浅析国外渣油加氢装置P22管道焊接施工工艺

2019-06-12

石油化工建设 2019年1期

石化第十建设有限公司山东黄岛 266520

1 前言

中亚某炼油厂360万t/a渣油加氢装置的A335-P22厚壁、高压、合金管道主要集中在热高分区域,管道规格有Φ273mm×38.1mm和Φ325mm×45.2mm,用于输送反应器出口高压油气至热高分、高压换热器及高压空冷装置。该管道压力高、温度高、壁厚大、要求严,其焊接施工工艺是施工中的重点、难点。同时,因国外工程的特殊性,需在项目所在地完成焊接工艺评定。针对以上特点,中石化第十建设有限公司认真研究,制定出了一套可行的焊接施工工艺。

2 材料特性

2.1 化学成分

A335-P22钢是美国材料与试验协会的标准号,其化学成分见表1。

表1 A335-P22钢的化学成分(质量分数)

从表中钢的化学成分可以看出,其铬钼含量较大,相对于碳素结构钢来说,这种合金元素的添加提高了高温蠕变强度。Cr-Mo基具有良好的抗氧化性和热强性,同时还具有抗硫和氢腐蚀的能力。

2.2 力学性能

A335-P22钢的力学性能见表2。

3 焊接性分析

A335-P22是一种合金耐热钢,具有持久塑性好等特点,在国外广泛应用于各种受热面管道。这种钢在焊接过程中存在热影响区硬化、冷裂纹及焊后热处理或高温使用过程中的再热裂纹等问题,因而影响了焊接质量。

表2 A335-P22钢的力学性能

3.1 淬硬性及焊接接头冷裂倾向

3.1.1 淬硬性

淬硬性是钢淬火后获得硬度的能力,焊接热影响区的硬度和冷裂倾向与钢材的化学成分有密切的关系,其中碳的影响最明显。

根据据美国金属协会提出用于评定低合金钢焊接性的碳当量(CE)公式［1］:

此钢碳当量CE=0.815%＞0.6%,钢材的淬硬倾向大。

这也是由于钢中含有1.9%～2.6%的Cr和0.87%～1.13%的Mo,推迟了钢在冷却过程中的转变,使过冷奥氏体的稳定性提高。当冷却速度较大时, 热影响区(HAZ)会出现贝氏体和大量马氏体的淬硬组织。尤其当形成粗大的孪晶马氏体时,其缺口敏感性增加,脆化严重, 因而焊接时热影响区有一定的淬硬倾向。焊接A335-P22钢时,如果焊接线能量较小,钢厚度较大且不预热焊接时就有可能发生100%的马氏体转变。

3.1.2 冷裂倾向

钢的淬硬倾向越大,焊接时越易产生裂纹。这是由于A335-P22钢极易产生淬硬的显微组织,再加上焊缝区足够高的扩散氢浓度和一定的焊接残余应力共同作用,使焊接接头易产生氢致裂纹。这种裂纹在热影响区和焊缝金属中都易发生。在热影响区出现的大多是表面裂纹,在焊缝金属中通常表现为垂直于焊缝的横向裂纹,也可能发生在多层焊的焊道下或焊根部位。冷裂纹是A335-P22钢焊接中存在的主要危险。

目前一般采用焊接裂纹敏感性指数来评估低合金钢的焊接冷裂纹敏感性,若考虑到焊缝金属中扩散氢以及不同厚度(即拘束条件不同)对焊接冷裂纹的影响,可在Pcm指数的基础上进一步得到Pc指数。

根据钢的裂纹敏感性系数(Pcm)公式［2］:

计算结果表明A335-P22钢具有一定的冷裂纹敏感性。

根据钢的冷裂敏感指数公式:

式中,HD——扩散氢含量值,取5mL/100g(E9016-B3的HD≤5mL/100g);

H——焊缝高度值,取38.1mm(以尺寸Φ273×38.1mm为例);由以上Pc公式中可以看出,焊接接头的含氢量越高,则裂纹的敏感性越大。焊接是在高温作用下作业,会有大量的氢溶解在熔池中,在随后的冷却和凝固过程中,由于溶解度的急剧降低,氢极易逸出,但因冷却很快,使其来不及逸出而保留在焊缝金属中。当氢聚集到一定浓度时,就会破坏金属中原子的结合键,使金属内出现一些微观裂纹;在应力持续作用下,氢不断聚集,微观裂纹不断扩展,直至发展为宏观裂纹,最后断裂。焊接材料中的水分,焊件坡口处的铁锈、油污,以及环境湿度等都是导致焊缝中含氢的原因。

3.1.3 焊接接头的应力状态

由于焊接时不均匀加热及冷却过程中产生的热应力和结构自身拘束条件所造成的应力,会引起氢的聚集,从而诱发裂纹。

3.1.3.1 焊缝和热影响区在不均匀加热和冷却过程中产生的热应力

当电弧作用在焊件上,靠近电弧的区域快速升温并融化,体积急剧膨胀;而离电弧远的区域升温比较慢,体积变化比较小,这时周围区域就限制了熔池的自由膨胀。而当电弧移开后熔池开始冷却凝固收缩,因为之前膨胀受到限制,如果是自由收缩,那熔池应变得更小更窄;但由于周围材料的限制,熔池又不能自由收缩,所以必然产生残余应力。应力的大小与母材和填充金属的热物理性质有关,也与材料的刚度有关。

3.1.3.2 焊接接头受焊接刚性拘束产生的拘束应力

这种应力包括材料的刚度、焊缝的位置、焊接的顺序、管道的自重,其他受热部位冷却过程中的收缩,以及焊接时管道支撑程度等,都会使焊接接头承受不同程度的应力。

3.1.4 防止措施

A335-P22钢焊接时,由于应力状态、焊缝金属中氢含量,以及由材料淬硬倾向决定的金属塑性储备等综合作用,其焊接接头有产生裂纹的情况发生。

针对此类钢焊接,其主要问题是解决氢脆敏感性高的淬硬组织,单纯减低扩散氢含量避免不了裂纹,必须采取焊前预热、焊后缓冷以及焊后热处理等对策。概括来说,防止冷裂纹的对策主要有:

(1)降低局部含氢量。例如应用低氢焊接方法,选用低氢焊接材料,焊接材料在焊前予以干燥,并妥加保管,对施焊环境的温度、湿度加以控制,以及焊前预热等。

(2)控制冷却速度。

(3)预热。

(4)后热(消氢处理)。

(5)减小和消除拘束应力。

(6)采用合适的焊接方法与焊接工艺。

3.2 焊缝金属中的热裂纹

热裂纹主要产生在焊缝中,特别是弧坑处。影响热裂纹产生的因素较多,从工艺因素方面主要有:

3.2.1 裂纹与焊缝成形系数

焊缝成形系数(Φ=b/h)与A335-P22钢焊缝热裂纹有关［3］,焊缝成形系数小时,容易产生热裂纹,见图1。

图1 焊缝成形系数对A335-P22钢焊缝热裂纹率的影响

焊缝成形系数(Φ)小的焊缝呈梨形,在其他条件不变时,焊接电流过大,则易形成梨形焊缝。焊缝成形系数越小,焊缝柱状晶越容易在焊道横向会合,在焊缝中心形成脆断面,而且低熔点杂质也由于焊接方法不当,聚集在该脆断面处,故焊缝易产生纵向热裂纹。

3.2.2 焊接热输入量

采用较低的输入量对防止热裂纹的产生十分必要,特别是对焊缝结构拘束度较大时有利。在收弧时一定要将弧坑填满。图2为焊接热输入量大小对A335-P22钢热裂纹率的影响［4］,由图可知,要防止热裂纹的产生,宜将热输入量控制在50kJ/cm以内。

图2 热输入量对A335-P22钢焊缝金属热裂纹率的影响

3.3 再热裂纹

焊后A335-P22焊件在一定温度范围内再次加热(消除应力热处理或其他加热过程)而产生的裂纹称为再热裂纹。再热裂纹通常发生在熔合线附近的粗晶区中,从焊趾部位开始,延向细晶区停止。钢中Cr、Mo、V等元素会促使再热裂纹的形成。

这是由于在焊接过程中,焊后冷却速度较快,Cr、Mo、V等合金元素固溶在铁素体中;当再次加热到500～700℃时,合金元素从晶内以碳化物形态析出,使晶内强化,而晶界成为薄弱环节,在应力的作用下,导致晶界开裂而形成裂纹。

另一方面,在整个焊接过程中如果温度控制不当,重复多次的加热及冷却过程,就会使焊件经历再热裂纹敏感温度区域,加之大的拘束度和焊接残余应力的作用,也会导致其产生再热裂纹。

控制层间温度,采用低线能量工艺和方法,缩小焊接过热区宽度,细化晶粒以及选择合理的热处理工艺参数都是控制热裂纹的主要应对措施。

3.4 回火脆性

由于接头在350～500℃回火脆化温度内受热, 钢中杂质在奥氏体晶界偏析,引起晶界脆化;又因Mn、Si等促进回火脆化的元素存在,从而产生回火脆性。适当延长最佳温度范围内的焊后热处理时间,可以提高焊缝金属的韧性,减少回火脆性。

鉴于上述焊接性分析,厚壁A335-P22钢的焊接必须采取一系列的工艺措施, 如焊前预热、焊后热处理等。而焊接工艺规范及热处理工艺参数的选用必须尽可能地减少焊接区氢的来源,降低焊接残余应力,加速焊缝熔敷金属中扩散氢的逸出,改善焊接接头组织和性能。

4 施焊特点

4.1 工程特点

渣油加氢装置采用渣油固定床加氢处理技术,属高温、高压的催化加氢过程。因其复杂的加工生产工艺及高温、高压、临氢、易燃、易爆,及腐蚀性强等特性,装置从设计选材到施工焊接等环节,均显示了与国内常规石化装置不同的特点。

4.2 焊接特点

高压厚壁管道的焊接工艺复杂,要求严格、苛刻。焊接需要执行ASME标准,不接受国内焊接工艺判定,而且要在现场负责焊接工艺评定、焊工培训、焊工考试等。

4.3 焊工属地化

焊工属地化管理存在一定的语言、习俗、理解差异,给现场焊接管理带来了难度。为确保焊接质量,首先要严格焊工准入制,只有取得工程相应焊接考试资质的焊工,经培训合格后方才施焊。其次,加强对焊工过程焊接能力的评估,分初始评估和周期评估,评估主要是根据对其焊缝射线检测结果进行,形成焊工退出机制,确保焊工处于受控状态。

4.4 环境差异化

本工程地处伊朗阿拉克省,海拔平均在1300m左右,属大陆性亚热带高原和沙漠气候,寒暑变化剧烈,夏热、冬冷、多风,从11月开始就降水不断。工程跨越寒暑季节,焊接时受工程环境的影响较大:焊接的环境温度较低,往往容易产生裂纹;空气中的湿度太大,会引起焊条受潮坡口有水分,容易造成焊缝气孔;室外施焊时往往会由于刮风、下雨、下雪而造成施焊困难等。

为了确保焊接质量,当环境温度低于0℃时,不得进行任何焊接工作;温度在0～32℃之间,需对起焊点4吋范围以内预热后按工艺要求开始施焊;若焊件表面潮湿,以及有冰冻、降雪或刮大风时,除有适当措施外不得进行焊接作业;对于现场焊口,需100%搭设防风棚。

同时,过低的环境温度会加大接头的冷却速度,所以在焊接过程中要对预热温度、层间温度、后热温度等进行动态实测适时修正,严格执行焊接工艺,确保焊接过程100%受控。

5 焊接工艺的制定

5.1 焊接材料选用

从保证焊缝性能匹配、化学成分相近的原则［5］出发,焊丝选用ER90S-B3,焊条选用E9016-B3,焊材的化学成分及熔敷金属的力学性能见表3和表4。

表3 ER90S-B3焊丝的化学成分和机械性能

表4 E9016-B3焊条的化学成分和机械性能

5.2 坡口设计

Φ273mm×38.1mm管道焊接坡口形式与尺寸采用ANSI B16.25标准所给的坡口形式,并参照此工程总承包焊接规程文件 Welding Procedure Specifications［6］,如图3所示。其中对口间隙为 3.2～4mm,钝边量为1.6mm±0.8mm。

5.3 焊前准备

(1)彻底清除Φ273mm×38.1mm坡口内外表面两侧20mm处及焊丝表面油污、漆、铁锈、水分,直至露出金属光泽;

图3 A335-P22钢Φ273×38.1mm管材对接坡口形式

(2)坡口加工均采用机械方法进行,坡口加工后,对坡口及其两侧各20mm进行表面检测;

(3)严禁强力组对,焊缝两端尽量可以自由伸缩;

(4)错边量≤1mm,偏斜度≤2mm;

(5)焊条在 350～400℃下烘烤1h,在80～120℃恒温储藏,随用随取。

5.4 焊接线能量参数选取

由于A335-P22钢对线能量的变化不敏感,因此线能量的选用应从防止再热裂纹的产生来考虑,在保证焊缝成型质量的前提下选用较低的线能量参数,以缩小过热区的宽度,减小晶粒长大倾向。考虑到线能量对A335-P22钢焊缝金属热裂纹率的影响如图2所示,线能量定为40～50kJ/cm,一般不能高于50kJ/cm。

5.5 焊接工艺参数选取

经过试焊测定和对比分析,拟定与之相匹配的焊接工艺参数见表5。

同时考虑到A335-P22钢在焊缝金属中Cr、Mo等合金元素较多,在高温下极易与氧气发生化学反应生成金属氧化物,从而大大降低了焊缝金属的力学性能。所以在氩弧打底焊接时对背面进行冲氩保护,氩气流量为6～15L/min。

5.6 热处理工艺参数选取

5.6.1 预热

预热是防止A335-P22钢焊接接头产生冷裂纹的有效措施之一。

预热可以改变焊接过程的循环,遏制或减少淬硬组织的形成,同时能减慢冷却速度,利于氢的逸出,从而减少焊接应力,降低冷裂纹倾向。预热不仅要考虑A335-P22钢的淬硬性和焊接厚度,还应考虑其刚性、母材的供货状态、焊接方法及环境温度等。

表5 拟定焊接工艺参数

一般可根据以下预热温度(TY)计算公式计算:

计算表明,A335-P22、Φ273×38.1mm管道焊接,要防止产生冷裂纹,预热温度应为241.6℃,工艺评定拟定为200～300℃。在焊接中,考虑到实际可操作性及钨极氩弧焊的特点,以及焊丝韧性好,可以将打底预热温度控制在200℃左右,后续焊道采用手工电弧焊预热温度控制在250℃左右;并且要求焊前、焊接过程(层间温度)和焊接结束时, 焊件的预热温度应基本一致,并实测修正。

预热要求热透且温度分布均匀,温度控制准确,选用电加热法进行预热。预热时以对口中心线为基准,两侧各小于5倍壁厚,且不小于200mm,加热区以外的100mm范围内要予以保温。同时,配备红外测温仪随时进行检查测量,确保预热温度符合要求。

5.6.2 后热

在焊接因中间检验或者其他原因被迫中断,或者焊后来不及进行热处理时,必须采取后热脱氢处理措施,以促进焊缝中扩散氢的逸出,降低焊接残余应力,避免焊接接头中出现马氏体组织,从而防止氢致裂纹的产生。后热温度控制在不低于预热温度的上限值(300℃),取 300～350℃/30min。

5.6.3 焊后热处理

为消除焊接残余应力,改善焊缝组织及热影响区的韧性,降低硬度,促使已产生的马氏体组织高温回火,利用金属高温下强度的降低而把弹性应变转变成塑性应变,以达到消除焊接残余应力的目的,从而提高接头的高温蠕变强度和组织稳定性,并彻底脱氢,避免焊接裂纹的产生。焊后热处理的温度范围控制在705～760℃之间, 恒温时间为2.4min/mm,且最少保持2h。每侧加热宽度取200mm,升温速度按 (5125/壁厚)℃/h计算,且不大于220℃/h,300℃以下可不控制;降温速度按 (6500/壁厚)℃/h计算,且不大于260℃/h,300℃以下可自然冷却。

5.7 试件焊接与热处理

按照表5中拟定的焊接工艺参数,对A335-P22管道Φ273mm×38.1mm的1、2、3号试件进行焊接。焊接预热温度为200～250℃,层间温度保持在250℃左右,采用多层多道连续焊接完成;考虑到在施工现场焊后不能及时跟上热处理,所以焊接完毕后立即进行300～350℃/30min的后热并保温缓冷;待冷却至常温后分别进行720、730、740℃/2h的消应力热处理。要求300℃以上升温速度≤130℃/h,降温速度≤170℃/h。

整个试件在焊接过程中,热温度曲线见图4。

图4 A335-P22钢焊接热温度曲线

5.8 焊接工艺评定

按ASME IX的标准,对焊后A335-P22的管道接头进行工艺评定。对1号、2号、3号试件焊接接头进行了相应的试验检测,无损检测结果见表6,硬度检测结果见表7,拉伸试验结果见表8,弯曲试验结果见表9。

表6 无损检测结果

表7 硬度检测结果

表8 拉伸试验结果

表9 弯曲试验结果

以上工艺评定结果表明,采用上述焊接工艺的A335-P22钢管接头的性能符合设计要求,采用的焊接及热处理工艺参数是正确的。经对比分析,确定出最佳匹配的焊接及热处理工艺参数,见表10。

表10 焊接及热处理工艺参数的最佳匹配

6 焊接工艺评定

由于A335-P22具有耐热钢的一些固有特点,尤其在厚壁情况下现场焊接,如果一些因素及工艺控制不当,将对焊接接头的性能产生一定的影响。因此,在实际的工程焊接施工中必须采取相应的工艺控制措施,以保证管道的焊接质量。

6.1 焊缝含氢量控制

E9016-B3焊条使用前应严格烘烤,烘烤时不允许急冷、急热,以防止焊条药皮开裂。焊条烘烤温度一览见表11。焊条烘烤做到按计划进行,烘烤一般不准超过2次。施焊前要清理干净焊丝、焊缝坡口上的水、铁锈、油污以及氧化物等杂质。

表11 焊条烘烤温度一览表

6.2 定位焊质量控制

定位焊采用过桥式氩弧焊,正式施焊焊到该位置时要求将定位焊缝磨掉。定位焊缝长10～20mm,高2～4mm,数目不少于4处,沿坡口圆周均布。进行定位焊时,要严格按焊接工艺进行预热,其范围为定位焊缝周围半径50mm内的区域。

6.3 焊接环境控制

焊接受环境影响较大,当风速过大尤其是管内的穿堂风过大时易使接头淬硬,含氢量也会增加,因此施焊时两侧管口要堵死,现场焊口100%使用防风棚。其他条件:空气相对湿度小于90%,手工电弧焊风速小于8m/s,氩弧焊时风速小于2m/s。

6.4 焊接工艺控制

(1)焊件达到预热温度后要及时进行焊接,在保持预热温度的条件下,每条焊缝一次连续焊完。

(2)严格控制层间温度,严格按工艺规程施焊。施焊过程中控制层间温度不低于预热温度,并且动态实测、适时修正,达不到要求时应重新加热后方可继续施焊。

(3)打底焊接时送丝要均匀,收弧时特别注意把焊接电流衰减下来,填满弧坑后移向坡口边沿收弧,防止产生弧坑裂纹。焊条电弧焊填充时,第一道应尽可能减小电流,防止打底层由于电流过大被击穿。

(4)严格执行工艺评定的焊接电流、电压等工艺参数,对线能量进行严格控制。

(5)焊道分布要合理,采用多层多道焊焊接工艺。前一层对后一层预热,后一层对前一层起热处理作用,可以降低焊接接头残余应力峰值水平,改善焊接接头组织,对防止产生冷裂纹有利。氩弧焊层厚度不小于3mm,其他焊道单层厚度不大于所用焊条直径,单道焊缝宽度不大于所用焊条直径的3倍。

6.5 后热(消氢)处理

对于A335-P22钢,采用后热(消氢)工艺在实际焊接中可使焊接区软化、去氢、降低残余应力。另外,这样即使在打底层不进行高温预热,也可避免产生冷裂纹。受现场施工条件所限,消应力热处理很难在管道焊接完毕后立即进行,为防止焊缝急冷出现裂纹,焊后应立即进行300～350℃/30min的后热(消氢)处理并保温缓冷至常温。

6.6 热处理工艺控制

焊后热处理可消除焊接残余应力, 改善接头的组织和力学性能,并能大幅度降低焊缝的含氢量, 是防止出现延迟裂纹的重要措施。采用自控仪表电加热器,加热范围为焊缝两侧各不少于焊缝宽度的4倍,且不少于25mm;加热区以外100mm 范围内应予以保温,且管道端口应封闭。热处理工艺参数见表12。同时,对热处理的焊口编号、加热片覆盖厚度和宽度、各道焊口输入的热处理工艺参数等必须经过严格检查,以确保热处理质量。热处理完成后进行100%硬度检测,确保每道焊缝硬度符合要求。