耐熱合金鋼P(yáng)22焊接工藝

曹長(zhǎng)安 趙天亮* 冀衛(wèi)興 趙 芳

(1.河北省安裝工程有限公司；2.河北建筑工程學(xué)院)

0 引 言

15萬(wàn)噸/年蒽油加氫改制裝置高壓工藝管道采用符合ASME A335 P22標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)產(chǎn)管道，公稱成分為2.25Cr-1Mo，介質(zhì)為氣液態(tài)加氫油氣，最高設(shè)計(jì)溫度345 ℃，最高設(shè)計(jì)壓力20.48 Mpa，GC1級(jí)別壓力管道.

由于第一次接觸該類美標(biāo)牌號(hào)管道，針對(duì)產(chǎn)品開(kāi)展焊接工藝研究工作，以確保材料、結(jié)構(gòu)和工藝方法正確性.研究采用的基本方法為進(jìn)行焊接工藝?yán)碚摲治?，再進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn).在焊接理論知識(shí)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)品的焊接材料、安裝有關(guān)因素分析，估計(jì)可能出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，分析產(chǎn)生的原因和尋找解決的辦法，做出初步的焊接工藝預(yù)測(cè)，避免焊接試驗(yàn)的盲目性.在焊接工藝?yán)碚摲治龅幕A(chǔ)上進(jìn)行全面的焊接試驗(yàn)，驗(yàn)證理論分析的結(jié)果，制定合理P22管道焊接及熱處理工藝，避免因腐蝕開(kāi)裂導(dǎo)致事故產(chǎn)生，保證管道安全穩(wěn)定運(yùn)行.

1 預(yù)焊接工藝制訂

1.1 鋼類型及化學(xué)成分

P22耐熱鋼是以Cr-Mo為基的珠光體耐熱鋼，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1和表2.

表1 P22鋼化學(xué)成分(%)

表2 P22鋼機(jī)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(qū)的硬化、冷裂紋和再熱裂紋等問(wèn)題.

由于含有Cr和Mo，具有明顯的淬硬傾向，焊接過(guò)程中在焊縫和熱影響區(qū)出現(xiàn)硬脆的馬氏體組織.鋼中不同組織的膨脹系數(shù)差異，焊接熱循環(huán)過(guò)程中近縫區(qū)產(chǎn)生很大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，導(dǎo)致冷裂紋產(chǎn)生.

P22在焊后熱處理或高溫使用過(guò)程中易出現(xiàn)再熱裂紋.

P22鋼在制定焊接工藝時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)工藝和措施防止熱影響區(qū)的硬化、冷裂紋和再熱裂紋等焊接質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生.

1.3 焊接方法

管道固定口在焊接過(guò)程中受安裝條件及企業(yè)技術(shù)裝備能力的限制，不具備自動(dòng)焊條件.只能選擇受施工環(huán)境影響較小的氬電聯(lián)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(duì)于填充和蓋面焊，手工電弧焊在焊接效率上有一定優(yōu)勢(shì)，并能取得較好的接頭質(zhì)量.

為了提高預(yù)制深度和勞動(dòng)生產(chǎn)率，采用工廠化預(yù)制設(shè)備對(duì)管件進(jìn)行坡口加工及組對(duì)焊接.該套設(shè)備由數(shù)控帶鋸切割、物流運(yùn)輸、數(shù)控坡口機(jī)和自動(dòng)焊工作室四部分組成，能夠進(jìn)行DN100以上管道的埋弧自動(dòng)焊、熔化極氣體保護(hù)焊的焊接.考慮管道規(guī)格、熱輸入及操作方便性，采用熔化極氣體保護(hù)焊對(duì)P22管道進(jìn)行打底、填充及蓋面焊接.

1.4 焊接材料

氣體保護(hù)焊焊絲型號(hào)為ER90S-G，氬弧焊絲型號(hào)為ER62-G，焊條型號(hào)為E6015-B3，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2.焊材具體化學(xué)成分及熔敷金屬力學(xué)性能見(jiàn)表3.

表3 焊材化學(xué)成分(%)及熔敷金屬力學(xué)性能

1.5 預(yù)焊接工藝

P22耐熱鋼應(yīng)預(yù)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(yīng)力集中.厚壁管道在焊接過(guò)程中存在較大拘束度及殘余應(yīng)力，在焊接復(fù)雜熱循環(huán)作用下易誘發(fā)再熱裂紋，故采用多層多道焊[1].焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4.

表4 焊接工藝參數(shù)

定位焊焊縫沿圓周均勻分布，每段長(zhǎng)度為20～30 mm，高度為3 mm，不得少于3點(diǎn).焊接工藝與正式焊相同，必須保證焊透，無(wú)焊接缺陷.為減少應(yīng)力集中，定位焊縫兩端應(yīng)呈現(xiàn)緩坡?tīng)?預(yù)熱到規(guī)定溫度時(shí)，立即進(jìn)行打底層焊接.焊接時(shí)采用較低的電流和電壓、快速焊，保證較小線能量，縮小“過(guò)熱區(qū)”范圍，避免再熱裂紋產(chǎn)生[3].打底層起焊點(diǎn)在兩定位焊點(diǎn)之間，并且一次連續(xù)焊完.焊接過(guò)程中，保證焊縫30～100 mm范圍內(nèi)母材保持足夠溫度，層間溫度控制在300 ℃以下.間斷焊接時(shí)，立即進(jìn)行300 ℃～350 ℃，15～30 min的后熱處理，并且緩冷處理.再次焊接之前，對(duì)焊縫進(jìn)行100%PT檢測(cè)，確認(rèn)沒(méi)有裂紋等缺陷后再預(yù)熱進(jìn)行焊接作業(yè).焊縫表面不允許有咬邊等缺陷，以避免應(yīng)力集中而產(chǎn)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(jìn)行消應(yīng)熱處理，否則必須進(jìn)行立即進(jìn)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(chǎn)生于500-700 ℃升降溫過(guò)程中，故熱處理時(shí)應(yīng)盡量縮短敏感溫度區(qū)間停留時(shí)間.考慮過(guò)大的升溫速度易導(dǎo)致焊接應(yīng)力疊加而增加再熱裂紋傾向，確定適當(dāng)?shù)纳禍厮俣龋员ＷC理想的熱處理效果.熱處理曲線見(jiàn)圖1.

2 焊接工藝評(píng)定

焊接工藝評(píng)定依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T47014-2011,針對(duì)項(xiàng)目管道厚度范圍及焊接方法等因素,編制焊接工藝評(píng)定計(jì)劃,見(jiàn)表5.

表5 焊接工藝評(píng)定編制計(jì)劃

通過(guò)對(duì)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(shù),編制預(yù)焊接工藝規(guī)程并進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，坡口形式及焊道位置見(jiàn)圖2，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表6.

編號(hào)42-100 編號(hào)42-102

表6 焊接參數(shù)

按照工藝參數(shù)進(jìn)行試板焊接，焊后立即進(jìn)行熱處理，熱處理完畢進(jìn)行無(wú)損探傷.按照評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)截取標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試樣斷裂位置在熱影響區(qū)，抗拉強(qiáng)度值符合高于母材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度值下限的要求.每個(gè)焊件分別截取4個(gè)側(cè)彎試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，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(xiàn)單條長(zhǎng)度大于3 mm的裂紋或長(zhǎng)條缺陷，彎曲試驗(yàn)合格.根據(jù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)在每個(gè)焊件截取缺口位置位于焊縫中心和熔合線的6個(gè)沖擊試樣，沖擊溫度為20 ℃，沖擊吸收功均高于標(biāo)準(zhǔn)要求最低值，沖擊試驗(yàn)合格.工藝評(píng)定結(jié)果表明，按照預(yù)焊接工藝規(guī)程焊接的焊件，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，該焊接工藝可以用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)管道焊接作業(yè).

表7 焊接接頭力學(xué)性能

3 實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用

針對(duì)P22鋼焊接特點(diǎn)，制定合理焊接工藝，并根據(jù)評(píng)定合格的焊接工藝評(píng)定編制具體焊接工藝規(guī)程及熱處理工藝方案，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)焊接生產(chǎn).由于P22鋼焊接時(shí)對(duì)預(yù)熱、層間溫度、焊后熱處理有嚴(yán)格要求，不合格焊口返修時(shí)成本大大增加，并影響產(chǎn)品使用性能.焊工要求持證上崗，并進(jìn)行入場(chǎng)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(duì)焊工進(jìn)行焊接工藝交底，使焊工了解P22鋼焊接特點(diǎn)及預(yù)熱、層溫控制范圍及熱處理時(shí)機(jī)等操作要點(diǎn)，嚴(yán)格要求焊工按照焊接工藝卡規(guī)定的層道數(shù)、線能量等工藝進(jìn)行焊接.P22高壓臨氫管道焊口要求100%進(jìn)行射線檢測(cè)，一次探傷合格率達(dá)到97%以上，未出現(xiàn)裂紋、未熔合等缺陷，產(chǎn)品壓力試驗(yàn)合格，焊接接頭處未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象.

4 結(jié) 語(yǔ)

固定焊口采用GTAW+SMAW的焊接方法，預(yù)制焊口采用GMAW自動(dòng)焊，選擇成分、力學(xué)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(qiáng)焊工管理，同時(shí)在施工過(guò)程中嚴(yán)格控制工藝執(zhí)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(chǎn)生，保證了管道的焊接質(zhì)量.