠溫度，層間溫度控制在300 ℃以下.間斷焊接時，立即進行300 ℃～350 ℃，15～30 min的后熱處理，并且緩冷處理.再次焊接之前，對焊縫進行100%PT檢測，確認沒有裂紋等缺陷后再預熱進行焊接作業.焊縫表面不允許有咬邊等缺陷，以避免應力集中而產生延遲裂紋和再熱裂紋.

1.6 熱處理工藝

圖1 熱處理曲線

圖P22鋼需焊后立即進行消應熱處理，否則必須進行立即進行300 ℃～350 ℃，15～30 min的后熱處理.P22焊后熱處理保溫溫度為720 ℃～750 ℃.由于P22鋼具有再熱裂紋產生于500-700 ℃升降溫過程中，故熱處理時應盡量縮短敏感溫度區間停留時間.考慮過大的升溫速度易導致焊接應力疊加而增加再熱裂紋傾向，確定適當的升降溫速度，以保證理想的熱處理效果.熱處理曲線見圖1.

2 焊接工藝評定

焊接工藝評定依據標準NB/T47014-2011,針對項目管道厚度范圍及焊接方法等因素,編制焊接工藝評定計劃,見表5.

表5 焊接工藝評定編制計劃

通過對P22管道焊接工藝的理論分析，確定了焊接工藝的坡口、材料和焊接方法及工藝參數,編制預焊接工藝規程并進行焊接工藝試驗，坡口形式及焊道位置見圖2，焊接工藝參數見表6.

編號42-100 編號42-102

表6 焊接參數

按照工藝參數進行試板焊接，焊后立即進行熱處理，熱處理完畢進行無損探傷.按照評定標準截取標準試樣進行拉伸試驗，試樣斷裂位置在熱影響區，抗拉強度值符合高于母材標準抗拉強度值下限的要求.每個焊件分別截取4個側彎試樣進行彎曲試驗，彎心直徑40 mm，彎曲角度180 ℃，在試樣拉伸面的任何方向均未出現單條長度大于3 mm的裂紋或長條缺陷，彎曲試驗合格.根據評定標準在每個焊件截取缺口位置位于焊縫中心和熔合線的6個沖擊試樣，沖擊溫度為20 ℃，沖擊吸收功均高于標準要求最低值，沖擊試驗合格.工藝評定結果表明，按照預焊接工藝規程焊接的焊件，各項力學性能指標均符合相關標準要求，該焊接工藝可以用于指導現場管道焊接作業.

表7 焊接接頭力學性能

3 實際生產應用

針對P22鋼焊接特點，制定合理焊接工藝，并根據評定合格的焊接工藝評定編制具體焊接工藝規程及熱處理工藝方案，用于指導現場焊接生產.由于P22鋼焊接時對預熱、層間溫度、焊后熱處理有嚴格要求，不合格焊口返修時成本大大增加，并影響產品使用性能.焊工要求持證上崗，并進行入場前焊工考試，避免因焊工技能水平差等人為因素造成焊縫返修.施工前對焊工進行焊接工藝交底，使焊工了解P22鋼焊接特點及預熱、層溫控制范圍及熱處理時機等操作要點，嚴格要求焊工按照焊接工藝卡規定的層道數、線能量等工藝進行焊接.P22高壓臨氫管道焊口要求100%進行射線檢測，一次探傷合格率達到97%以上，未出現裂紋、未熔合等缺陷，產品壓力試驗合格，焊接接頭處未出現泄漏現象.

4 結 語

固定焊口采用GTAW+SMAW的焊接方法，預制焊口采用GMAW自動焊，選擇成分、力學性能與母材接近的焊材，制定合理的焊接及熱處理工藝，加強焊工管理，同時在施工過程中嚴格控制工藝執行情況，有效避免P22管道焊接中冷裂紋及再熱裂紋等缺陷的產生，保證了管道的焊接質量.