加氢装置TP321奥氏体不锈钢临氢管道的焊接

摘要:结合兰州石化300万吨/年柴油加氢装置所采用的TP321奥氏体不锈钢临氢管道焊接施工实践，对TP321奥氏体不锈钢的焊接及稳定化热处理进行分析，并对高压临氢管线焊接提出几点注意事项。

关键词：TP321焊接工艺稳定化热处理

中图分类号：U473.1+2 文献标识码：A 文章编号：

1、前言

兰州石化300万吨/年柴油加氢装置高压管道主要分布在四个区：第三区（炉反区）、第四区（构二区）、第一区（管带区）、第七区（压缩机区）。目前石化行业的柴油加氢装置的管道一般均采用经固溶和稳定化处理的TP321奥氏体不锈钢管，其焊接的好坏对于工程质量起着举足轻重的作用，美标TP321相当于国内的H0Cr20Ni10Ti，是一种焊接性能良好的奥氏体不锈钢，具有较高的抗腐蚀能力。但其在焊接过程中焊接应力大，在稳定化处理后经常会发生开裂，后续反复补焊易造成报废。因此，必须通过适当的焊接材料选择及合理的焊接工艺控制，才能避免或减少裂纹产生。

2、TP321奥氏体不锈钢的焊接工艺

TP321 奥氏体不锈钢的焊接性能良好，在热影响区无淬硬性，焊接接头具有较好的塑性和韧性，常温力学性能完全可以满足使用要求。但在高温焊接过程中存在以下问题：

（1）由于奥氏体不锈钢有较大的热膨胀系数，焊接时会出现热裂纹；

（2）高温下多余的碳不断向奥氏体晶粒边界扩散，形成碳化铬，在晶界形成贫铬区，降低了抗晶间腐蚀能力；

（3）高温（650~850 ℃）加热过程中，铁素体组织转变成σ脆性相析出，造成裂纹。提高奥氏体不锈钢的焊接质量关键在于合理选择焊材，以及有效控制焊接工艺参数。

3、焊前准备

3.1 母材分析

临氢环境中钢材的腐蚀机理表明，降低焊缝金属中的碳含量直至低于它在奥氏体钢中室温附近的溶解极限，极大地减少碳的析出及(GrFe)23C6的形成，最大限度地减少“贫铬区”的出现，是防止晶间腐蚀的重要途径之一。同时，严格限制非金属磷、硫、硼等的含量，增加与碳生成稳定碳化物的钛、铌及促使钢材中产生铁素体的金属元素钼、钒，使焊缝成为奥氏体- 铁素体双向组织，以使铁素体溶解硫、磷等微量元素，最大范围地降低H在钢中反应生成CH4后在非金属部位聚集的空间。高温高压、临氢环境下的柴油加氢装置，一般选用TP321超低碳不锈钢材料，其成分如表1。

表1 TP321原材料成分标准及实测含量

%

类别 C Mn Si S P Gr Ni Ti

标准值 《0.08 《2.00 《0.75 《0.03 《0.04 17.0~20.0 9~13 5*C%~0.06

实测值 0.0500 1.6500 0.3600 0.0020 0.0260 17.36 10.40 0.420

3.2 焊材选择

根据设计要求焊缝金属中δ铁素体含量约11%，兰州石化分公司300万吨/年柴油加氢装置TP321奥氏体不锈钢管道的焊接，焊材选用根据这一要求，经合格的焊接工艺评定，钨极氩弧焊（GTAW）打底焊丝选用H0Cr20Ni10Nb(ER347)，手工电弧焊（SMAW）中间及盖面焊条选用A132（E347-16），其化学成分如表2所示。

表2 H0Cr20Ni10Nb(ER347)和A132（E347-16）化学成份表

焊接材料 化学元素

C Mn Si P S Ni Cr Mo Cu Nb+Ta

H0Cr20Ni10Nb 0.041 1.85 0.41 0.025 0.005 9.5 21.0 0.11 0.16 0.46

A132 0.045 0.95 0.78 0.036 0.012 9.45 20.24 0.084 0.376 0.523

3.3 坡口

（1）坡口型式：在满足焊缝成形及焊接质量要求的前提下，采用U+V型组合坡口形式，尽可能减少焊接熔敷金属量，尽量使输入焊接熔池的热量减小，缩短焊接接头在敏化温度450～850 ℃区段停留的时间，减少敏化温度对焊接接头的影响。组对坡口如图1所示。

图1 坡口型式图

（2）坡口加工：为减少焊接接头产生内部缺陷的可能，尽可能 采用机械方法加工坡口，以保证加工尺寸及加工精 度。实践证明，采用图1所示的U+V组合型坡口， 既保证了GTAW打底焊操作空间，又保证了质量；同时使收缩型坡口减少了熔敷金属数量，降低了敏化温度的不良影响

3.4 焊接工艺参数

TP321奥氏体不锈钢管焊接方法为：钨极氩弧焊（GTAW）打底+手工电弧焊（SMAW）中间及盖面，焊缝层数如图2。

图2 TP321管组焊图

氩弧焊打底时选择纯度为99．99％的氩气，保护气体流速12 L／min，背面保护气体10 L／min，管内充氩气，对焊道背面进行保护，既避免了焊缝氧化又可较好地保证焊缝成形，减少根部底层出现焊缝缺陷。

钨极氩弧焊打底焊前管子坡口表面接头两侧20mm及焊丝表面油污、氧化膜的清理对防止焊缝出现气孔是非常必要的，因为在惰性气体保护下，熔化金属基本不发生冶金反应，不能通过脱氧的方法消除各种氧化物和污染。氩弧焊和手工电弧焊的焊接工艺参数见表3。

表3 氩弧焊（GTAW）和手工电弧焊（SMAW）焊接工艺参数

焊接层次 焊接

方法 焊材

型号 焊材型号 焊接电流A 电弧

电压V 焊接速度

cm/min 线能量

kJ/cm 氩气流量

L/min

极性 电流

1 GTAW ER347 2.5 正 125 13 5 19.7 13

2-n SMAW E347-16 3.2 反 115-125 22-23 7-13 12.7-22 /

由于奥氏体不锈钢有较大的热膨胀系数，且导热性较差，焊接应采用小线能量焊接，焊接时采用短弧不摆动或小摆动的操作方法。层间温度应控制在100℃以下，每层焊接后锤击焊道，去应力处理，同时，在每一焊道完成后应清除焊道表面的熔渣，并消除各种表面缺陷。

4 稳定化热处理

TP321奥氏体不锈钢由于热膨胀系数大、导热性较差，在相同焊接条件下，焊接残余应力较大。实践证明焊后进行稳定化热处理来消除焊接应力是防止TP321奥氏体不锈钢发生应力腐蚀的有效措施之一。稳定化热处理的加热温度应高于碳化铬完全溶解的温度（450~850 ℃），低于碳化钛或碳化铌完全溶解的温度（850~950 ℃），以使碳化铬完全溶解而碳化钛或碳化铌则部分保留，随后缓慢冷却，使加热时溶于奥氏体中的这部分碳化钛或碳化铌在冷却过程中能够充分析出，这样碳将全部稳定于碳化钛或碳化铌中而不会再形成碳化铬析出，奥氏体固溶体中的碳就能保留住，从而消除了晶界腐蚀倾向。石化厂加氢处理装置用TP321不锈钢管焊后稳定化热处理的温度控制在900 ±20℃，保温时间至少2h，采用电加热法加热，用热电偶进行测温，测温点应不少于3个，升温、恒温及降温过程均采用自动控制。

根据钢材的敏化现象，制定焊缝的稳定化热处理曲线见图3

图3 热处理曲线

如图所示：在0～400℃范围内，以不大于120℃／h的速度，进行应力消除；在400～(900±10)℃范围内，随施工现场情况，提高升温速度，尽量减少升温时间，以减少焊缝在敏化温度区间停留的时间；在(900±10)℃温度范围内，恒温不小于2h，并随管道壁厚的增加而增加，增加数量为4.7min／mm；恒温结束后，即刻进行空气冷却。经过对焊缝稳定化热处理前后其晶相组织的对比分析，实践证明达到了预期的效果。

5 注意事项

(1)机械加工坡口，并在组对前，进行100％PT表面检验。

(2)氩气纯度满足要求。焊接前，用丙酮等有机溶剂清洗焊丝表面，组对焊道坡口及两侧20 mm范围内无油污及杂质。

(3)坡口加工角度、焊缝组对间隙等符合要求。

(4)焊接前即投运焊缝两侧循环冷却水，有效降低层间温度。

对管道壁厚26～40mm的，根据焊工焊接水平情况，可采用一次性焊接及RT内部检验，也可采用分两次焊接并分层RT检验的方法，确保焊缝内部质量缺陷能得到彻底根除。

(6)焊接层间温度，确保小于100℃。

(7)杜绝在存在应力的情况下组对焊缝。

（8）严禁在恶劣天气情况进行，必须保证焊接环境良好

6 结论

在兰州石化300万吨/年柴油加氢装置建设中，不锈钢高压管道全部在单位厂房内进行预制，安装时根据环境和气候情况在现场搭设临时设施防风、雨和雪。焊道坡口经PT检验合格后施焊，因此，只有严格按照焊接工艺要求进行施焊，并及时进行稳定化热处理，才能有效减少或者防止裂纹的发生，保证焊缝质量达到预期目标。

参考文献

[1] GB 50235---97，工业金属管道工程施工及验收规范[s]

[2]张其枢，堵耀庭．不锈钢焊接[M]．北京：机械工业出版社， 2001．

[3]刘政军，徐德昆等，不锈钢焊接及质量控制[M]. 北京：化学工业出版社，2008.