A333Gr3鋼管的焊接質(zhì)量控制

龍海林

中國化學(xué)工程第十一建設(shè)有限公司 河南開封 475002

隨著科學(xué)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國內(nèi)外的石油、化工技術(shù)和設(shè)備取得了長足的進(jìn)步，低溫鋼管的運(yùn)用越來越廣泛。凈化裝置的低溫甲醇洗單元，大部分工藝管道的設(shè)計(jì)溫度為- 80℃，采用的低溫管材為A333 Gr3。

A333 Gr3 鋼是以鐵素體為基的低溫鋼，因其含碳量低，淬硬傾向和冷裂傾向不大，具有良好的焊接性,可耐低溫- 101℃。施工中采用氬電聯(lián)焊（GTAW+SMAW）的方法，焊接材料為ER55- C3 焊絲、W107 焊條。受各種因素的影響，施焊初期焊縫射線檢測合格率不高；在采取預(yù)防措施、加強(qiáng)焊接質(zhì)量控制之后，焊接合格率得到了很大的提高。

1 A333 Gr3 焊縫缺陷

在A333 Gr3 管道施焊初期，焊縫射線拍片628 張，出現(xiàn)不合格底片54 張。其中，圓形缺陷問題嚴(yán)重，占所有缺陷的87.0%，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 不合格底片數(shù)據(jù)表

由于使用氬弧焊打底，打底層未出現(xiàn)檢測質(zhì)量問題。檢測缺陷存在于焊縫的填充層，在圓形缺陷中，氣孔、密集氣孔問題占90%以上；此外，有極少量的未熔合、未焊透及條形缺陷存在。蓋面層沒有檢測出質(zhì)量缺陷。

2 產(chǎn)生氣孔的原因分析

氣孔是指焊縫內(nèi)部由內(nèi)含氣體所造成的不連續(xù)性。焊接時(shí)熔池可以溶解吸收一定量的氣體，絕大多數(shù)氣體在熔池凝固、焊縫金屬冷卻的過程中釋放至大氣中。滯留在焊縫金屬內(nèi)的氣孔就形成圓形氣孔、條蟲狀氣孔和管狀氣孔（三種基本形式），通稱為氣孔。

產(chǎn)生氣孔的因素包括：

（1）不正確的焊接操作或焊縫冷卻過快，預(yù)熱溫度過低。另外，最先熔敷的金屬由于冷卻速度過快，也會(huì)含有氣孔；

（2）焊接材料方面。焊條受潮，未按要求烘干，藥皮變質(zhì)、脫落，焊芯銹蝕，焊件未清理干凈；

(3）焊接工藝方面。手弧焊時(shí)，采用過大的焊接電流，造成焊條藥皮發(fā)紅而導(dǎo)致保護(hù)失敗，焊接電弧過長等造成熔池保護(hù)不良也產(chǎn)生氣孔。

其中，第一項(xiàng)為引起氣孔的主要原因。

3 預(yù)防措施

在缺陷原因分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)采取加強(qiáng)A333 Gr3 的焊材管理及坡口清理、穩(wěn)定焊接電流、規(guī)范焊接操作、控制施焊環(huán)境等措施。

3.1 焊接材料的檢驗(yàn)

A333 Gr3 使用的焊條，在入庫時(shí)按批進(jìn)行藥皮含水量或熔敷金屬擴(kuò)散氫含量的復(fù)驗(yàn)；檢查熔敷金屬硫、磷含量應(yīng)不高于母材。此外，焊條的焊縫金屬夏比V 形缺口沖擊試驗(yàn)值應(yīng)符合規(guī)定要求。

3.2 焊材庫的管理

焊材一級庫室內(nèi)設(shè)置除濕機(jī)，使相對濕度不得超過60%，溫度不低于5℃，由保管員每天做好記錄。焊材二級庫（烘烤室）設(shè)專職烘烤員，負(fù)責(zé)每天焊條烘烤和焊材的發(fā)放、回收，并做好記錄。當(dāng)天未用完的焊條應(yīng)及時(shí)退回烘烤室，重新烘烤次數(shù)不得超過兩次。

3.3 坡口清理

A333 Gr3 坡口、鈍邊及焊道兩側(cè)30mm 范圍內(nèi)必須清理干凈。焊縫處氧化膜用銼刀、砂輪清理，污物、油脂、漆用丙酮、堿液或?qū)Ｓ煤铣蓜┣謇?。熱加工的坡口按比例進(jìn)行磁粉或滲透檢測。

3.4 接地線管理

焊接設(shè)備滿足施工需要的同時(shí)，不正確的焊機(jī)至工件接地方式在正常焊接中會(huì)造成：

（1）中斷焊接而影響焊接質(zhì)量；

（2）引起地線與焊件打弧造成母材劃傷；

（3）接地線纜絕緣膠皮損壞，導(dǎo)線裸露部分打火會(huì)造成安全隱患也會(huì)影響焊接電流的穩(wěn)定。

因此，必須避免不正確的焊機(jī)至工件的接地方式。3.5 焊接操作控制

（1）嚴(yán)格控制組對質(zhì)量，禁止強(qiáng)力組對，錯(cuò)邊量不超過壁厚的10%，且≤2mm；

（2）TIG 焊接時(shí)，氬氣純度不應(yīng)低于99.96%。焊接作業(yè)時(shí)，采用小電流、低電壓、快速焊；

（3）焊前預(yù)熱溫度為100～150℃，施焊電流不得超過評定工藝的10%。焊接線能量不得超過40kJ/ cm;

(4) 焊接時(shí)嚴(yán)格按規(guī)定預(yù)熱、控制層間溫度，每條焊縫應(yīng)一次焊完；若中斷，采取緩冷措施。3.6 施焊環(huán)境控制

西北地區(qū)風(fēng)沙天氣多，為保證焊接過程不受影響，在露天的施工環(huán)境下，搭設(shè)擋風(fēng)棚；冬季焊接施工時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，采取預(yù)熱及保溫措施，確保焊工良好的施焊條件。

4 焊接施工過程控制

A333 Gr3 管道焊接前，進(jìn)行了工藝評定；為保證焊接施工的質(zhì)量，將施焊區(qū)域用防雨篷布全部封閉，做好防風(fēng)措施。施工中嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，及時(shí)進(jìn)行焊縫表面質(zhì)量檢查及熱處理施工，保證了焊接施工的質(zhì)量。

4.1 焊接工藝

4.1.1 坡口形式

坡口采用V 型坡口，坡口角度α=550～650。管子對口時(shí)要做到內(nèi)壁齊平，其局部錯(cuò)口值不超過壁厚的10%，且不大于2mm。采取的對接接頭的坡口形式如圖1 所示。熱加工的坡口應(yīng)進(jìn)行100%的磁粉檢測或滲透檢測。

圖1 對接接頭的坡口形式

4.1.2 焊接工藝參數(shù)

采用手工鎢極氬弧焊（GTAW）打底，手工電弧焊（SMAW）填充、蓋面的方法。管徑≤3″采用全手工鎢極氬弧焊。具體工藝評定參數(shù)見表2。

表2 焊接工藝評定參數(shù)

4.1.3 操作方法

當(dāng)焊件較厚需多層焊時(shí)，除打底焊外其余焊層采用多道焊，各層焊道的接頭應(yīng)錯(cuò)開30～50mm，接弧處應(yīng)保證熔合。每一層每一道焊完后均應(yīng)徹底清除焊道面的熔渣，并消除各種表面缺陷。

鎢極氬弧焊焊接打底時(shí)，焊絲的加熱端應(yīng)始終在氬氣保護(hù)之下。氬氣純度≥99.96%。一般充氬流量控制在6～10l/ min。管子焊接時(shí)，管內(nèi)應(yīng)防止穿堂風(fēng)。

填充層施焊時(shí)用小線能量，盡量避免焊接缺陷，減少低溫時(shí)鋼材對缺陷和應(yīng)力集中的敏感性。為利于表層的焊接，須使填充層焊道的上表面低于管子表面0.5～1.5mm，并保留坡口輪廓。

蓋面層的施焊操作與填充層的操作基本相同。焊條的擺動(dòng)要均勻，這樣焊縫成形才能更加美觀。蓋面焊道兩側(cè)應(yīng)超過坡口邊緣，且≤2mm，焊縫余高為0～2mm。

4.2 熱處理

4.2.1 預(yù)熱預(yù)熱溫度為100～150℃，預(yù)熱寬度從對口中心開始，每側(cè)不少于焊件厚度的3 倍，且不小于100mm。以氧乙炔焰（中性焰）的方式加熱，用紅外線測溫儀在焊縫中心50～100mm 處測量溫度，測點(diǎn)要均勻分布，便于溫度控制。

4.2.2 層間溫度控制

層間溫度不低于預(yù)熱溫度。

4.2.3 焊后熱處理

當(dāng)焊件厚度≥16mm 時(shí)，進(jìn)行焊后熱處理，熱處理?xiàng)l件見表3。

表3 熱處理工藝參數(shù)

熱處理的加熱范圍為焊縫兩側(cè)各不少于焊縫寬度的3 倍，且不少于25mm；加熱區(qū)以外100mm 范圍內(nèi)應(yīng)予以保溫，且管道端口應(yīng)封閉。用電加熱，由熱處理機(jī)自動(dòng)控制溫度變化曲線。恒溫時(shí)在加熱范圍內(nèi)任意兩測點(diǎn)間的溫差不大于65℃。進(jìn)行熱處理時(shí)，水平管道的測點(diǎn)要上下對稱布置。

圖2 熱處理溫度、時(shí)間記錄曲線

4.2.4 硬度檢查

A333 Gr3 低溫鋼管道熱處理后進(jìn)行焊縫的硬度測試。硬度檢驗(yàn)數(shù)量為熱處理焊口總數(shù)的20%，其硬度值不低于241。被查部件的硬度值超過規(guī)定范圍時(shí)，要按班次做加倍復(fù)驗(yàn)并查明原因，對不合格接頭重新做熱處理。

4.3 焊接質(zhì)量檢驗(yàn)

4.3.1 焊縫外觀檢查

A333 Gr3 管道的所有焊縫表面質(zhì)量均須100%外觀檢驗(yàn)，并符合GB50236- 2011 規(guī)范中的具體要求。焊縫表面不得有裂紋、氣孔、熔渣、飛濺和弧坑，嚴(yán)禁咬邊，角焊縫不得向外凸起。焊縫外觀尺寸應(yīng)符合表4 的規(guī)定。

表4 焊縫外觀尺寸要求

4.3.2 焊縫無損檢測

A333 Gr3 管道的焊接接頭進(jìn)行100%的射線檢測。射線檢測按JB4730 進(jìn)行焊縫內(nèi)部質(zhì)量評定，Ⅱ級合格；角焊縫進(jìn)行100%的PT 檢測，Ⅰ級合格。

4.3.3 焊縫返修

焊縫返修工藝應(yīng)執(zhí)行原工藝或經(jīng)評定合格的工藝。焊后熱處理的焊縫返修應(yīng)在熱處理前進(jìn)行，若熱處理后發(fā)生返修，則返修后應(yīng)重新進(jìn)行熱處理。返修部位的焊縫應(yīng)按原檢測方法及合格標(biāo)準(zhǔn)重新進(jìn)行檢測。

5 焊接管理

(1) 焊工應(yīng)持證上崗，并通過業(yè)主組織的現(xiàn)場實(shí)際焊接操作技能考核；從中選取焊接質(zhì)量穩(wěn)定的焊工作為該裝置A333 Gr3母材焊接的專門焊工;

(2) 對所有施工人員（檢驗(yàn)員、管工、焊工、焊材保管員以及熱處理人員等）進(jìn)行詳細(xì)焊前技術(shù)交底，確保每名施工人員清楚各項(xiàng)技術(shù)要求及自身的職責(zé);

(3) 根據(jù)不同施工區(qū)域，設(shè)置專職焊接檢查員，每天對所管轄的作業(yè)點(diǎn)的每一道工序進(jìn)行確認(rèn)，如組對間隙、坡口清理、內(nèi)部充氬、預(yù)熱、層間清理、焊接參數(shù)、焊縫外觀質(zhì)量、熱處理過程控制及硬度檢測等;

(4) 為防止焊材用錯(cuò)，確保焊材使用的可追溯性，所有焊材需統(tǒng)一管理，集中發(fā)放，為此項(xiàng)目推行了焊材領(lǐng)用卡制度，由焊工到技術(shù)員處開具焊材領(lǐng)用卡，焊工憑卡領(lǐng)用焊材;

(5) 強(qiáng)化“三檢制度”，制訂、細(xì)化了各種專項(xiàng)施工記錄表格、檢查表格，確保施工的每一步都有檢查記錄。

經(jīng)過焊接過程中各項(xiàng)工作質(zhì)量和工序質(zhì)量的控制，A333 Gr3 管道焊縫的氣孔問題得到解決，焊縫內(nèi)在質(zhì)量及外觀工藝質(zhì)量得到全面控制。低溫甲醇洗單元A333 Gr3 管道共拍片13926 張，返修171 張，A333 Gr3 管道一次焊接合格率達(dá)到98.7%以上，熱處理后硬度檢測一次合格率99.7%。

只有在實(shí)踐中不斷總結(jié)、積累焊接經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮各種影響因素，才能保證施工質(zhì)量，并增加其使用壽命和使用安全。

1 A333 Gr3 焊接工藝評定.2009年8月

2 吳金杰.《焊接工程師專業(yè)技能入門與精通》.機(jī)械工業(yè)出版社.2009年8月

3 SH/ T3525- 2004.《石油化工低溫鋼焊接規(guī)程》

4 SH/ T3523- 1999.《石油化工鉻鎳奧氏體鋼、鐵鎳合金和鎳合金管道焊接規(guī)程》

5 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).《焊接手冊2 材料的焊接》機(jī)械工業(yè)出版社.1992年