高酸性氣田冶金復(fù)合匯管焊接制造技術(shù)

周鑫

摘要：天然氣預(yù)處理廠用復(fù)合板制的匯管長(zhǎng)度超長(zhǎng)，且需要長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)絿?guó)外，為保證整體制造質(zhì)量及減少現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，采用廠內(nèi)整體制作、試壓后分段切割、現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行最后分段口焊接的制作方案。該匯管直徑小，壁厚較厚，筒體變形率較大，根據(jù)其設(shè)計(jì)的材質(zhì)Q345R（R-HIC）+S31603及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從筒體卷制、加工及焊接等方面介紹了小直徑復(fù)合設(shè)備的制作工藝及焊接質(zhì)量的保證措施，對(duì)同類型設(shè)備的制造具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：匯管;爆炸復(fù)合鋼板;Q345R（R-HIC）+S31603;卷制;組對(duì);焊接;探傷

中圖分類號(hào)：TG457.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1001-2303（2020）11-0088-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.16

0 前言

目前爆炸復(fù)合鋼板在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用已相對(duì)成熟，其基層與覆層最低結(jié)合率不低于95%，結(jié)合界面的剪切強(qiáng)度不低于210 MPa[1]，完全能夠滿足用于復(fù)合板設(shè)備制作的要求，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，選用爆炸復(fù)合鋼板作為匯管的母材。

由于復(fù)合板是由兩種不同的材料組成，所以在不銹鋼生產(chǎn)中避免部分滲碳和鐵離子污染非常重要;同時(shí)，由于兩種材料的不同，其制造難度比單層不銹鋼或碳鋼更大[2]。

1 設(shè)備主要設(shè)計(jì)參數(shù)

匯管為臥式結(jié)構(gòu)，主體材質(zhì)為Q345R（R-HIC）+S31603，壁厚30+3 mm，長(zhǎng)25 681 mm，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2 不銹鋼復(fù)合板的焊接性分析和焊接工藝要求

（1）基層材料焊接性分析。

Q345R（R-HIC）的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表2、表3所示。

鋼的焊接性與其化學(xué)成分關(guān)系很大，其中影響最大的是含碳量。因此，通常用碳當(dāng)量來(lái)評(píng)價(jià)鋼材的可焊性：

一般認(rèn)為Ceq<0.45%的鋼材可焊性較好，0.393的碳當(dāng)量說(shuō)明Q345R（R-HIC）焊接性一般。

（2）覆層材料焊接性分析。耐蝕層S31603的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表4、表5所示。

奧氏體不銹鋼焊接對(duì)熱裂紋有一定的敏感性，易產(chǎn)生焊接接頭的脆化（475 ℃脆化、σ相和晶界析出碳化鉻脆化或晶粒粗大）等，同時(shí)耐蝕性降低，在一定介質(zhì)條件的接觸下，易產(chǎn)生均勻腐蝕（表面）、局部腐蝕（晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕等）[2]。

（3）Q345R（R-HIC）+S31603復(fù)合鋼板過(guò)渡層焊接性分析。此鋼板過(guò)渡層焊接過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)鎳基合金復(fù)合板過(guò)渡層焊接中存在的熱裂紋問(wèn)題，而且由于Cr、Ni元素含量更低，若焊接材料選擇或焊接工藝不恰當(dāng)，不銹鋼焊縫可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的稀釋現(xiàn)象，更容易形成馬氏體淬硬組織，或由于鉻、鎳強(qiáng)烈滲入珠光體鋼基層出現(xiàn)脆化，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋。

由舍夫勒組織圖可知（見(jiàn)圖1），當(dāng)焊接材料和焊接工藝不合適時(shí)，焊縫中會(huì)出現(xiàn)馬氏體，這是必須克服的問(wèn)題?？刹捎迷诨鶎优c覆層之間選擇合適的焊接材料設(shè)置堆焊隔離層的方法來(lái)控制稀釋率和碳遷移。

（4）焊接方法選擇。

復(fù)合板的焊接可采用SMAW、GTAW、SAW等焊接方法。由于設(shè)備筒體直徑較小，內(nèi)部焊接的作業(yè)空間較小，考慮采用基層氬弧焊打底、基層正面SAW，過(guò)渡層及覆層SMAW，避免了背面清根造成覆層污染。

（5）焊接材料。

不銹鋼復(fù)合板焊接的關(guān)鍵是過(guò)渡層焊接。焊接過(guò)渡層時(shí)，母材基層部分熔化會(huì)使不銹鋼焊縫的合金成分稀釋，同時(shí)也會(huì)降低不銹鋼焊縫中鉻、鎳合金元素的含量，增加碳含量，從而在不銹鋼焊縫中形成硬脆馬氏體組織，降低焊接接頭的塑性、韌性和耐蝕性。因此，在實(shí)際焊接生產(chǎn)中，選擇鉻、鎳等合金元素含量高、碳含量低的焊接材料，使過(guò)渡層的合金性能保持在適當(dāng)?shù)乃?，同時(shí)應(yīng)考慮抗裂性，以控制焊接稀釋率。

（6）坡口的選擇。

焊接坡口形式及尺寸的選擇應(yīng)遵循填充金屬量少、熔合比小、便于操作等原則，坡口形式見(jiàn)圖2、圖3。

（7）預(yù)熱。

不銹鋼復(fù)合鋼的基層需要預(yù)熱時(shí)，預(yù)熱溫度按基層選取，預(yù)熱的厚度參數(shù)應(yīng)按不銹鋼復(fù)合板的總厚度確定，Q345R（30～50 mm厚）焊接預(yù)熱溫度為100～150 ℃[4]。當(dāng)基層需要預(yù)熱時(shí)，施焊過(guò)渡層焊縫也應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱。

采用電加熱法預(yù)熱，預(yù)熱范圍應(yīng)以焊接點(diǎn)為中心，周圍各方向不小于焊接板厚的3倍，且不小于100 mm。預(yù)熱應(yīng)在焊接點(diǎn)周圍或沿焊縫長(zhǎng)度方向均勻進(jìn)行，并防止過(guò)熱。

（8）焊接工藝參數(shù)。

焊接順序?yàn)橄群富鶎?，再焊過(guò)渡層，最后焊覆層。為防止沾附焊接飛濺，施焊前需在不銹鋼復(fù)合板坡口兩側(cè)100 mm范圍內(nèi)刷涂防飛濺涂料，工藝參數(shù)如表6所示。

基層焊接時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格防止基體焊縫熔化到過(guò)渡層甚至覆層焊縫上，避免少量高鉻、高鎳不銹鋼成分稀釋到碳鋼焊縫中形成馬氏體組織而硬化;過(guò)渡層焊接時(shí)，為了減少稀釋比和附加應(yīng)力，在保證全熔透的前提下，應(yīng)盡量采用小直徑焊條，小規(guī)格反極性直道焊;覆層焊接時(shí)，為保證焊接質(zhì)量，必須控制焊接熱輸入，采用多層多道快速無(wú)擺動(dòng)焊接方法，盡可能采用小焊接熱輸入和小焊接電流，快速焊接，焊層間溫度不得高于150 ℃，且不應(yīng)預(yù)熱和緩冷。

最后，保證焊縫一次合格率是控制焊接質(zhì)量的關(guān)鍵性指標(biāo)，因?yàn)椴讳P鋼復(fù)合板焊接接頭的組織和性能十分不均勻，焊縫返修時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)熱裂紋。

3 制造工藝

（1）下料。

排版嚴(yán)格按照中徑計(jì)算展開(kāi)長(zhǎng)度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，厚壁復(fù)合板下料長(zhǎng)度一般需縮小10～30 mm，具體下料尺寸根據(jù)板厚和卷制工藝進(jìn)行制定。同時(shí)，留5 mm機(jī)械加工余量，并在測(cè)量鋼板長(zhǎng)度、寬度及對(duì)角線尺寸后，進(jìn)行劃線切割。

切割通常采用等離子切割法和機(jī)械加工法。針對(duì)33 mm壁厚，可采用火焰或者等離子切割，為了避免切割電弧散噴作用而污染不銹鋼覆層，等離子切割方向由覆層向基層切割。為避免污染，注意吊裝過(guò)程中吊鉤上必須墊膠皮。

（2）坡口加工。

縱縫用銑邊機(jī)或者刨邊機(jī)進(jìn)行機(jī)械加工坡口，環(huán)縫采用車床進(jìn)行機(jī)械加工坡口，需嚴(yán)格控制筒體成型后的橢圓度，保證環(huán)縫的加工質(zhì)量。筒體開(kāi)孔可采用鏜床加工開(kāi)孔或者數(shù)控馬鞍切割機(jī)開(kāi)孔，保證開(kāi)孔精度。開(kāi)孔坡口參照筒體縱環(huán)縫坡口形式。

（3）筒體成型。

復(fù)合鋼板筒體成型一般應(yīng)采用冷卷，可根據(jù)變形度計(jì)算決定是否需要熱加工，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，筒體變形度不超過(guò)3%的均可采用冷成形。本設(shè)備變形量為4.7%，縱縫焊接后校圓前先消除應(yīng)力處理，再中溫校圓。卷制前兩邊都進(jìn)行250～300 mm的壓頭（壓頭長(zhǎng)度根據(jù)卷板機(jī)兩下輥間距決定），壓頭處采用300 mm樣板進(jìn)行檢驗(yàn)，防止筒節(jié)反復(fù)碾壓造成的損傷。筒體焊接成形后，打磨縱焊縫余高至與母材齊平，確保校圓過(guò)程不會(huì)對(duì)焊縫造成損傷，同時(shí)保證筒體圓度，如圖4、圖5所示。

（4）組對(duì)。

對(duì)不銹鋼復(fù)合板錯(cuò)邊量控制的要求比普通碳鋼或低合金鋼嚴(yán)格得多，控制不銹鋼復(fù)合板的錯(cuò)邊量不超標(biāo)是保證其強(qiáng)度和耐腐蝕性能的關(guān)鍵，為此采取以下措施：

a. 嚴(yán)格按照筒體展開(kāi)尺寸下料，并保證實(shí)際下料尺寸準(zhǔn)確。

b. 保證筒節(jié)滾圓質(zhì)量，控制好圓度。

c. 坡口形式尺寸標(biāo)注以覆層為基準(zhǔn)，確保錯(cuò)邊量不超標(biāo)。

d. 對(duì)每一節(jié)筒節(jié)進(jìn)行周長(zhǎng)及橢圓度的復(fù)查，對(duì)同一臺(tái)設(shè)備長(zhǎng)度相同的筒節(jié)可按照周長(zhǎng)大小重新組合，嚴(yán)格控制錯(cuò)邊量，如圖6所示。

e. 封頭與筒體組對(duì)，首先保證各自的圓度，再以封頭周長(zhǎng)匹配筒體周長(zhǎng)，保證封頭與筒體的組對(duì)質(zhì)量。

f. 組對(duì)時(shí)以內(nèi)部覆層為基準(zhǔn)，對(duì)口錯(cuò)邊量小于等于1.5 mm[5]。

（5）焊后熱處理。

不銹鋼復(fù)合板應(yīng)盡量避免焊后熱處理。當(dāng)需要進(jìn)行焊后熱處理時(shí)，應(yīng)盡量避免鉻碳化物析出和σ相的形成。如焊后熱處理溫度在不銹鋼的敏化溫度區(qū)間內(nèi)，就會(huì)降低不銹鋼的耐晶間腐蝕性能。實(shí)踐證明，解決奧氏體和碳鋼回火熱處理敏化問(wèn)題有以下三個(gè)途徑：①選用含Nb、Ti等元素的不銹鋼;②迅速通過(guò)450～850 ℃;③選用超低碳[w（C）≤0.03%]奧氏體不銹鋼。

對(duì)有SSC存在的復(fù)合材料唯一途徑就是③，當(dāng)腐蝕和安全發(fā)生矛盾時(shí)，首先應(yīng)考慮安全，H2S的SSC是突發(fā)事故，事先無(wú)任何預(yù)兆的突然破裂。大量生產(chǎn)實(shí)踐證明途徑③是可以實(shí)現(xiàn)的有效措施，能保證防腐要求。

該復(fù)合匯管主要是為了消除應(yīng)力，但同時(shí)要保證不銹鋼的耐腐蝕性能，所以采用的熱處理溫度比一般常規(guī)熱處理溫度低20～30 ℃，保溫時(shí)間有一定的延長(zhǎng)，效果很好，耐腐蝕性能完全符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

熱處理后按GB/T27866-2011《控制管制管道及設(shè)備焊縫硬度防止硫化物應(yīng)力開(kāi)裂技術(shù)規(guī)范》要求進(jìn)行基層焊縫硬度檢測(cè)：HB≤200。

（6）探傷（見(jiàn)圖7）。

除按設(shè)計(jì)要求外，為保證筒節(jié)成型質(zhì)量，卷制前復(fù)合鋼板進(jìn)行100%UT，筒體卷制后內(nèi)表面100%PT，基層焊接完成后，先進(jìn)行100%UT，合格后方可進(jìn)行覆層焊接，避免基層返修對(duì)覆層的污染，保證焊接一次合格率。全部焊接完成后焊縫進(jìn)行100%RT+100%UT+內(nèi)表面100%PT+外表面100%MT。所有開(kāi)孔接管角焊縫進(jìn)行100%UT+內(nèi)表面100%PT+外表面100%MT。

此外，增加熱處理和水壓試驗(yàn)后所有焊縫的100%UT+外表面MT+內(nèi)表面PT。

（7）水壓試驗(yàn)。

設(shè)備試壓要用潔凈水，水中氯離子含量應(yīng)不超過(guò)25 mg/L，試壓后立即將水排放干凈，并吹干水跡。

（8）酸洗、鈍化。

對(duì)制作完成的筒體內(nèi)表面進(jìn)行酸洗、鈍化，最后采用藍(lán)點(diǎn)檢測(cè)（見(jiàn)圖8、圖9），保證酸洗鈍化滿足要求，確保覆層無(wú)污染及鈍化效果。

4 結(jié)論

根據(jù)上述工藝制造的天然氣預(yù)處理廠用復(fù)合板制的匯管已在土庫(kù)曼斯坦南約洛坦氣田成功應(yīng)用6年，設(shè)備運(yùn)行期間無(wú)任何質(zhì)量問(wèn)題，產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠。綜上所述，覆層316L的復(fù)合板壓力容器其制造要求相對(duì)一般碳鋼更為嚴(yán)格，對(duì)制造和焊接的要求更高，并且在制造該類設(shè)備過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

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