TP321厚壁临氢管道焊接技术

何苏华

(中化二建集团有限公司，山西 太原 030021)

引 言

在石油化工行业中，普通工艺分馏提炼的油品杂质较多，为保证产品的清洁、环保，煤焦油加氢系统应运而生。而在加氢系统中，氢和硫化氢的浓度较高，对传送管道腐蚀性强，容易产生晶间腐蚀[1]。本技术依托晋昌源20万t/a煤焦油加氢处理项目加氢装置，其反应系统连接加热炉、反应器、换热器，进出口配管采用从国外进口的ASTM A312 TP321奥氏体不锈钢，运行环境为高温、高压、临氢状态，总焊口数2128道，最高设计压力18 MPa，最高设计温度450 ℃，管径最大为DN250，壁厚最大为28.58 mm。

1 理论分析

1.1 焊接缺陷分析

鉴于加氢装置中，TP321工艺管道运行环境为高温、高压、临氢状态，氢和硫化氢的浓度较高，因此对焊接质量的管控尤为重要。TP321工艺管道焊接过程中容易出现的主要缺陷包括：焊缝及热影响区热裂纹敏感性大；晶间腐蚀；应力腐蚀开裂；焊缝接头的σ相脆化。

1.1.1 焊接热裂纹

1)产生原因

TP321钢热导率小、线膨胀系数大，在焊接局部加热和冷却的条件下，厚壁高压临氢管线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。在焊接过程中，如果层间温度过高，焊接电流过大，形成热裂纹的倾向就更加明显。

2)预防措施

①选择合适的焊接材料，从而改善焊缝的组织结构；

②焊接时尽量减少熔池过热，提高接头的冷却速度，以防止形成粗大柱状组织。采用小的线能量，以降低焊接拉应力。

1.1.2 晶间腐蚀

1) 产生原因

TP321钢焊接过程中在焊缝和靠熔合线的过热区，当温度达到450 ℃～850 ℃敏化温度时，在晶界上析出碳化铬(Cr23C6),造成晶界处铬的含量达不到防腐蚀的最低值，产生贫铬现象。在腐蚀环境下，就会出现晶界处开裂现象。

2) 预防措施

①采用低碳或超低碳的焊材，或采用含钛、铌等稳定化元素的焊材，使Ti、Nb与C形成稳定的TiC、NbC,而不形成Cr23C6,从而防止晶间腐蚀；

②选用较小的焊接电流和较快的焊接速度,加快冷却速度以减少焊接熔池过热，并焊后进行稳定化热处理。

1.1.3 应力腐蚀开裂

1) 产生原因

在加氢装置反应部分管线输送的酸性多相系统，其富含大量的硫化氢，在这种腐蚀环境下焊接的残余应力在受拉伸作用下就会产生延迟开裂现象，其金相特征是裂纹从表面开始向内扩展，表现为无塑性变形的脆性破坏。

2) 预防措施

①合理制定成形加工和组装工艺，尽可能减小冷作变形度，避免强制组装，防止组装过程中造成各种伤痕(SCC裂源，易造成腐蚀坑)；

②采取合适的焊接工艺：保证焊缝成形良好，不产生任何应力集中或点蚀的缺陷，如,咬边等；采取合理的焊接顺序，降低焊接残余应力水平；

③进行焊后稳定化热处理。

1.1.4 焊缝接头的σ相脆化

1) 产生原因

焊缝在经受一定时间的高温(650 ℃～850 ℃)加热后会在焊缝中析出一种脆性的σ相，导致整个焊缝接头脆化，塑性和韧性显著下降。在高温加热过程中，σ相主要由铁素体转变而成，加热时间越长，析出越多。

2) 预防措施

①选择合适的焊接材料限制焊缝金属中的铁素体含量(<12%)；

②减少焊缝金属在高温下的停留时间。

综上所述，对缺陷进行原因分析，见表1。

表1 缺陷分析表

通过表1可以看出，TP321管道焊接缺陷的产生主要是由于：焊接材料使用不当；未制定合理的加工和组装工艺；焊接工艺选用不合适；未进行稳定化热处理。因此，对以上4点的分析管控是TP321厚壁临氢管道焊接的关键所在。

1.2 焊材选用分析

1.2.1 焊条选用分析

焊接材料的选用根据焊件的化学成分、力学性能、使用条件和施焊条件进行分析。选用含有Nb稳定剂的A132(E347-16)焊条，其具有优良的机械性能和焊接工艺性能，可以有效预防焊缝接头的σ相脆化，抗焊接热裂纹和抗晶间腐蚀性能好。

1.2.2 焊丝选用分析

选用H08Cr19Ni10Ti(ER321)焊丝，其含有稳定化元素Ti,防止晶间析出碳化物，提高焊缝的抗晶间腐蚀能力，具有良好的力学性能。焊丝中含有Si元素，提高了焊接操作性及熔金流动性。

1.3 坡口形式与组对分析

1) TP321奥氏体不锈钢所有坡口加工采用全自动坡口机(图1)，根据现场实际尺寸控制管道下料数据，对于壁厚≤22 mm采用单V形坡口(见图2)；对于壁厚>22 mm采用双V形坡口(见图3)。坡口加工完成后进行100%渗透检测，确保无裂纹和分层。这种坡口形式，一方面，可以减少焊缝金属的填充量，另一方面，也可以降低或消除焊接接头的应力集中。

图1 全自动坡口机坡口加工

图2 壁厚≤22 mm坡口图 图3 壁厚>22 mm坡口图

2) 为了防止焊接过程中的飞溅，组对前在坡口两侧各100 mm范围内涂白垩粉或其他防粘污剂。TP321奥氏体不锈钢组对时不能强力组对，保证焊缝两端可以自由伸缩，利用自制移动式龙门吊(第67页图4)对较大口径管道及管件(≥DN200)进行预拼装，钢丝绳与管材接触面采用帆布隔离，防止直接接触造成的渗碳及摩擦划损。确保对接处不受或少受约束力，这样有效地避免焊缝产生残余应力的可能。

1.4 焊接工艺分析

针对T321管道焊接过程中容易出现的焊接缺陷问题，制定了如下焊接工艺措施。

图4 移动式龙门吊

1) 焊接工艺参数(见表2)

表2 焊接工艺参数表

2) 采用数字弧焊电源，提高焊接电源的可靠性、可维护性、功能的多样性、灵活性，能有效地控制焊接电流、电压的输入，焊接速度快，能有效地预防晶间腐蚀的产生；

3) 打底层采用钨极惰性气体氩弧焊(GTAW)工艺(见图5),热输入线能量较小，焊接质量优良，此工艺熔池保护效果好，焊缝金属致密。焊接过程中线能量控制在5 kJ/cm～12 kJ/cm，能有效地降低焊接拉应力，预防焊接热裂纹的产生。此工艺焊接成形的焊缝，在生产中可以有效避免腐蚀介质在接头部位的聚集，预防应力腐蚀开裂现象；

图5 氩弧打底焊

4) 焊接时在保证焊透和熔合良好的前提下，在焊接工艺参数范围内采用多层、多道、窄焊道焊接的氩电联焊工艺，采用小热输入、短电弧、不摆动或小摆动的操作方法，有效地预防了晶间腐蚀现象。

5) 焊缝背面充氩，实行内保护，内保护措施采用管子整体充氩，并符合下列要求：

①管内充氩气开始时流量适当加大，确认管内空气完全排除后施焊。

②焊接时充氩气流量逐步降低，避免充氩气压力较高而造成焊缝背面成形时出现内凹或根部未焊透现象，焊后延迟5 s～15 s停送氩气，以保护尚未冷却的钨极和熔池。

③为了取得良好的保护效果，要控制氩气流量在10 L/min～15 L/min，且氩气纯度达到99.99%。

④GTAW法焊接时，手工均匀送进焊丝, 以获得平整而均匀的焊道，打底层用胶布反粘(见图6)，防止附着在母材上的粘接剂污染焊缝。焊丝的加热端始终在氩气保护之下，为加强保护效果在焊嘴后侧加一辅助输送保护气罩。断弧后，要待焊接熔池冷却后才能切断氩气保护。

⑤氩弧打底层焊接时，在管段两端的坡口上用可熔性纸封堵，形成密封室，管道内部进行充氩保护，由于底层焊道较薄，焊接第2层时，焊缝背面也进行充氩保护。

⑥焊接用氩气输送管采用塑料软管(见图7)，不能用橡胶软管或其他吸湿性材料的软管。

图6 坡口端面保护 图7 充氩保护

6) 针对本工程TP321管道在高温情况下热裂纹倾向高且容易出现σ相脆化。因此，为提高焊接熔池的冷却速度，用冷水、乙醇擦拭焊缝两侧，减少焊缝的高温停留时间，加快焊缝冷却速度。

7) 焊件多层焊时，层间温度稍高于预热温度，且每层的焊接接头错开。除打底焊外，其余焊层采用多道焊，层内温度控制在100 ℃～150 ℃，不低于预热温度，用手持红外测温仪进行测量控制。每一层每一道焊完后均用专用砂轮磨光机彻底清除焊道面的熔渣等附着物，并做着色检查，消除各种表面缺陷。

8) TP321厚壁管道焊接采用氩电联焊的焊接工艺，焊丝手工送进速度要均匀且不能太快, 以获得平整而均匀的焊道，层间焊接接头相互错开。手工电弧焊盖面层时(见第68页图8)，操作必须短弧快速焊, 并横向摆动焊条，在仰焊部位尽量减小熔池体积，有利于焊缝成形，平焊部位焊缝收弧时, 焊条除作横向摆动外，还纵向摆动, 以填满弧坑，摆动幅度控制在8 mm以内。

1.5 焊缝稳定化热处理分析

1.5.1 焊缝热处理条件

1) 管道附着件和与管道焊接连接支、吊架的焊缝全部进行焊缝热处理。

图8 电弧盖面

2) 热处理前，需热处理焊缝的焊接工作全部结束，焊缝的外观检查完毕，并符合设计和规范要求。

3) 热处理机具、电加热器、热电偶及保温材料准备齐全，人员已进行技术交底，熟知工艺要求和标准。

4) 焊接热处理人员通过专业培训，并经过考核取得国家或行业机构的资格证，焊接热处理人员要严格按照焊接程序和热处理工艺规范要求执行，做到操作无误，记录准确。专业技术人员要认真及时填写热处理记录报告，整理竣工资料并进行移交。

1.5.2 热处理部位

所有TP321管道及管件的对接焊缝。

1.5.3 热处理工艺要求

1) 热处理温度(见表3)。

表3 管线热处理温度

2) 热处理范围

热处理的加热范围以焊缝为基准，两侧各不小于焊缝宽度的3倍，且不小于25 mm，加热区以外的100 mm范围予以保温，且管道端口封闭。如图9所示。

图9 管道热处理加热、保温方法简图

3) 热处理的加热速度、恒温时间及冷却速度(见图10)

300 ℃以下时不控制，加热升温300 ℃～900 ℃，当管道壁厚≤25 mm时加热速度≤180 ℃/h；25 mm<管道壁厚≤28.58 mm时加热速度≤150 ℃/h。

恒温时间按表4规定计算，且总恒温时间均不得小于2 h。在恒温期间内，各测点的温度均在热处理温度规定的范围内，其差值不得大于10 ℃。温度控制精确，且不超过热处理的温度范围。TP321管道每毫米壁厚4.7 min。

图10 热处理曲线图

恒温后700 ℃以上时，壁厚≤25 mm时冷却速度≤180 ℃/h；25 mm<管道壁厚≤28.58 mm时冷却速度≤120 ℃/h。冷却至700 ℃后自然冷却。

管壁厚度(或焊缝金属厚度)热处理时加热速度、恒温时间、降温速度见表4。

表4 加热速度、恒温时间、降温速度表

4) 热电偶的布置

至少有一个控制热电偶置于焊口上方，并且至少有一个记录热电偶进行温度监控，置于控制热电偶90°处，热电偶置于焊缝中央，热电偶间的最大温差不大于10 ℃。

2 焊接材料和方法

2.1 管道材料

1) 临氢状态下ASTM A312 TP321管材化学成分及力学性能见表5、表6。

表5 TP321钢化学成分 %

SiCrTiNi≤0.07517.00～19.005w(C)～0.79.00～12.00

表6 TP321钢常温力学性能

从表5、表6中可以看出，TP321钢是一种含有稳定化元素钛的奥氏体不锈钢，因此在一般情况下其焊接性能良好，焊接接头具有较好的塑性和韧性。

2.2 材料与生产环境的匹配情况

在临氢环境中材料的晶间腐蚀机理表明，较低的金属碳含量，可以减少快速连续加热过程中金属晶粒内部过饱和固熔的碳原子向晶粒边缘扩散，最大限度地避免“贫铬区”的出现，这是防止晶间腐蚀的重要手段，同时严格限制非金属磷、硫、硼等的含量，增加可以与碳生成稳定碳化物的钛、铌。TP321属于超低碳不锈钢材料，符合上述要求。

2.3 TP321的光谱分析试验

TP321原材料在施工前必须进行严格的材料验收、检查，对所有管材、管件等均按照批号且每批(同炉批号、同材质、同规格)抽检10%，不少于1件进行光谱分析(如图11)，确保其成分符合出厂证明文件要求，并满足工艺需求。

从表6可以看出、进场原材料实测值符合标准值要求，因此进场原材料合格。

图11 TP321管材光谱分析试验

表6 TP321原材料成分标准及实测数据表%

2.4 焊接材料

1) 焊条化学成分及力学性能见表7、表8。

表7 A132(E347-16)成分标准及实际含量数据表 %

表8 A132(E347-16)力学性能

2) 焊丝化学成分见表9。

3) 焊接材料与母材的匹配情况

通过焊材与母材化学成分实测值比对，焊材S、P等杂质的含量较母材实测值的含量少，一方面,可以有效防止产生热裂纹，另一方面,提高了焊接接头的耐蚀性；Si的含量在标准范围内保证敷设金属流动性的同时，又降低了产生杂质化合物的概率；A132和H08Cr19Ni10Ti均为高合金的焊接材料，其中,耐蚀性元素Cr、Ni含量略高于母材以防止应力腐蚀；焊材中稳定化元素Ti、Nb可防止晶间腐蚀；焊条的力学性能与母材基本一致，熔合匹配性好。

表9 H08Cr19Ni10Ti(ER321)成分标准及实际含量数据表

4) 本技术用的焊接材料(见表10)。

表10 焊接材料用量

3 焊接结果与分析

在晋昌源加氢装置TP321管道施工过程中，焊缝外观检测合格率100%，外观成形美观；无损检测一次合格率99.8%。本技术通过对TP321厚壁临氢管道母材及焊材的化学成分及力学性能分析，证明了材料与生产环境相匹配，焊接材料与母材相匹配；施工中通过优化坡口形式、改良预制工装、选用可行的焊接工艺、焊后稳定化热处理，确保了焊接质量，同时也提高了工作效率。

4 结论

施工实践证明，运用本技术有效地防止了焊接热裂纹、晶间腐蚀、应力腐蚀开裂、焊缝接头的σ相脆化等缺陷的产生，施工质量得到了有效的保障。通过全自动坡口机、自制移动式龙门吊、数字弧焊电源等新设备、新方法、新工艺的应用，改进了原有TP321管道施工工装，优化了焊接工艺，高效、快速地达到高水平的焊接质量。本技术工艺成熟、经济实用、优质高效、可操作性强，对同类装置、同类管道焊接提供了良好的借鉴作用，具有一定的推广价值。