大口徑、厚壁A335Gr.P22管道焊接裂紋防治措施

古永安 姜慶新 靜衛(wèi)民 牛緯濤

中國石油天然氣第七建設公司 山東青島 266300

A335 Gr.P22 相當于國內(nèi)的牌號12Cr2Mo (公稱成分2.25Cr1Mo)鋼管，按金相組織劃分屬于珠光體耐熱鋼的一種。該材料有良好的高溫熱強性（持久強度和蠕變強度），廣泛應用于石油、化工和鍋爐等行業(yè)，輸送高溫高壓流體介質(zhì)。

1 施工材料及焊接性分析

1.1 施工材料

施工中使用的管材由JFE Steel Corporation 提供，管材化學成分和力學性能實例（見表1、表2）：

表1 化學成分

表2 力學性能（室溫）

1.2 焊接性分析

A335 Gr.P22 由于加入了1.90%～2.60%Cr 和0.87%～1.13%Mo，導致材料焊接性較差。焊接性差主要表現(xiàn)為焊接時對冷裂紋和消除應力裂紋的敏感程度較高。有效地控制該兩種裂紋的產(chǎn)生，是保證焊接質(zhì)量的重點。

1.2.1 冷裂紋

對于鋼材焊接冷裂紋敏感程度可從碳當量CE 和冷裂紋敏感系數(shù)Pcm 等方面進行間接分析。僅從化學成分上分析，依據(jù)國際焊接協(xié)會（IIW)推薦的碳當量計算公式：

結(jié)果顯示A335 Gr.P22 的碳當量CE＞0.5%，表明該材料有較強的淬硬性，焊接性較差。

A335 Gr.P22 焊接冷裂紋敏感系數(shù)(Pcm)計算如下：

結(jié)果顯示，A335 Gr.P22 焊接冷裂紋敏感系數(shù)為20# 鋼的2 倍還多，表明該材料對焊接冷裂紋敏感，在實際焊接過程中由于受拘束力的影響，將進一步加劇材料對焊接冷裂紋的敏感。

1.2.2 消除應力裂紋

對于碳含量＞0.1%的低合金鋼，根據(jù)合金元素對消除應力裂紋敏感性的影響，可采用消除應力裂紋敏感性指數(shù)（ΔG）法進行評定。依據(jù)A335 Gr.P22 的化學成分，ΔG 計算如下：

ΔG+Cr+3.3Mo+8.1V- 2+10C(其中元素符號表示該元素的質(zhì)量分數(shù)）

結(jié)果顯示ΔG＞2，表示該材料對消除應力裂紋敏感。

2 原焊接工藝和焊接裂紋原因分析

2.1 原焊接工藝

焊接選用GTAW+SMAW 的焊接方法，焊材選用國產(chǎn)大西洋焊材H08Cr2Mo1+R407，焊材使用前按生產(chǎn)商推薦規(guī)范進行烘干；管道壁厚較大（38.1mm），選用V- Y 型坡口；焊前預熱180℃，焊后及時進行350℃的后熱處理，恒溫30min；為改善焊接接頭組織和力學性能，焊接過程中采用小幅度擺動焊條多層多道焊的焊接方式。施工過程中，由于厚壁管道RT 透照時間較長，為了提高RT 效率，施工過程中每道焊口初次焊接熔敷金屬厚度達10mm 時停止焊接進行后熱，24h 后進行首次RT，RT合格后按原焊接工藝填充、蓋面。焊接參數(shù)（見表3）。

2.2 焊接裂紋及裂紋產(chǎn)生原因分析

表3 A335 Gr.P22 焊接工藝參數(shù)

2.2.1 焊接裂紋

焊口初次焊接后RT 出現(xiàn)焊接裂紋（見圖1、圖2），兩種形式裂紋分別幾乎出現(xiàn)于整道焊口，且分布較均勻。

圖1 焊接裂紋（RT底片臨?。?/p>

圖2 焊接裂紋（RT底片臨?。?/p>

2.2.2 裂紋產(chǎn)生原因分析

綜合A335 Gr.P22 焊接性分析和現(xiàn)場施工過程，以下幾個方面共同導致了焊接裂紋的產(chǎn)生：

（1）A335 Gr.P22 碳當量高，大口徑厚壁管道拘束度大、散熱快。焊前預熱180℃溫度偏低，不能充分達到預熱目的；

（2）焊接時存在有害的溫度梯度。一方面，由于溫控柜只對管道外表面溫度進行監(jiān)控，且達到預熱溫度后立即開始施焊，壁厚較大導致焊接時焊道外表面能夠達到預熱溫度而內(nèi)表面溫度仍然較低（約80℃），從而在焊道的內(nèi)外表面間產(chǎn)生了有害的溫度梯度。另一方面，加熱時間短，僅加熱范圍內(nèi)達到預熱溫度，加熱范圍外的管道溫度較低，加熱范圍內(nèi)和加熱范圍外的管道之間也產(chǎn)生了有害的溫度梯度；

（3）大口徑厚壁管道散熱快，僅靠焊接熱輸入不足以維持層間溫度；

（4）有害的溫度梯度，大口徑、厚壁管道拘束力大、管道、管件自重大，使焊接應力增大，且初次焊接約10mm 的熔敷金屬厚度較小，導致熔敷金屬強度不足產(chǎn)生裂紋；

（5）后熱時間較短，不能充分達到消氫的作用。

3 工藝調(diào)整措施

為了避免裂紋再次產(chǎn)生，施工過程中采取了以下措施：

(1) 預熱溫度提高至250℃；

(2) 達到預熱溫度后保溫30min，待內(nèi)外表面均達到預熱溫度后方可開始焊接；

(3) 為保證層間溫度，焊接過程利用電加熱片對焊口兩側(cè)持續(xù)加熱，并利用溫控柜實時監(jiān)控焊口兩側(cè)溫度；

(4) 焊接過程中利用紅外測溫儀隨時測量焊口兩側(cè)和內(nèi)外表面的溫度，保證焊口兩側(cè)及內(nèi)外表面溫度均勻，避免產(chǎn)生有害的溫度梯度；

(5) 多層多道焊時，焊接接頭錯開，焊接前仔細檢查接頭處質(zhì)量，如發(fā)現(xiàn)裂紋及時打磨，將裂紋清除后方可施焊；

(6) 由一人一次焊接一道焊口，改為雙人對稱同時焊接一道焊口；

(7) 適當增加第一次焊接的熔敷金屬厚度，由10mm 增加至20mm；

(8) 對熱處理人員進行加強教育，提高熱處理人員認識，保證焊接完成后能夠及時進行后熱(或熱處理)；(9) 后熱時間由30min 延長至60min。

4 工藝調(diào)整后的效果及結(jié)論

通過采取以上9 點措施對焊接工藝進行調(diào)整后，在后續(xù)的施工過程中未再產(chǎn)生焊接裂紋，避免了焊接裂紋的再次產(chǎn)生，證明了以上幾點調(diào)整措施對預防A335 Gr.P22 焊接裂紋有顯著效果。