不銹鋼壓力容器焊接變形控制與矯正

陳頌陽(yáng) 閆化云 蘭 旭 趙大偉 金 曦 涂 強(qiáng)

(1.中海石油(中國(guó))有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518067；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司上海采油技術(shù)服務(wù)分公司，上海 200030)

不銹鋼壓力容器焊接變形控制與矯正

陳頌陽(yáng)1 閆化云2 蘭 旭2 趙大偉2 金 曦2 涂 強(qiáng)2

(1.中海石油(中國(guó))有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518067；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司上海采油技術(shù)服務(wù)分公司，上海 200030)

針對(duì)海上某油田奧氏體不銹鋼超重力機(jī)在加工過程中出現(xiàn)的變形，在充分分析發(fā)生形變的原因的基礎(chǔ)上，通過焊接工藝優(yōu)化、外力輔助以及后期精加工矯正，成功解決了不銹鋼壓力容器的形變問題。

奧氏體不銹鋼 焊接變形 控制 矯正

0 引言

鎳鉻奧氏體不銹鋼作為耐蝕鋼、耐熱鋼、低溫用鋼和非磁性材料廣泛應(yīng)用在石油石化行業(yè)，例如：鍋爐、壓力容器、換熱器、吸收塔、儲(chǔ)罐和金屬軟管等易腐蝕設(shè)備。目前，奧氏體不銹鋼作為一種常見耐蝕合金，已經(jīng)在海上油田得到了廣泛的應(yīng)用，但由于不銹鋼本身的特殊性，其在設(shè)備建造過程中，經(jīng)常遇到由焊接引起的變形問題。因此，找到焊接變形原因并加以矯正對(duì)設(shè)備的安全建造至關(guān)重要。

南海某氣田為了脫除天然氣中的硫化氫氣體，使用了超重力脫硫技術(shù)。為了降低工藝流體對(duì)系統(tǒng)的腐蝕，確保海上生產(chǎn)安全，其工藝要求所有的容器和管道必須使用奧氏體不銹鋼316L。容器壁厚為10mm，采用氬弧焊打底，手工電弧焊填充工藝，打底焊絲為H00Cr19Ni12Mo2，蓋面焊條為CHS022，焊絲化學(xué)成分與現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)見表1~表3。

表1 焊絲H00Cr19Ni12Mo2化學(xué)成分(%)

在采用316L不銹鋼加工超重力機(jī)的過程中，發(fā)現(xiàn)頂部凸緣法蘭與超重力機(jī)封頭焊接頂部出現(xiàn)塌陷，部分地方出現(xiàn)微裂紋，如圖1所示。

圖1 超重力機(jī)封頭焊接變形示意圖

為了確保該超重力機(jī)盡快在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，認(rèn)真分析了封頭形變?cè)颍皶r(shí)優(yōu)化了焊接工藝，并在后期精加工過程中增加了矯正步驟，成功解決了形變和微裂紋問題，及時(shí)滿足了現(xiàn)場(chǎng)需求。

表3 焊接工藝參數(shù)

1 形變?cè)蚍治?/h2>

1.1 316L焊接變形的特點(diǎn)

(1)熱導(dǎo)率小，導(dǎo)溫能力差，熱量傳遞速度慢。它的熱導(dǎo)率僅為碳鋼的1/3，因此在熱勻調(diào)的過程中，均勻化速度要比碳鋼慢2/3。近焊縫區(qū)的熱作用達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，引起溫度分布的擴(kuò)展范圍大，而且溫度比較高及維持時(shí)間長(zhǎng)。也就是說，焊接奧氏體不銹鋼316L時(shí)，形成的壓縮塑性變形區(qū)較碳鋼大，熱循環(huán)時(shí)間較碳鋼長(zhǎng)，所以引起的熱脹冷縮量自然就大[1]。

(2)與碳鋼相比，316L線膨脹系數(shù)大，直接引起焊接熱脹冷縮量的增加。根據(jù)奧氏體型鋼的線膨脹系數(shù)比碳鋼大50%左右的理論分析，由此引起的焊接變形，要比低碳鋼約大50%。

(3)與碳鋼相比，316L彈塑性的轉(zhuǎn)變溫度高。金屬受熱時(shí)處于全塑性狀態(tài)的溫度，低碳鋼是600℃，而316L約為800℃，其溫度差約為200℃，由此所引起的熱脹冷縮量，奧氏體型鋼要比碳鋼大1/3。

1.2 316L焊接工藝存在問題

奧氏體不銹鋼焊接參數(shù)包括焊接電流，鎢極直徑，弧長(zhǎng)，電弧電壓，焊接速度，保護(hù)氣流，噴嘴直徑等：

(1) 焊接電流是決定焊縫成形的關(guān)鍵因素。通常根據(jù)焊件材料，厚度及坡口形狀來(lái)決定。

(2) 焊極直徑根據(jù)焊接電流大小決定，電流越大，直徑也越大。

(3) 焊弧和電弧電壓，弧長(zhǎng)范圍約0.5到3mm，對(duì)應(yīng)的電弧電壓為8~10V。

(4) 焊速：選擇時(shí)要考慮到電流大小，焊件材料敏感度，焊接位置及操作方式等因素決定。

奧氏體不銹鋼的突出特點(diǎn)是對(duì)過熱敏感，故采用小電流、快速焊，多層焊時(shí)要嚴(yán)格控制層間溫度，使層間溫度小于60 ℃ 。本項(xiàng)目中焊接工藝參數(shù)(主要是電流)選擇偏大，導(dǎo)致焊接中間區(qū)域熱量集中，最終導(dǎo)致焊接區(qū)域附近發(fā)生嚴(yán)重形變，影響驅(qū)動(dòng)軸的安裝。另外，二層填料較厚，影響了熱傳導(dǎo)。

1.3 316L焊接變形的矯正

現(xiàn)場(chǎng)工況條件下316L焊接工無(wú)法消除形變問題，應(yīng)采取焊后快速冷卻矯正，同時(shí)結(jié)合機(jī)械加工的方法進(jìn)行。

2 316L焊接形變的控制與矯正方法

根據(jù)第一臺(tái)超重力機(jī)焊接過程中出現(xiàn)的問題，采取如下措施進(jìn)行形變控制與矯正：

2.1 優(yōu)化焊接工藝參數(shù)

優(yōu)化焊接電流、電弧電壓和焊接速度等工藝參數(shù)，如表4所示。

表4 優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)

2.2 優(yōu)化焊接工藝

打底焊時(shí)焊縫厚度應(yīng)盡量薄，與根部熔合良好，收弧時(shí)要成緩坡型，如有收弧縮孔，應(yīng)用磨光機(jī)磨掉。必須在坡口內(nèi)引弧熄弧，熄弧時(shí)應(yīng)填滿弧坑，防止弧坑裂紋。

降低二層的填料厚度，盡可能提高熱傳導(dǎo)效率；同時(shí)采用兩名焊工對(duì)稱焊接，強(qiáng)化焊接熱量分布，降低應(yīng)力。

2.3 防止敏化處理

由于316L是奧氏體不銹鋼，為防止碳化物析出敏化及晶間腐蝕，應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度和焊后冷卻速度，要求焊接時(shí)層間溫度控制在60℃以下，焊后必須立即水冷，既可增大接頭的冷卻速度，又可減少焊接應(yīng)力[2]。

2.4 外力支撐

在焊接易塌陷部位進(jìn)行支撐固定，分散焊接時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。如圖2所示。

圖2 超重力機(jī)封頭焊接變形過程中加固示意圖

2.5 結(jié)合機(jī)械加工的方法進(jìn)行矯正

316L奧氏體不銹鋼封頭焊接完成后，其變形是無(wú)法避免的，必然會(huì)產(chǎn)生安裝長(zhǎng)度偏差，因此在超重力機(jī)后期安裝磁驅(qū)的過程中，必須結(jié)合機(jī)械加工的方法進(jìn)行校正，本項(xiàng)目采用了鏜床對(duì)其偏差和粗糙度進(jìn)行處理，最終達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。如圖3所示。

圖3 鏜床上對(duì)超重力機(jī)封頭加工偏差進(jìn)行矯正

3 結(jié)論

(1) 316L奧氏體不銹鋼焊接變形很難避免，因此需根據(jù)具體焊接情況對(duì)焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)必須結(jié)合機(jī)械矯正的方法方可徹底解決。

(2) 316L奧氏體不銹鋼需要低能量輸入，同時(shí)確保焊接熱量均勻分布，才能最大限度降低大形變的發(fā)生。

(3) 316L奧氏體不銹鋼作為材料的設(shè)備加工，焊接前一定要進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，制定應(yīng)對(duì)形變的方案。在焊接過程中，一定要控制好層間溫度和冷卻方法，防止碳化物析出和晶間腐蝕產(chǎn)生。

[1] 宋亞群. 不銹鋼塔板焊接變形的矯正[J]. 焊接技術(shù), 1994, 2: 42-43.

[2] 王平. 大直徑不銹鋼薄底板焊接變形的控制和矯正[J]. 化工施工技術(shù), 1998, 20(2): 17-18.

Control and Correction of Deformation of Stainless Steel Pressure Vessel during Welding

CHEN Song-yang1, YAN Hua-yun2, LAN Xu2, ZHAO Da-wei2, JIN Xi2, TU Qiang2
(1.CNOOC China Limited Shenzhen Branch, Shenzhen 518067, China; 2. Shanghai Branch, CNOOC Energy Technology&Services-Oilfield Technology Services Company, Shanghai 200032, China)

The deformation of the austenitic stainless steel Higee made for certain offshore gas field was found. Based on the investigation about deformation, the problem was solved successfully with optimization of welding, aid of exterior pressure and correction of postproduction phase.

Austenitic Stainless Steel; welding deformation; control; correction

TG174

A

陳頌陽(yáng) (1972－) ，男，廣東平遠(yuǎn)人 ，中級(jí)工程師 主要從事海上油氣田開發(fā)生產(chǎn)管理工作。