316Lmod管道焊接技術與質量控制

韓海英，徐立泉，董海洋

（中國石油天然氣第七建設公司，山東膠州266300）

316Lmod管道焊接技術與質量控制

韓海英，徐立泉，董海洋

（中國石油天然氣第七建設公司，山東膠州266300）

尿素生產產生的液氨、甲銨溶液等均為腐蝕性介質，對不銹鋼具有很強的晶間腐蝕性。塔里木大化肥項目80萬t/a尿素聯合裝置中用于甲銨液等強腐蝕介質的管道材料為ASME.B36.19M A312 TP316L+G510（316Lmod）尿素級不銹鋼，該材料抗晶間腐蝕能力強。文章介紹了316Lmod管道的焊接特點、焊接質量控制的關鍵內容、焊接技術措施、焊接工藝評定、焊接檢驗等方面的具體做法和相關事項。該工程中的316Lmod管道焊接后，經RT檢驗和液體滲透檢驗，焊接一次合格率達到100%，鐵素體檢測全部符合要求，且未發現一處焊接熱裂紋等質量問題，為今后類似工程施工提供了借鑒。

尿素聯合裝置；316Lmod管道；焊接

塔里木大化肥項目80萬t/a尿素聯合裝置由五環科技股份有限公司設計，由中國石油天然氣第七建設公司承建，裝置中用于甲銨液等強腐蝕介質的管道材料為ASME.B36.19M A312 TP316L+G510（316Lmod）尿素級不銹鋼（以下簡稱316Lmod管道），對應的焊接材料全部在國外配套采購，其焊接技術和質量控制與常規不銹鋼管道有很大差異，為此予以簡要介紹。

1 材料的化學成分及性能特點

1.1 材料的化學成分

按設計要求，316Lmod管道及焊接材料的化學成分應限定在表1所列的數值內（重量百分比）。奧氏體形成元素（Ni、C、N、Mn）和鐵素體形成元素（Cr、Mo、Si）的平衡應使得在最終熱處理和焊接后能獲得全奧氏體組織（最大鐵素體含量為0.6%）。

表1 316Lmod管道材料及焊接材料的化學成分/%

1.2 材料的機械性能

316Lmod管道常溫下抗拉強度≥530 MPa，屈服強度（0.2%）≥255 MPa；50～400℃抗拉強度530～420MPa，屈服強度（0.2%）為240～145MPa。

1.3 材料的抗腐蝕特點

尿素生產產生的液氨、尿液溶液、甲銨溶液等均為腐蝕性介質，其中腐蝕性最強的介質是高溫高壓下的甲銨溶液，對不銹鋼具有很強的晶間腐蝕性。而316Lmod管道材料的含碳量（≤0.030%）低于平衡狀態下在奧氏體內的飽和溶解度，因而從根本上解決了晶界上析出富Cr的Cr23C6而形成原電池腐蝕的問題[1]。

2 焊接特點

（1） 316Lmod管道熱導率小而線膨脹系數大，自由狀態下焊接時易產生較大的焊接變形。

（2） 焊接時，為避免晶界貧Cr現象發生[2]，降低鋼材的抗蝕性，焊接時通常不用預熱，并將層間溫度控制在60℃以下，盡可能加快焊接接頭的冷卻速度。

（3） 焊條中的Ti、Nb、Cr、Al等合金元素對氧有很大的親和力，為防止焊接過程中合金元素的燒損，應盡量采用短弧焊接、小幅度擺動或直線運條。

（4） 316Lmod管道焊縫中柱狀晶體的方向性很強，易形成低熔點共晶體的偏析。另外，由于其線膨脹系數大，使焊縫產生很大的溫度應力，在拉應力和低熔點共晶體的共同作用下，焊縫易產生熱裂紋，特別是弧坑裂紋。

3 焊接質量控制的關鍵內容

在316Lmod管道焊接時有兩個關鍵質量控制內容，即鐵素體含量、焊接熱裂紋。

3.1 鐵素體含量的控制

316Lmod管道是全（單相的）奧氏體組織。由于鐵素體在尿素介質中容易產生相的選擇性腐蝕，要求316Lmod管道（包括焊接熔敷金屬）鐵素體含量不超過0.6%。應采用經校正、鑒定的鐵素體儀測定鐵素體的含量。

3.2 焊接熱裂紋的控制

316Lmod管道為全奧氏體不銹鋼，在焊接時容易產生熱裂紋，這種裂紋屬于凝固裂紋（結晶裂紋），發生在高溫狀態，常溫下不再擴展，裂紋均沿一次結晶的晶界產生。熱裂紋產生的原因是奧氏體不銹鋼導熱系數小膨脹系數大，延長了焊縫金屬在高溫區的停留時間，增加了焊縫在高溫時經受的拉伸應變。另外，全奧氏體焊縫的晶間往往存在低熔點的夾雜物，在凝固結晶后期以液態膜的形式存在于奧氏體晶粒之間[3]，在一定的拉應力下開裂并擴展形成晶間裂紋，能形成低熔點夾雜物的元素有Si、B、Ni、S、P等。防止全奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋產生可以采用許多措施，本工程主要采用提高焊接熔池冷卻速度的方法，如短孤焊、低線能量、窄焊道技術等，以加快熔池冷卻。

4 焊接技術措施

4.1 焊接方法

本裝置316Lmod管道規格為D21.3mm×3.73mm～D 323.9 mm×33.32 mm，其中，壁厚≤8 mm時采用全氬弧焊（GTAW）焊接；壁厚＞8 mm時采用氬弧焊與手工電弧焊相結合（GTAW+SMAW）的焊接方法，氬弧焊打底焊接兩層，其余各層采用手工電弧焊，只能采用窄的堆焊焊縫。

4.2 坡口加工

316Lmod管道采用無齒鋸、等離子或機械方法切割，等離子切割在本裝置僅用在DN150～300 mm的316Lmod管道，且切割時管內加墊板保護，預防氧化物與管內壁熔粘。在加工坡口時，考慮到316Lmod管道導熱系數小、線膨脹系數大等特性，為了減少焊接變形，坡口角度相應減小，控制在55°范圍內，采用坡口機或機加工。坡口表面應平整光滑，不得有裂紋、毛刺、分層等缺陷，應將管內雜物等清除干凈。316Lmod管道坡口型式主要有2種：壁厚＜15 mm時采用單V型坡口，見圖1(a)；壁厚≥15 mm時采用雙V型坡口，見圖1（b）。

圖1 坡口型式

坡口邊緣焊接區和離邊緣約10 mm的相鄰區域，焊接之前應該用丙酮或酒精清洗干凈。

加工坡口時，要求邊加工邊澆水，水中氯離子含量不得超過25 mg/L；修磨坡口時，應平緩地打磨母材，以防其變成藍色。

4.3 焊接工藝評定參數

4.3.1焊絲

選用AWS SFA-5.9 R25-22-2LMn-1.6-1000 Φ1.6 mm焊絲，直流正接，焊接電流60～90 A，電弧電壓12～16 V，焊接速度4～8 cm/min，線能量7.2～16.4 kJ/cm，焊接層數1～2。

4.3.2焊條

選用AWS A5.4 E25-22-2LMnB-2.50-350 Φ 4.0 mm焊條，直流反接，焊接電流90～130 A，電弧電壓23～27 V，焊接速度6～12 cm/min，線能量16.0～28.8 kJ/cm，焊接層數3～8。

4.4 焊接工藝控制

（1） 采用窄焊縫，多道多層焊，每一道焊縫或每一層焊縫焊后，均要等焊接處冷卻到低于60℃時，再進行下一道或下一層焊縫焊接。

（2） 在施焊過程中，不允許依靠焊接材料在熔池中的擺動來增高熔池的溫度和冷卻時間。

（3） 在材質分界線處，316Lmod管道的焊縫在有條件的情況下一定要最后施焊，以減少焊縫的受熱次數。

（4） 為了加快焊縫冷卻速度，每焊完一層焊縫后可以澆水，水中氯離子含量不得超過25 mg/L，加速冷卻不會產生裂紋；也可以邊焊邊澆水，焊一段澆一段水，但必須注意焊接熔池及其附近區域不允許有水。

（5） 在焊接過程中，為了防止受不潔物的污染，焊接施工人員用的手套及衣服應保持清潔。

4.5 準確判斷充氬保護效果

316Lmod管道焊絲打底焊時必須充氬保護。進行氬弧焊時，在管內用氬氣連續進行保護，直至完成兩層焊道；焊接區的充氬保護效果可以從焊接接頭的顏色進行判斷，銀白色為最好[4]。

5 316Lmod管道的焊接檢驗

316Lmod管道，當管徑≤40mm、壁厚≤5mm時，最終焊接后作外觀檢驗、鐵素體含量檢驗、液體滲透檢驗；當管徑＞40 mm、壁厚＞5 mm時，打底焊和第一層填充焊后進行外觀檢驗、鐵素體含量檢驗、滲透檢驗，如無缺陷，應用丙酮清洗坡口表面，清洗后進行第二層的焊接。第二層焊接后進行滲透檢驗，如無缺陷，進行100%射線探傷。最終焊接后進行外觀檢驗、滲透檢驗和100%射線檢驗。

滲透檢驗采用溶劑去除型著色滲透法，并用溶劑懸浮顯示劑。工件的表面溫度在15～50℃，滲透時間最少為15 min。

鐵素體的含量使用探頭式鐵素體測量儀檢測（德國FERITSCOPE鐵素體含量測定儀MP30型），最大鐵素體含量要求低于0.6%。檢驗前，要用丙酮清洗校驗試件、檢驗探頭及焊縫，使其無銹浮物、油脂等雜質，確保檢驗精度。檢驗過程中，要常清洗探頭，確保不受污染，保證檢測值的準確性。當檢測點鐵素體含量超標時，可用專用砂輪片進行打磨處理，用丙酮清洗打磨處，再進行測試。仍不合格，應核對母材、焊材鐵素體檢測報告及焊材使用正確性，并對組對施焊過程進行分析，制訂糾正措施，進行修復，確保鐵素體含量在要求范圍內。實際檢測數據全部≤0.1%，檢驗合格。

休氏試驗檢驗為焊接評定試件的實驗室檢驗。休氏試驗檢驗必須按CWCEC工程設計標準8-A10S-95進行，試板的位置、尺寸和休氏試驗試樣的尺寸應符合CWCEC工程設計標準8-A9S-95的規定。根據要求將焊接工藝評定試件送實驗室，由實驗室人員經5個沸騰周期試驗（每個周期為48h），每個周期腐蝕的平均值均以不超過3.3 μm為合格，平均腐蝕值大于3.3 μm的材料應報廢。實際檢測4個周期平均重量損失1.1 μm，比設計標準低，檢驗合格。

6 結束語

本工程中316Lmod管道嚴格按照以上技術措施和關鍵質量控制內容焊接，經RT檢驗和液體滲透檢驗，焊接一次合格率達到了100%，經鐵素體檢測全部符合要求，且未發現一處焊接熱裂紋等質量問題，為今后類似工程施工提供了借鑒。

[1] 徐越蘭，龐懷信.焊工簡明實用手冊[M].南京：江蘇科學技術出版社，2008.

[2] 張其樞，堵耀庭.不銹鋼焊接[M].北京：機械工業出版社，2003.

[3] 顧鈺熹.特種工程材料焊接[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，1998.

[4] 岡毅民.中國不銹鋼腐蝕手冊[M].北京：冶金工業出版社，1992.

Abstract:Liquid ammonia,ammonium carbamate solution,etc.coming from urea production are kinds of corrosive media which have strong intercrystalline corrosion effect on stainless steel.The pipe material against strong corrosion such as ammonium carbamate solution in the 80×104t/a urea combined unit of Talimu Chemical Fertilizer Project is ASME.B36.19M A312 TP316L+G510（316Lmod）stainless steel which possessing a strong intercrystalline corrosion resistance.The weldability of 316Lmod pipeline and key issues of weld ing quality control,welding technical measures,welding process assessment and welding inspection are described.The primary qualified rate of the pipeline welding in the project reaches 100%by PT and liquid penetration inspections,all inspections on ferrate meet relevant requirement,and no welding heat crack is found.

Key words:urea combined unit;316Lmod pipeline;welding

（56）Welding Technique and Quality Control of 316Lmod Pipeline

HAN Hai-ying（China Petroleum Seventh Construction Co.,Jiaozhou 266300，China），XU Li-quan，DONG Hai-yang

TE973.3

B

1001－2206（2010）05－0056－03

韓海英（1965-），男，山東曹縣人，工程師，1995年畢業于河北廊坊管道局職工學院油氣儲運專業，2008年畢業于西南科技大學工商管理專業，主要從事石油化工裝置工程中建筑結構工程、壓力容器、壓力管道等的安裝技術、質量管理等工作。

2009-10-10