石油鉻鉬鋼管道焊接工藝及質(zhì)量控制*

張 雄

(國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司 昆明維搶修分公司，云南 昆明 650000)

0 引 言

石油管道屬于壓力管道，目前石油鉻鉬鋼管道廣泛應(yīng)用在能源氣體等的調(diào)配運(yùn)輸方面，具有運(yùn)輸效率高、管道安裝快速便捷等優(yōu)勢(shì)，但是因管道焊接質(zhì)量不良，造成能源氣體運(yùn)輸過(guò)程中的泄漏事故較多，影響運(yùn)輸效率的同時(shí)還會(huì)造成嚴(yán)重的安全問(wèn)題。石油鉻鉬鋼管道焊接施工容易造成焊縫以及熱影響區(qū)域發(fā)生各種形式的裂紋，不利于焊接質(zhì)量控制。為此，此文重點(diǎn)從焊接工藝，焊材選擇、焊后熱處理，脫氫處理等方面出發(fā)，探討加強(qiáng)熱裂紋、冷裂紋、層狀撕裂裂紋控制的措施方法，目的是確保石油鉻鉬鋼管道焊接施工質(zhì)量及能源氣體輸運(yùn)的安全性和效率性。

1 石油鉻鉬鋼管道焊接工藝及要點(diǎn)

鉻鉬鋼管道焊接工藝是保證焊接施工質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。結(jié)合石油鉻鉬鋼管道所用焊材，制定焊接工藝卡，并進(jìn)行氬弧焊+手工電弧焊的焊接方式選擇，設(shè)置V形坡口，并除去坡口處的氧化物及毛刺，將坡口兩側(cè)打磨出金屬光澤。按設(shè)計(jì)要求的預(yù)熱范圍和溫度進(jìn)行焊前預(yù)熱處理，清除坡口表面及邊緣內(nèi)外側(cè)20 mm寬度范圍內(nèi)油漆、污垢、毛刺及銹蝕，直至露出金屬光澤，并對(duì)坡口處材料進(jìn)行100% PT檢驗(yàn)，保證其達(dá)到《JB4730-2005承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》Ⅱ級(jí)水平[1]；焊縫內(nèi)部進(jìn)行充氬保護(hù)，焊接后按照設(shè)計(jì)溫度及持續(xù)時(shí)間進(jìn)行熱處理，并檢驗(yàn)焊縫硬度。氬氣焊所用氬氣純度應(yīng)不低于99.9%，氬弧焊以及手工電弧焊焊接過(guò)程中如遇降水天氣，風(fēng)速分別超出2.0 m/s及8.0 m/s，相對(duì)濕度在90%以上等任一情況，則應(yīng)采取有效防護(hù)措施；如無(wú)法提供有效防護(hù)，必須停止施焊。焊后應(yīng)初步進(jìn)行焊縫外觀檢查，焊縫表面不得出現(xiàn)裂紋、弧坑、夾渣及氣孔等缺陷，并及時(shí)清除飛濺焊渣及焊材藥皮；對(duì)接焊縫的咬邊深度及咬邊連續(xù)長(zhǎng)度應(yīng)分別控制在0.5 mm和100 mm內(nèi)，兩側(cè)咬邊總長(zhǎng)度不應(yīng)超出所對(duì)應(yīng)焊縫長(zhǎng)度的10%(見(jiàn)圖1)。以上外觀檢測(cè)必須在無(wú)損檢測(cè)前進(jìn)行，此后依次進(jìn)行焊縫無(wú)損檢測(cè)和耐壓試驗(yàn)。耐壓試驗(yàn)用壓力表必須事先校驗(yàn)，精度應(yīng)在1.5級(jí)以上，刻度值應(yīng)為被測(cè)壓力最大值的1.5～2.0倍。對(duì)于外觀檢測(cè)不合格的焊縫，無(wú)需進(jìn)行其他檢測(cè)，必須及時(shí)查明原因并返修。

焊接是局部加熱后繼而冷卻的過(guò)程，焊條端產(chǎn)生的電弧為主要熱源，在移動(dòng)施焊的過(guò)程中會(huì)形成不均勻溫度場(chǎng)，產(chǎn)生焊接殘余拉應(yīng)力。這種拉應(yīng)力達(dá)到鉻鉬鋼材料屈服強(qiáng)度后便會(huì)使材料晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。為此必須在焊接完成后調(diào)整殘余應(yīng)力，可以采用熱時(shí)效法消除對(duì)材料使用性能不利的殘余拉應(yīng)力。熱時(shí)效法主要借助熱處理中的退火技術(shù)，將待處理工件加熱至550～650 ℃的高溫狀態(tài)，并長(zhǎng)時(shí)間保溫后緩慢冷卻，通過(guò)熱作用過(guò)程下的原子擴(kuò)散及塑性變形得以完全消除內(nèi)應(yīng)力。

2 石油鉻鉬鋼管道焊接質(zhì)量控制及措施

2.1 裂紋控制

石油鉻鉬鋼管道常見(jiàn)的裂紋形式包括冷裂紋、熱裂紋和層狀撕裂裂紋等，其中，冷裂紋發(fā)生的主要原因在于焊接高溫使焊接接口內(nèi)部淬硬組織性能退化(見(jiàn)圖2)以及擴(kuò)散氫含量的綜合影響，引發(fā)缺陷處大量氫分子沉淀。冷裂紋通常集中出現(xiàn)在管道融合線、管道熱影響區(qū)。熱裂紋表現(xiàn)形式更為多樣，除常見(jiàn)于熱影響區(qū)外，還經(jīng)常出現(xiàn)于焊縫內(nèi)部，引發(fā)原因主要為高溫、焊接應(yīng)力、結(jié)晶拉升等。層狀撕裂裂紋則更多因?yàn)楹覆膬?nèi)部存在分層雜質(zhì)、軋制應(yīng)力、受力不均等原因而引起。

圖1 焊縫問(wèn)題硬組織性能退化 圖2 焊接接口內(nèi)部淬

結(jié)合石油鉻鉬鋼管道常見(jiàn)的焊接工藝可以看出，根部和填充部分分別采用氬氣保護(hù)焊接和電弧焊，并均使用低氫型焊材。擴(kuò)散氫是造成石油鉻鉬鋼管道冷裂紋產(chǎn)生的主要原因，為此，必須在焊接施工過(guò)程中，通過(guò)對(duì)焊條烘干處理、在焊接材料中適當(dāng)添加氟化物碳酸鹽及高價(jià)氧化物等措施加強(qiáng)擴(kuò)散氫產(chǎn)生過(guò)程控制，避免冷裂紋出現(xiàn)，同時(shí)在焊接前根據(jù)焊材出廠說(shuō)明書烘烤焊材，控制焊接材料發(fā)生吸濕反應(yīng)的可能。為避免烘烤干燥后的焊材發(fā)生二次吸濕，在施工開(kāi)始后應(yīng)將材料置于特制的保溫筒內(nèi)，并將置放時(shí)間控制在4h以內(nèi)；為保證焊材良好的焊接性能，重復(fù)烘烤次數(shù)不能超出3次。

焊接過(guò)程中焊縫金屬冷凝也會(huì)引發(fā)裂紋，即所謂的熱裂紋，為控制這種熱裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)盡量選擇雜質(zhì)含量低的低熱敏感性焊材；就焊接工藝而言，應(yīng)提前按照150～350 ℃進(jìn)行鉻鉬鋼材料預(yù)熱處理，具體的預(yù)熱控制要求詳見(jiàn)表1所列。焊接施工期間，層間溫度應(yīng)不低于120 ℃，焊接結(jié)束后，必須立即在300～350 ℃的溫度下消氫處理15 min，轉(zhuǎn)而在常溫下緩冷。

表1 鉻鉬鋼材料預(yù)熱控制要求

2.2 焊后熱處理

焊接施工會(huì)使焊縫和熱作用區(qū)域內(nèi)材料焊接應(yīng)力影響而變硬，為消除焊接應(yīng)力影響，改善焊接接頭處晶相組織，保持焊縫具備良好的金屬機(jī)械性能[2]，應(yīng)進(jìn)行石油鉻鉬鋼管道焊后熱處理。石油鉻鉬鋼管道熱處理時(shí)，12CrMo、15CrMo及12Cr1Mov、1Cr5Mo鋼種熱處理溫度應(yīng)分別控制在650～700 ℃、700～750 ℃、750～780 ℃范圍內(nèi)。熱處理時(shí)應(yīng)對(duì)焊縫兩側(cè)寬度至少為焊縫寬度3倍的區(qū)域進(jìn)行加熱，該區(qū)域以外100 mm的范圍進(jìn)行保溫，并對(duì)管道端口封閉處理。待熱處理溫度上升至300 ℃后，加熱后溫度上升速度應(yīng)控制在5 125/δ ℃/h，升速上限為220 ℃/h，其中，δ表示焊材厚度(mm)；總恒溫時(shí)間控制在1/2 h內(nèi)，且這一期間，各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度必須均勻，溫度差值不超出50 ℃。滿足恒溫控制條件后按照6 500/δ ℃/h的速率冷卻，且降速上限控制在260 ℃/h。待冷卻至300 ℃后轉(zhuǎn)入常溫狀態(tài)下自然冷卻。經(jīng)過(guò)以上處理且焊接位置硬度和母材一致，則達(dá)到熱處理合格要求。

2.3 焊材選擇要點(diǎn)

為避免石油鉻鉬鋼管道發(fā)生焊接缺陷，必須選擇低氫型焊材，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)控焊接材料中P、S等化學(xué)物質(zhì)含量，另外，還應(yīng)結(jié)合母材性能、焊接壓力、介質(zhì)溫度[3]等進(jìn)行焊材綜合比選。石油鉻鉬鋼管道常見(jiàn)焊材化學(xué)物質(zhì)以及含量控制要求具體見(jiàn)表2所列。

表2 常見(jiàn)焊材化學(xué)物質(zhì)及含量控制要求 /%

續(xù)表2 常見(jiàn)焊材化學(xué)物質(zhì)及含量控制要求 /%

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，石油鉻鉬鋼管道焊接質(zhì)量控制必須以避免焊縫缺陷為要點(diǎn)，選擇焊接材料時(shí)應(yīng)首選低氫型焊材，且焊材主化學(xué)成分最好和母材保持一致；在焊接工藝方面，應(yīng)加強(qiáng)擴(kuò)散氫控制，并在焊前烘烤焊材，焊后熱處理，以消除焊接應(yīng)力影響，改善焊縫處晶相組織，保持焊縫金屬機(jī)械性能；在焊接施工過(guò)程管理方面，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)焊接工藝方案編審以及焊后的檢查驗(yàn)收，提升焊接人員技能水平，保證一次焊接合格率達(dá)到設(shè)計(jì)要求。