P9管道背面免充氬焊絲的應(yīng)用技術(shù)

文 成，吳 婧

中國石油天然氣第二建設(shè)有限公司，甘肅蘭州 730060

2021年初，某煉廠延遲焦化裝置4臺加熱爐爐管需更換，爐管材質(zhì)為ASTM A335 P9，由于其淬硬性強，焊接性能差，焊接時易產(chǎn)生冷裂紋、再熱裂紋和回火脆性，因此要求焊前預(yù)熱、后熱、焊后熱處理，但預(yù)熱后充氬導(dǎo)致預(yù)熱效果降低，增加焊接難度及勞動強度，增加了成本，甚至有些特殊工況，比如在充氬受限制的封閉管道內(nèi)無法使用工裝進行充氬保護。該材質(zhì)焊接以往所采用的充氬焊絲合格率不高，尤其在爐管安裝時，由于管道較長或采用固定口焊接，背面充氬比較困難，需采用必要的工裝進行充氬，但保護效果較差，焊接效率低，且焊接一次合格率較低，僅為60%～70%。

由于檢修工期緊，為高效優(yōu)質(zhì)完成爐管更換工作，經(jīng)過前期調(diào)研，筆者所在公司對少數(shù)焊材廠家近年開發(fā)的耐熱鋼根焊背面免充氬焊絲進行了對比試驗，并進行了背面不充氬TIG焊的單面焊雙面成型打底焊的焊接工藝試驗，分析各焊接工藝參數(shù)、技術(shù)措施對焊縫成形及性能的影響，制定了最優(yōu)化的焊接技術(shù)方案，最終形成了評定合格的焊接工藝，并成功應(yīng)用于延遲焦化裝置4臺加熱爐檢修中。更換的爐管材料為ASTM A335 P9，規(guī)格為D127 mm×10 mm，共288道焊口，焊接一次合格率達到了97.3%，實現(xiàn)了耐熱鋼管道根焊的背面免充氬焊接。

1 背面免充氬焊絲的工藝性試驗

1.1 P9材料焊接特性[1]

此次更換的爐管材質(zhì)為ASTM A335 P9，規(guī)格為D127mm×10 mm，化學(xué)成分見表1，抗拉強度及延伸率見表2。

表2 ASTM A335 P9的抗拉強度及延伸率

從表1中可以看出，P9材料主要合金成分為Cr、Mo，由于鋼中碳和合金元素的共同作用，在焊接時極易形成淬硬組織，焊接性能差，焊接時易產(chǎn)生冷裂紋、再熱裂紋和回火脆性。

1.2 免充氬焊絲選用

P9合金含量已近10%（見表1），氬弧焊打底時，如果焊縫背面氬氣保護不充分即會產(chǎn)生焊縫根部氧化，出現(xiàn)氣孔、未熔合等缺陷，導(dǎo)致焊接一次合格率很低，需經(jīng)過多次返修才能符合要求，延長了時間，檢修時導(dǎo)致工期緊張。綜上，開展了中高合金耐熱鋼背面免充氬焊接技術(shù)的研究。經(jīng)過多方交流，了解到國內(nèi)外中高合金耐熱鋼免充氬焊絲現(xiàn)狀，并通過在國內(nèi)僅有的生產(chǎn)免充氬焊絲的焊材廠（昆山京群和北京金威）進行工藝性對比試驗，其背部焊接成形及脫渣效果如圖1、圖2所示。

圖1 昆山京群焊絲打底

圖2 北京金威焊絲打底

從圖1、圖2中可以看出，北京金威的免充氬焊絲焊縫質(zhì)量更高，背面成形好，背面焊渣易脫落，且焊接操作性更強，焊接過程穩(wěn)定。因此，最終選用北京金威規(guī)格為φ2.5 mm的TGF90S-G背面免充氬焊絲進行焊接工藝性能試驗。TGF90S-G焊絲化學(xué)成分力學(xué)性能見表3，抗拉強度及延伸率參數(shù)值見表4。

表3 TGF90S-G焊絲化學(xué)成分

表4 焊材熔敷金屬抗拉強度及延伸率

從表3、表4中可以看出，所選用的焊材合金含量更高，能夠補充焊接冶金過程產(chǎn)生的合金燒損，且熔敷金屬的抗拉強度、延伸率高于母材，焊接熔池結(jié)晶后形成的新材質(zhì)的機械機性能也由焊材的機械性能補足其損失部分。

1.3 焊接工藝試驗

選用熊谷WS5-400型焊機，采用直流正接，坡口角度取65°，鈍邊取0.5～1.0 mm，間隙取3～4 mm，免充氬焊絲選用TGF90S-G，經(jīng)多次試驗，制定了如表5所示的焊接工藝參數(shù)，并按照此工藝進行了焊接工藝試驗。打底焊縫正面見圖3。

圖3 打底焊縫正面

表5 背面免充氬焊絲工藝參數(shù)

焊前預(yù)熱溫度為200～250℃，按照表5中的工藝進行焊接，焊后立即進行溫度為300～350℃、時間為30 min的后熱處理，焊接24 h后，經(jīng)RT100%檢測合格，采用升溫速率55～200℃/h、保溫溫度740～780℃、保溫時間2 h、降溫速率55～260℃/h的熱處理工藝進行熱處理[2]。

1.4 試驗結(jié)果及分析[3-4]

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》切取焊接接頭力學(xué)性能試驗試樣。每個焊接接頭取2個拉伸試樣、4個彎曲試樣和6個沖擊試樣（焊縫及熱影響區(qū)各3個），試驗結(jié)果見表6。

表6 試件的力學(xué)性能[4]

從表6試驗結(jié)果分析，試件抗拉強度滿足≥460 MPa，硬度值滿足HB≤241的要求，4件側(cè)彎全部合格，焊縫和熱影響區(qū)沖擊值滿足≥31 J的要求，力學(xué)性能良好，最終形成了合格的焊接工藝評定。

2 充氬TIG焊與免充氬TIG焊效果對比[5]

采用充氬TIG焊時，爐管內(nèi)需要足夠濃度的氬氣，在充氬過程中，因為充氬流速的影響會降低預(yù)熱效果，從而導(dǎo)致氫氣不能很好地逸出，增加冷裂紋出現(xiàn)的機率。隨著爐管安裝長度的增加，氬氣浪費更大，并且充氬濃度達不到要求，管內(nèi)充氬使焊接工序更加復(fù)雜且耗費時間，尤其是現(xiàn)場焊接時固定口充氬受限制。

背面免充氬焊絲TIG焊時，形成氣-渣聯(lián)合保護，焊絲的藥皮會滲透到熔池背面，形成一層致密的保護膜，保護效果更好，使背面不受氧化，冷卻后焊渣一般會自動脫落或用壓縮空氣方法極易清除，這種焊絲適用于全位置焊接，應(yīng)用這種焊絲不僅可以提高生產(chǎn)效率，并且可以降低生產(chǎn)成本。表7以焊接20道爐管焊口進行對比。

表7 D127 mm×10 mm爐管焊口對比

從表7可以看出，相比于背面充氬實芯焊絲TIG焊，背面免充氬藥芯焊絲TIG焊焊接效率提升了37.5%，氬氣節(jié)約了60%。另外，背面充氬實芯焊絲TIG焊需要在預(yù)熱達到溫度后，拆開電加熱帶才開始充氬，在充氬準(zhǔn)備階段及氬氣流動的狀態(tài)下，均造成溫度下降，預(yù)熱效果降低，從而導(dǎo)致后續(xù)焊接時易產(chǎn)生裂紋等缺陷。而背面免充氬工藝是在預(yù)熱達到溫度后即可進行焊接，預(yù)熱起到了避免產(chǎn)生冷裂紋的作用。

3 背面免充氬焊絲的應(yīng)用

考慮到背面免充氬焊絲的良好工藝性能、簡便的施焊工藝和高效的焊接效率，因此在煉油運行三部延遲焦化裝置4臺P9材質(zhì)加熱爐爐管更換工作中，首次應(yīng)用了背面免充氬藥芯焊絲TIG焊新技術(shù)及新焊接材料TGF90S-G進行爐管焊接。

打底焊是影響焊接一次合格率的關(guān)鍵，因此應(yīng)注意焊接時接頭的方法，這樣才能避免焊接缺陷的產(chǎn)生。打底焊時采用直線法焊接或稍加擺動，這樣容易控制熔池或熔孔，保證打底焊的順利進行和打底焊的內(nèi)部質(zhì)量。鎢極氣體保護焊是明弧操作，熔池的可見度好，容易掌握熔池的變化，可以直接觀察到電弧擊穿的熔孔，能夠控制熔孔的大小并且保持一致，見圖4和圖5。

圖4 打底焊接送絲

圖5 打底焊縫外觀

焊接時，焊絲與焊槍夾角為90°～110°，一定要保持熔孔的大小一致，添加焊絲時送進要平穩(wěn)、均勻，要添加到熔孔根部，仰焊時采用內(nèi)添加焊絲以保證背面焊縫的凸起。按此操作方法對6名焊工進行了專業(yè)培訓(xùn)和考核工作，最終確保了焊接一次合格率。

延遲焦化裝置加熱爐共4臺，每臺爐管單根長23 m，每臺24根。因現(xiàn)場場地狹小，為便于施工，同時縮短施工工期，將每臺爐管分成4片預(yù)制，每片6根進行預(yù)制焊接，見圖6和圖7。

圖6 廠房預(yù)制

圖7 現(xiàn)場固定口焊接

采用TGF90S-G進行背面免充氬打底焊接，對延遲焦化4臺加熱爐輻射室規(guī)格為D127mm×10 mm爐管進行更換，7月14日至8月2日完成了4組爐管合計16片的預(yù)制、268道焊口的焊接工作，8月3日至15日完成現(xiàn)場安裝的20道口焊接工作，共288道焊口，焊接一次合格率達到了97.3%，較以往充氬焊接60%～70%的一次合格率有了大幅提升，工期大幅縮短，從而高效優(yōu)質(zhì)地完成了爐管更換工作。

4 結(jié)束語

（1）采用背面免充氬焊絲不僅可以簡化焊接工藝措施，提高生產(chǎn)效率，并且可以降低生產(chǎn)成本，可以在更大的范圍內(nèi)進行推廣，特別適合于管道過長和背面不能進行充氬保護的管道連接接頭焊接。既省去了充氬保護裝置，提高了功效，又節(jié)約了大量保護用氬氣，焊接效率高，焊接一次合格率高，技術(shù)可行，從根本上解決了耐熱鋼焊口根部氧化問題，也解決了在無條件進行充氬的情況下保證焊接質(zhì)量的難題。

（2）背面免充氬藥芯焊絲TIG焊新技術(shù)，首次成功應(yīng)用于2021年延遲焦化裝置4臺加熱爐檢修中，管材為ASTM A335 P9的D127mm×10 mm爐管，共288道焊口，焊接一次合格率達到了97.3%，爐管投運至今的運行狀況良好。