曹長安 趙天亮* 冀衛(wèi)興 趙 芳

(1.河北省安裝工程有限公司；2.河北建筑工程學院)

0 引 言

15萬噸/年蒽油加氫改制裝置高壓工藝管道采用符合ASME A335 P22標準的國產管道，公稱成分為2.25Cr-1Mo，介質為氣液態(tài)加氫油氣，最高設計溫度345 ℃，最高設計壓力20.48 Mpa，GC1級別壓力管道.

由于第一次接觸該類美標牌號管道，針對產品開展焊接工藝研究工作，以確保材料、結構和工藝方法正確性.研究采用的基本方法為進行焊接工藝理論分析，再進行焊接工藝試驗.在焊接理論知識和生產經驗的基礎上對產品的焊接材料、安裝有關因素分析，估計可能出現的質量問題，分析產生的原因和尋找解決的辦法，做出初步的焊接工藝預測，避免焊接試驗的盲目性.在焊接工藝理論分析的基礎上進行全面的焊接試驗，驗證理論分析的結果，制定合理P22管道焊接及熱處理工藝，避免因腐蝕開裂導致事故產生，保證管道安全穩(wěn)定運行.

1 預焊接工藝制訂

1.1 鋼類型及化學成分

P22耐熱鋼是以Cr-Mo為基的珠光體耐熱鋼，其化學成分及力學性能見表1和表2.

表1 P22鋼化學成分(%)

表2 P22鋼機械性能

1.2 焊接性分析

P22耐熱鋼的焊接主要存在熱影響區(qū)的硬化、冷裂紋和再熱裂紋等問題.

由于含有Cr和Mo，具有明顯的淬硬傾向，焊接過程中在焊縫和熱影響區(qū)出現硬脆的馬氏體組織.鋼中不同組織的膨脹系數差異，焊接熱循環(huán)過程中近縫區(qū)產生很大的組織應力和熱應力，導致冷裂紋產生.

P22在焊后熱處理或高溫使用過程中易出現再熱裂紋.

P22鋼在制定焊接工藝時，應采取相應工藝和措施防止熱影響區(qū)的硬化、冷裂紋和再熱裂紋等焊接質量問題產生.

1.3 焊接方法

管道固定口在焊接過程中受安裝條件及企業(yè)技術裝備能力的限制，不具備自動焊條件.只能選擇受施工環(huán)境影響較小的氬電聯(lián)焊方法.手工鎢極氬弧焊是常用的易操作并且普遍的焊縫根部焊接方法.對于填充和蓋面焊，手工電弧焊在焊接效率上有一定優(yōu)勢，并能取得較好的接頭質量.

為了提高預制深度和勞動生產率，采用工廠化預制設備對管件進行坡口加工及組對焊接.該套設備由數控帶鋸切割、物流運輸、數控坡口機和自動焊工作室四部分組成，能夠進行DN100以上管道的埋弧自動焊、熔化極氣體保護焊的焊接.考慮管道規(guī)格、熱輸入及操作方便性，采用熔化極氣體保護焊對P22管道進行打底、填充及蓋面焊接.

1.4 焊接材料

氣體保護焊焊絲型號為ER90S-G，氬弧焊絲型號為ER62-G，焊條型號為E6015-B3，保護氣體為80%Ar+20%CO2.焊材具體化學成分及熔敷金屬力學性能見表3.

表3 焊材化學成分(%)及熔敷金屬力學性能

1.5 預焊接工藝

P22耐熱鋼應預熱250 ℃～300 ℃，減少焊縫與母材的溫度梯度，降低由于溫差造成的應力集中.厚壁管道在焊接過程中存在較大拘束度及殘余應力，在焊接復雜熱循環(huán)作用下易誘發(fā)再熱裂紋，故采用多層多道焊[1].焊接工藝參數見表4.

表4 焊接工藝參數

定位焊焊縫沿圓周均勻分布，每段長度為20～30 mm，高度為3 mm，不得少于3點.焊接工藝與正式焊相同，必須保證焊透，無焊接缺陷.為減少應力集中，定位焊縫兩端應呈現緩坡狀.預熱到規(guī)定溫度時，立即進行打底層焊接.焊接時采用較低的電流和電壓、快速焊，保證較小線能量，縮小“過熱區(qū)”范圍，避免再熱裂紋產生[3].打底層起焊點在兩定位焊點之間，并且一次連續(xù)焊完.焊接過程中，保證焊縫30～100 mm范圍內母材保持足夠溫度，層間溫度控制在300 ℃以下.間斷焊接時，立即進行300 ℃～350 ℃，15～30 min的后熱處理，并且緩冷處理.再次焊接之前，對焊縫進行100%PT檢測，確認沒有裂紋等缺陷后再預熱進行焊接作業(yè).焊縫表面不允許有咬邊等缺陷，以避免應力集中而產生延遲裂紋和再熱裂紋.

1.6 熱處理工藝

圖1 熱處理曲線

圖P22鋼需焊后立即進行消應熱處理，否則必須進行立即進行300 ℃～350 ℃，15～30 min的后熱處理.P22焊后熱處理保溫溫度為720 ℃～750 ℃.由于P22鋼具有再熱裂紋產生于500-700 ℃升降溫過程中，故熱處理時應盡量縮短敏感溫度區(qū)間停留時間.考慮過大的升溫速度易導致焊接應力疊加而增加再熱裂紋傾向，確定適當的升降溫速度，以保證理想的熱處理效果.熱處理曲線見圖1.

2 焊接工藝評定

焊接工藝評定依據標準NB/T47014-2011,針對項目管道厚度范圍及焊接方法等因素,編制焊接工藝評定計劃,見表5.

表5 焊接工藝評定編制計劃

通過對P22管道焊接工藝的理論分析，確定了焊接工藝的坡口、材料和焊接方法及工藝參數,編制預焊接工藝規(guī)程并進行焊接工藝試驗，坡口形式及焊道位置見圖2，焊接工藝參數見表6.

編號42-100 編號42-102

表6 焊接參數

按照工藝參數進行試板焊接，焊后立即進行熱處理，熱處理完畢進行無損探傷.按照評定標準截取標準試樣進行拉伸試驗，試樣斷裂位置在熱影響區(qū)，抗拉強度值符合高于母材標準抗拉強度值下限的要求.每個焊件分別截取4個側彎試樣進行彎曲試驗，彎心直徑40 mm，彎曲角度180 ℃，在試樣拉伸面的任何方向均未出現單條長度大于3 mm的裂紋或長條缺陷，彎曲試驗合格.根據評定標準在每個焊件截取缺口位置位于焊縫中心和熔合線的6個沖擊試樣，沖擊溫度為20 ℃，沖擊吸收功均高于標準要求最低值，沖擊試驗合格.工藝評定結果表明，按照預焊接工藝規(guī)程焊接的焊件，各項力學性能指標均符合相關標準要求，該焊接工藝可以用于指導現場管道焊接作業(yè).

表7 焊接接頭力學性能

3 實際生產應用

針對P22鋼焊接特點，制定合理焊接工藝，并根據評定合格的焊接工藝評定編制具體焊接工藝規(guī)程及熱處理工藝方案，用于指導現場焊接生產.由于P22鋼焊接時對預熱、層間溫度、焊后熱處理有嚴格要求，不合格焊口返修時成本大大增加，并影響產品使用性能.焊工要求持證上崗，并進行入場前焊工考試，避免因焊工技能水平差等人為因素造成焊縫返修.施工前對焊工進行焊接工藝交底，使焊工了解P22鋼焊接特點及預熱、層溫控制范圍及熱處理時機等操作要點，嚴格要求焊工按照焊接工藝卡規(guī)定的層道數、線能量等工藝進行焊接.P22高壓臨氫管道焊口要求100%進行射線檢測，一次探傷合格率達到97%以上，未出現裂紋、未熔合等缺陷，產品壓力試驗合格，焊接接頭處未出現泄漏現象.

4 結 語

固定焊口采用GTAW+SMAW的焊接方法，預制焊口采用GMAW自動焊，選擇成分、力學性能與母材接近的焊材，制定合理的焊接及熱處理工藝，加強焊工管理，同時在施工過程中嚴格控制工藝執(zhí)行情況，有效避免P22管道焊接中冷裂紋及再熱裂紋等缺陷的產生，保證了管道的焊接質量.