張希剛 吳家雷 姜賢文 張元友 邢文龍

（山東聯(lián)友石化工程有限公司，濟南 250101）

中石化濟南分公司制氫裝置過熱蒸汽管線傘齒輪對焊閘閥的一道焊口，在使用過程中發(fā)現(xiàn)有泄漏現(xiàn)象。2017年3月，全廠停工后剝離保溫檢查，發(fā)現(xiàn)焊縫上有多處裂紋，既有橫向裂紋，也有焊縫熔合線上的縱向裂紋，見圖1和圖2。于是，決定利用停工檢修的機會更換長約1.5 m，規(guī)格為Φ273 mm、壁厚18 mm、 材質(zhì)為20g的直管段。

過熱蒸汽管線介質(zhì)為3.5 MPa蒸汽，溫度約為435 ℃。 更換的管段共有2道焊口，見圖3。其中：焊口B為新?lián)Q直管與原有15CrMo材質(zhì)的Φ273 mm×18 mm 三通焊接；焊口A為新?lián)Q直管與原有型號Z561Y-160I的傘齒輪對焊閘閥閥體焊接，閥體材質(zhì)為ZG15Cr1Mo1V，坡口附近最厚處50 mm。

在施工過程中，A、B兩焊口點固完成后，安排1名焊工按先B后A的順序依次焊接。依據(jù)焊接工藝評定報告，并參考現(xiàn)行的標準規(guī)范[1]，擬定的方案為：焊口B為15CrMo和20g的異種鋼焊接，預(yù)熱150 ℃，層間溫度（即道間溫度）保持在150 ℃，手工鎢極氬弧焊+焊條電弧焊，采用TIG-R30焊絲和CHH307R焊條；焊口A為20g和閥體材質(zhì)為ZG15Cr1Mo1V的異種鋼焊接，焊接方案[2]為預(yù)熱200 ℃，層溫保持在200 ℃，采用TIG-R31焊絲和CHH317R焊條，鎢極氬弧焊+焊條電弧焊，焊后立即進行250～300 ℃保溫1 h的后熱處理。準備無損檢測合格后，均進行700～720 ℃保溫2 h的消除應(yīng)力處理。焊工先完成的是焊口B的焊接，再進行焊口A的焊接。焊口A焊接完成后，馬上布置后熱處理，發(fā)現(xiàn)在靠近閥體一側(cè)融合線上出現(xiàn)貫穿裂紋，見圖4。兩道焊口的后續(xù)工序無法正常進行，著手分析焊口A開裂的原因，并整體拆除管段，重新制定焊接工藝后再施焊。

1 焊口開裂原因分析

1.1 材料的焊接性能影響

從焊口A裂紋產(chǎn)生的時機和形態(tài)來看，該裂紋是冷裂紋。焊口為20g與ZG15Cr1Mo1V異種鋼焊接，表1為兩種母材主要合金元素成分，表2是使用焊條的熔敷金屬和焊絲主要合金元素成分。

表1 焊口A母材的主要合金元素成分 （單位：%）

表2 焊條熔敷金屬、焊絲的主要合金元素 （單位：%）

一側(cè)母材20g系優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，焊接性能良好；另一側(cè)ZG15Cr1Mo1V屬于珠光體耐熱鋼，焊接存在問題，主要包括焊后容易出現(xiàn)冷裂紋和對再熱裂紋 敏感。

（1）焊后容易出現(xiàn)冷裂紋。依據(jù)碳當量的數(shù)值對ZG15Cr1Mo1V進行焊接性評估，國際焊接學(xué)會（International Institute of Welding，IIW）經(jīng)驗公式為[3]：

取ZG15Cr1Mo1V合金元素含量的中間值得到CE(IIW)=0.84%，大于0.60%，屬于焊接性較差的材料，需要較高的預(yù)熱、層間溫度和焊后采用保溫緩冷或后熱等工藝措施，以防冷裂紋的產(chǎn)生。

（2）對再熱裂紋敏感。再熱裂紋敏感性系數(shù)Psr是判斷依據(jù)之一，計算公式為[3]：

取ZG15Cr1Mo1V合金元素含量的中間值計算，Psr值為4.65，遠遠高于0，存在明顯的再熱裂紋敏感性傾向。分析導(dǎo)致焊口使用過程發(fā)生泄漏的裂紋（圖1、圖2）形成的原因，再熱裂紋發(fā)展而成的可能性極大。

可以判斷，因為ZG15Cr1Mo1V焊接性能較差，再加上鑄鋼件相對于熱軋鋼管晶粒比較粗大，是焊口開裂的主要原因。

1.2 工藝因素影響

焊縫兩側(cè)母材厚度差比較大，管子一側(cè)厚度為18 mm，閥體一側(cè)厚度約為50 mm。經(jīng)拆除后檢查，還原的原坡口形式如圖5所示，坡口加工明顯不符合規(guī)范標準的要求[1]，造成較大的應(yīng)力集中。

預(yù)熱和層間溫度偏低、措施不規(guī)范，包括兩個方面。一方面，僅僅依據(jù)標準規(guī)范的一般性規(guī)定，沒有考慮到結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，設(shè)置的預(yù)熱和層間溫度事實上偏低。另一方面，沒有可靠的加熱和保溫措施，焊接過程中無法保證所設(shè)定的層間溫度。由于場地比較狹窄，一道在5G位置的Φ273 mm的焊口只能安排一名焊工施焊，等焊完焊縫一側(cè)，另一側(cè)的焊道已經(jīng)冷卻到與環(huán)境溫度無異。因此，工藝因素是焊口開裂的重要原因。

1.3 拘束環(huán)境的影響

由于管線比較粗，本身拘束度比較大。經(jīng)查，在管段附近還有固定支架，進一步限制了熱伸縮，也是導(dǎo)致焊口開裂的原因之一。

2 焊接工藝措施的改進

通過分析焊口開裂的原因，有針對性地改進工藝措施。

2.1 適當調(diào)整預(yù)熱和層間溫度并確保得到實施

2.1.1 焊口B的焊接方案不變

焊口A計劃將預(yù)熱溫度、層間溫度提高至300 ℃。因提高幅度已超過評定合格的焊接工藝50 ℃以上，改變了焊接工藝評定的補加因素，需重新評定。實際操作是采用同組別號的12Cr1Mo1V材料做補充焊接工藝評定[4]，預(yù)熱溫度、層間溫度設(shè)定為300 ℃，其他工藝參數(shù)按原評定合格的焊接工藝評定報告不變，焊制焊接工藝評定試件，無損檢測合格后只做常溫沖擊試驗，試驗合格，作為調(diào)整焊口A焊接工藝參數(shù)的依據(jù)。

2.1.2 采取措施確保預(yù)熱和層間溫度

利用熱處理機不間斷加熱坡口附近區(qū)域，將熱量傳導(dǎo)至待焊接坡口。為此專門進行遠紅外加熱帶恒溫溫度梯度的測試，即將遠紅外加熱帶設(shè)置在鋼管上，利用鋼材的熱傳導(dǎo)性能，測定其相鄰各位置的溫度，具體測定步驟如下。

（1）在室內(nèi)（無風(fēng)狀態(tài)），室溫15 ℃左右，將一根20#管，壁厚與管段管徑Φ273 mm×18 mm接近的管材綁上加熱帶，70 mm硅酸巖棉保溫材料，接好熱處理機，如圖6所示。

（2）分別在離加熱帶邊緣距離為20 mm、30 mm、 50 mm處測定在保溫與不保溫兩種狀況下的溫度。將加熱溫度設(shè)定在300 ℃恒溫20～30 mim，在無保溫下測定3處溫度，每處測定3個點；加上保溫，恒溫20～30 mim，去除保溫立即測定3處溫度，每處也測定3個點；將溫度提高到620 ℃、720 ℃，重復(fù)上述過程。各測點的平均實測溫度如表3所示。3種恒溫條件下加熱區(qū)邊緣的溫度下降曲線如圖7所示。

表3 不同溫度下距離加熱帶邊緣不同距離的測點平均實測溫度

測試結(jié)果表明，在此環(huán)境溫度下，加熱恒溫600 ℃ 左右，即可在加熱帶邊緣50 mm處的裸露處確保管壁溫度約為350 ℃，見圖7（a）。有了50 mm的距離，通電的加熱帶不會對焊接和相關(guān)作業(yè)造成影響。

2.2 焊接

坡口備制方面，在割除原管線后，去除影響焊接質(zhì)量的表面層。經(jīng)測量，閥門供應(yīng)商提供的閥門內(nèi)側(cè)與20g管徑一致，且緩坡加工符合規(guī)范要求，但坡口外側(cè)需要修磨成緩坡過渡形狀[1]，見圖8。閥體側(cè)表面經(jīng)熱切割加工，需要100%滲透檢測。按照NB/T 47013.5—2015標準，Ⅰ級合格。

將焊接現(xiàn)場進行圍擋隔離，確保無穿堂風(fēng)，以確保氬氣的保護效果。

檢查確認管段及前后支撐有效，預(yù)熱至300 ℃，待溫度均勻后點固，并在點固完成后松開附近的固定支架以解除環(huán)境的約束，再檢查點固點是否存在裂紋等缺陷，如有予以消除。點固焊采用手工鎢極氬弧焊（GTAW），焊接工藝參數(shù)與正式焊接一致。

為確保能保持層間溫度，參考事先進行的溫度梯度測試（見圖7），也為焊工操作留有足夠的空間，將遠紅外加熱帶置于閥體一側(cè)，選用加熱帶寬度不低于120 mm，溫度恒定在600 ℃不間斷通電，加熱帶邊緣距坡口約50 mm，如圖9所示，保溫材料同樣為70 mm硅酸巖棉。焊接工藝參數(shù)見表4。

表4 焊接工藝參數(shù)

采取的焊接工藝措施。

（1）按圖10的焊接順序，增加退火焊道6，并形成圓滑過渡。

（2）層間溫度保持在30～350 ℃，焊接過程中用手持式激光測溫儀進行監(jiān)測，低于300 ℃或高于350 ℃均需適當調(diào)整熱處理機的設(shè)置溫度。

（3）焊后立即進行300～350 ℃保溫1 h的后熱處理。

3 檢驗檢測與試驗、焊后熱處理

3.1 無損檢測項目及檢測檢驗時機

以發(fā)現(xiàn)冷裂紋為目的對焊口進行的100%RT檢測要在后熱處理結(jié)束后24 h以后進行。

焊后熱處理后，要檢查是否出現(xiàn)再熱裂紋。要先進行100%超聲波檢測，NB/T 47013.3—2015標準Ⅰ級。為防止不等厚對接的焊接接頭不規(guī)則給超聲波檢測造成盲區(qū)，再進行100%滲透檢測，NB/T 47013.5— 2015標準也為Ⅰ級。

對焊縫及兩側(cè)熔合線進行硬度檢測，其中靠近閥體側(cè)平均硬度不高于235 HB，另一側(cè)平均硬度不高于200 HB。

上述檢測檢驗結(jié)果均合格。最后，要恢復(fù)松開的管線固定支架，按標準規(guī)范要求隨系統(tǒng)進行壓力試驗。焊后焊口的情況見圖11。

3.2 焊后熱處理規(guī)范的調(diào)整

依據(jù)20g的厚度[5]，保溫時間應(yīng)為2 h。按ZG15Cr1Mo1V兼顧20g鐵碳平衡圖的Ac1線溫度[6]，保溫溫度可以不高于720 ℃，但需要適當延長保溫時間。焊后熱處理參數(shù)最終確定為700～720 ℃保溫3 h。

4 結(jié)語

該管段從2017年4月投入使用以來一直正常運行，至2021年3月再次停工檢修時對焊口進行檢測未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，符合繼續(xù)使用的要求。實踐證明，對于焊接及熱處理工藝的制定，滿足規(guī)范標準只是基本要求，不可機械照搬，應(yīng)該根據(jù)具體的焊接環(huán)境和工件結(jié)構(gòu)特點進行適當?shù)恼{(diào)整。