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    大口徑、厚壁A335Gr.P22管道焊接裂紋防治措施

    2014-10-21 10:05:12古永安姜慶新靜衛(wèi)民牛緯濤
    石油化工建設 2014年5期
    關鍵詞:焊口厚壁溫度梯度

    古永安 姜慶新 靜衛(wèi)民 牛緯濤

    中國石油天然氣第七建設公司 山東青島 266300

    A335 Gr.P22 相當于國內(nèi)的牌號12Cr2Mo (公稱成分2.25Cr1Mo)鋼管,按金相組織劃分屬于珠光體耐熱鋼的一種。該材料有良好的高溫熱強性(持久強度和蠕變強度),廣泛應用于石油、化工和鍋爐等行業(yè),輸送高溫高壓流體介質(zhì)。

    1 施工材料及焊接性分析

    1.1 施工材料

    施工中使用的管材由JFE Steel Corporation 提供,管材化學成分和力學性能實例(見表1、表2):

    表1 化學成分

    表2 力學性能(室溫)

    1.2 焊接性分析

    A335 Gr.P22 由于加入了1.90%~2.60%Cr 和0.87%~1.13%Mo,導致材料焊接性較差。焊接性差主要表現(xiàn)為焊接時對冷裂紋和消除應力裂紋的敏感程度較高。有效地控制該兩種裂紋的產(chǎn)生,是保證焊接質(zhì)量的重點。

    1.2.1 冷裂紋

    對于鋼材焊接冷裂紋敏感程度可從碳當量CE 和冷裂紋敏感系數(shù)Pcm 等方面進行間接分析。僅從化學成分上分析,依據(jù)國際焊接協(xié)會(IIW)推薦的碳當量計算公式:

    結(jié)果顯示A335 Gr.P22 的碳當量CE>0.5%,表明該材料有較強的淬硬性,焊接性較差。

    A335 Gr.P22 焊接冷裂紋敏感系數(shù)(Pcm)計算如下:

    結(jié)果顯示,A335 Gr.P22 焊接冷裂紋敏感系數(shù)為20# 鋼的2 倍還多,表明該材料對焊接冷裂紋敏感,在實際焊接過程中由于受拘束力的影響,將進一步加劇材料對焊接冷裂紋的敏感。

    1.2.2 消除應力裂紋

    對于碳含量>0.1%的低合金鋼,根據(jù)合金元素對消除應力裂紋敏感性的影響,可采用消除應力裂紋敏感性指數(shù)(ΔG)法進行評定。依據(jù)A335 Gr.P22 的化學成分,ΔG 計算如下:

    ΔG+Cr+3.3Mo+8.1V- 2+10C(其中元素符號表示該元素的質(zhì)量分數(shù))

    結(jié)果顯示ΔG>2,表示該材料對消除應力裂紋敏感。

    2 原焊接工藝和焊接裂紋原因分析

    2.1 原焊接工藝

    焊接選用GTAW+SMAW 的焊接方法,焊材選用國產(chǎn)大西洋焊材H08Cr2Mo1+R407,焊材使用前按生產(chǎn)商推薦規(guī)范進行烘干;管道壁厚較大(38.1mm),選用V- Y 型坡口;焊前預熱180℃,焊后及時進行350℃的后熱處理,恒溫30min;為改善焊接接頭組織和力學性能,焊接過程中采用小幅度擺動焊條多層多道焊的焊接方式。施工過程中,由于厚壁管道RT 透照時間較長,為了提高RT 效率,施工過程中每道焊口初次焊接熔敷金屬厚度達10mm 時停止焊接進行后熱,24h 后進行首次RT,RT合格后按原焊接工藝填充、蓋面。焊接參數(shù)(見表3)。

    2.2 焊接裂紋及裂紋產(chǎn)生原因分析

    表3 A335 Gr.P22 焊接工藝參數(shù)

    2.2.1 焊接裂紋

    焊口初次焊接后RT 出現(xiàn)焊接裂紋(見圖1、圖2),兩種形式裂紋分別幾乎出現(xiàn)于整道焊口,且分布較均勻。

    圖1 焊接裂紋(RT底片臨?。?/p>

    圖2 焊接裂紋(RT底片臨?。?/p>

    2.2.2 裂紋產(chǎn)生原因分析

    綜合A335 Gr.P22 焊接性分析和現(xiàn)場施工過程,以下幾個方面共同導致了焊接裂紋的產(chǎn)生:

    (1)A335 Gr.P22 碳當量高,大口徑厚壁管道拘束度大、散熱快。焊前預熱180℃溫度偏低,不能充分達到預熱目的;

    (2)焊接時存在有害的溫度梯度。一方面,由于溫控柜只對管道外表面溫度進行監(jiān)控,且達到預熱溫度后立即開始施焊,壁厚較大導致焊接時焊道外表面能夠達到預熱溫度而內(nèi)表面溫度仍然較低(約80℃),從而在焊道的內(nèi)外表面間產(chǎn)生了有害的溫度梯度。另一方面,加熱時間短,僅加熱范圍內(nèi)達到預熱溫度,加熱范圍外的管道溫度較低,加熱范圍內(nèi)和加熱范圍外的管道之間也產(chǎn)生了有害的溫度梯度;

    (3)大口徑厚壁管道散熱快,僅靠焊接熱輸入不足以維持層間溫度;

    (4)有害的溫度梯度,大口徑、厚壁管道拘束力大、管道、管件自重大,使焊接應力增大,且初次焊接約10mm 的熔敷金屬厚度較小,導致熔敷金屬強度不足產(chǎn)生裂紋;

    (5)后熱時間較短,不能充分達到消氫的作用。

    3 工藝調(diào)整措施

    為了避免裂紋再次產(chǎn)生,施工過程中采取了以下措施:

    (1) 預熱溫度提高至250℃;

    (2) 達到預熱溫度后保溫30min,待內(nèi)外表面均達到預熱溫度后方可開始焊接;

    (3) 為保證層間溫度,焊接過程利用電加熱片對焊口兩側(cè)持續(xù)加熱,并利用溫控柜實時監(jiān)控焊口兩側(cè)溫度;

    (4) 焊接過程中利用紅外測溫儀隨時測量焊口兩側(cè)和內(nèi)外表面的溫度,保證焊口兩側(cè)及內(nèi)外表面溫度均勻,避免產(chǎn)生有害的溫度梯度;

    (5) 多層多道焊時,焊接接頭錯開,焊接前仔細檢查接頭處質(zhì)量,如發(fā)現(xiàn)裂紋及時打磨,將裂紋清除后方可施焊;

    (6) 由一人一次焊接一道焊口,改為雙人對稱同時焊接一道焊口;

    (7) 適當增加第一次焊接的熔敷金屬厚度,由10mm 增加至20mm;

    (8) 對熱處理人員進行加強教育,提高熱處理人員認識,保證焊接完成后能夠及時進行后熱(或熱處理);(9) 后熱時間由30min 延長至60min。

    4 工藝調(diào)整后的效果及結(jié)論

    通過采取以上9 點措施對焊接工藝進行調(diào)整后,在后續(xù)的施工過程中未再產(chǎn)生焊接裂紋,避免了焊接裂紋的再次產(chǎn)生,證明了以上幾點調(diào)整措施對預防A335 Gr.P22 焊接裂紋有顯著效果。

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