TP321钢高压临氢管道焊接和质量控制

摘要:本文主要分析了TP321钢高压临氢管道焊接过程中需要重点关注的问题，提出了当前焊接过程中比较常见的焊接缺陷，并针对焊接的缺陷提出了质量控制的对策。

关键词:TP321钢；高压临氢管道；焊接；质量

中图分类号： 0213 文献标识码： A

一、前言

目前，在TP321钢高压临氢管道焊接过程中，还存在很多问题，由于焊接过程较为复杂，需要控制的因素较多，所以，做好TP321钢高压临氢管道焊接的质量控制工作非常重要。

二、焊缝裂纹缺陷分析

某厂加氢裂化装置高压管线投产仅2年，就在多道焊缝、熔合线及母材处发现裂纹。

1、焊缝裂纹的表征和特点

该加氢装置2008年建成投产，在初次停工检修时，先后在反应器、高压换热器的进出口等高压管线焊缝处发现裂纹，裂纹最深达48mm．后经过对全部焊缝PT检查发现，有裂纹的管道规格从4,27mrnx5mm至4,559mmx54mm不等(其中绝大多数的为大El径管道)，主要为纵向裂纹，少部分是横向裂纹，部分焊缝上还存在树枝状裂纹，这些裂纹分布在熔合线、焊缝、母材以及热影响区等处。

2、焊接裂纹缺陷原因分析

(一)焊接热裂纹

TP321奥氏体不锈钢具有优良的焊接性能，但是在焊接过程中与其他不锈钢相比，奥氏体不锈钢具有较高的热裂纹倾向性和敏感性，其根本原因是由于奥氏体不锈钢的热导率小，线膨胀系数大。因此，在焊接局部加热和冷却的条件下，焊接接头部位的高温停留时间较长。焊缝金属及近焊缝在高温承受较高的拉伸应力与拉伸应变，对于管壁较厚不易散热的高压临氢管线来说，这一现象就更加明显。在焊接过程中，若道间温度过高，焊接电流过大，产生热裂纹的倾向就更加明显。当这些热裂纹较微小或沿管子径向分布时。射线探伤将很难发现。这些微裂纹在管道运行条件下由于受到内应力、外力或腐蚀介质的作用下就很容易扩展。

(二)焊接接头的耐蚀性降低

奥氏体不锈钢具有较好的耐蚀性能，但若采用的焊接方法及工艺不当，则容易发生晶间腐蚀和应力腐蚀。TP321高压奥氏体不锈钢因焊缝金属的化学成分中含有稳定化元素Ti并经过稳定化处理。一般不会在焊缝处发生晶间腐蚀。但若焊接方法不当，就很容易在焊缝、紧靠熔合线的过热区以及热影响区的敏化温度区发生晶界上析出碳化铬．造成晶界贫铬而发生晶间腐蚀，晶间腐蚀主要表现为沿晶开裂。而应力腐蚀主要是由于存在焊接残余应力、接头设计不合理及腐蚀介质浓度提高造成的．它的金相特征是裂纹从表面开始向内扩展，只是裂纹一般为穿晶断裂。从焊缝分布、裂纹沿晶界方向以及焊缝裂纹主要从表面向内扩展来看，不排除这些焊接接头耐腐蚀性降低引发裂纹的可能性。

(三)腐蚀性介质

该加氢装置反应部分管线输送的为酸性多相系统，其中富含大量的H2S，H2S的分压远远大于国际上的规定：当气相总压≥1．8MPa时，H2S的分压≥0．0003MPa的标准。根据H2S腐蚀机理可知，在高温高压下湿硫化氢会发生电离，产生大量的氢离子。氢离子由于半径极小。获得足够的能量后变成扩散氢，极易沿晶界向钢材内部扩散(这也是这类管道检修时通常需进行消氢处理的一个重要原因，通过消氢处理使氢从焊接接头中逸出，确保焊接接头的质量)，由于氢离子之间的结合力较强，易在热裂纹、腐蚀性降低以及晶粒粗大等缺陷处相互结合形成氢气团。从而产生一个很大的内应力，在强度较高的材料内部产生微裂纹，形成微裂纹后，氢离子再次聚集、结合，再扩展，最终可导致裂纹扩展，甚至管线断裂。

三、高压临氢管道焊接材料的质量控制措施

1、焊接材料选用

焊接材料的选用应根据焊件的化学成分、力学性能、使用条件和施焊条件考虑，为了防止TP321钢管道焊接产生晶间腐蚀，选用焊接材料时应考虑以下因素：

（一）焊缝中加入稳定的碳化物元素，即在焊缝中加入Ti，Nb，使形成TiC或NbC，减少形成Cr23C6的可能性，避免产生晶间腐蚀。

（二）减少焊缝中的C含量，即可减少和避免形成碳化物，从而减小形成晶间腐蚀的倾向。考虑到上述要求，焊接材料选用H08Cr19Ni10Ti焊丝及A132焊条。

2、焊接材料要求

（一）焊接材料必须具有生产厂家质量证明书或产品合格证，经外观检查合格。

（二）做好材料复检，实施焊接前须进行焊材熔敷金属的化学成分分析，对入库焊材检验按1%的比例进行光谱分析，以检验焊接材料化学成分是否符合规范要求。

（三）焊条使用前应按焊条产品说明书的要求进行烘干。

四、高压临氢管道焊接工艺的质量控制措施

1、进行焊接工艺评定或选用已有的《焊接工艺评定报告》，编制《焊接工艺规程》和《施工方案》，并按规定进行报审

2、按《石油化工有毒、可燃介质钢制管道工程施工及验收规范》SH3501－2011规范的要求取样进行材质复检，并进行焊接过程质量控制

3、做好施工准备和技术交底工作，审核施焊焊工的资格，必要时对焊工进行现场考试

4、焊接质量控制措施

（一）为防止焊接接头过热，减少焊缝裂纹倾向，提高焊接接头抗蚀性，焊接参数选用小线能量，短电弧，不摆动或小摆动的操作方法。严格按照焊接操作规程的焊接参数执行;

（二）在进行多层焊时，要等前一层焊缝冷却后再焊接次一层焊缝，层间温度应控制在60～100℃，不宜过高，这是保证不产生裂纹的关键;

（三）定位焊缝应均匀分布，不宜少于2～3点。正式焊接时，起焊点应在两焊缝之间。定位焊后，应立即进行底层焊缝的焊接，每一条焊缝必须连续焊完;

（四）在焊接过程结束和中途断弧前，收弧要满且要设法填满弧坑，以防止弧坑裂纹的形成;

（五）根据施工经验，管径较小时，加热集中，散热缓慢，从而造成成品粒长大严重，热裂倾向加大，故焊接管径较小的管子时，采取在焊缝两侧用湿巾擦拭强冷却的措施，以减少焊缝的高温停留时间，加快焊缝的冷却速度，但要注意不可直接在焊缝上进行;

（六）焊接完毕后，及时清理焊缝及两侧。因为在高温下硫将在熔渣中迅速积聚，而造成脆化，此外再氧化环境中，在达到或接近熔渣的熔点时，熔渣中其他一些元素还将化学腐蚀破坏。

5、焊缝的无损检测

（一）本装置高压管道全部为GC1/SHA1级管道，按设计及相关规范要求全部对对接接头焊缝做100%无损检测;

（二）管道焊接接头的无损检测按JB/4730进行焊缝缺陷等级评定。管道对接接头无损检测比例应以每位焊工为单位统计计算。每位焊工焊接的同管线号、同材质的焊接接头按规定比例进行检测，且固定焊口的检测数量不得少于被检测数量的40%;

（三）管道焊接接头扩探规定和要求。对同一焊工焊接的同一管线上的焊接接头经局部抽样检测，若出现不合格时，应按该焊工的不合格数(不合格焊口或不合格片数)加倍扩大检验;加倍检验仍有不合格时，则应全部予以检验;

（四）对于高压厚壁TP321管道焊缝无损检测应分两次进行，焊缝焊接到1/2时，对焊缝进行一次全ＲT检测。若一次检测不合格，则返修合格后方可继续焊接;若合格，继续焊接结束后再进行第二次全ＲT检测;

（五）由于高压管道厚度大，进入现场安装后，ＲT检测透照时间长，一般需时100d左右，与安装工期的要求矛盾很大。为了节省工期，又能按规定进行检测确保工程质量，根据中国石油在同类装置上引进和使用TOFD和相控阵检测技术的实践，在施工验收规范允许和建设单位同意的情况下，在该装置上首次采用TOFD和相控阵检测技术。达到了预期目的;

（六）SHA级管道焊缝必须进行100%ＲT检测;

（七）SHB级高压厚壁碳钢管道检测时，ＲT检测比例不得小于20%，使用TOFD技术检测比例不得大于80%，且所有经TOFD技术检测的焊缝必须同时配套使用超声波检测和磁粉检测;

（八）SHB高压厚壁不锈钢管道检测时，ＲT检测比例不得小于20%，使用相控阵技术检测比例不得大于80%，且所有经相控阵技术检测的焊缝必须同时配套使用超声波检测和渗透检测;

五、稳定化热处理

TP321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。

六、结束语

综上所述，TP321钢高压临氢管道焊接质量的控制工作一定要从各个环节着手，确保焊接工作合理有效的进行，提高焊接的效果，避免焊接过程中出现过多的焊接缺陷。

【参考文献】

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[2]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，2012.

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