不銹鋼壓力容器焊接變形控制與矯正

陳頌陽 閆化云 蘭 旭 趙大偉 金 曦 涂 強

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

不銹鋼壓力容器焊接變形控制與矯正

陳頌陽1 閆化云2 蘭 旭2 趙大偉2 金 曦2 涂 強2

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

針對海上某油田奧氏體不銹鋼超重力機在加工過程中出現的變形，在充分分析發生形變的原因的基礎上，通過焊接工藝優化、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用在石油石化行業，例如：鍋爐、壓力容器、換熱器、吸收塔、儲罐和金屬軟管等易腐蝕設備。目前，奧氏體不銹鋼作為一種常見耐蝕合金，已經在海上油田得到了廣泛的應用，但由于不銹鋼本身的特殊性，其在設備建造過程中，經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設備的安全建造至關重要。

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。為了降低工藝流體對系統的腐蝕，確保海上生產安全，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，焊絲化學成分與現場工藝參數見表1~表3。

表1 焊絲H00Cr19Ni12Mo2化學成分(%)

在采用316L不銹鋼加工超重力機的過程中，發現頂部凸緣法蘭與超重力機封頭焊接頂部出現塌陷，部分地方出現微裂紋，如圖1所示。

圖1 超重力機封頭焊接變形示意圖

為了確保該超重力機盡快在現場應用，認真分析了封頭形變原因，及時優化了焊接工藝，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，及時滿足了現場需求。

表3 焊接工藝參數

1 形變原因分析

1.1 316L焊接變形的特點

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

(2)與碳鋼相比，316L線膨脹系數大，直接引起焊接熱脹冷縮量的增加。根據奧氏體型鋼的線膨脹系數比碳鋼大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彈塑性的轉變溫度高。金屬受熱時處于全塑性狀態的溫度，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包括焊接電流，鎢極直徑，弧長，電弧電壓，焊接速度，保護氣流，噴嘴直徑等：

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

(2) 焊極直徑根據焊接電流大小決定，電流越大，直徑也越大。

(3) 焊弧和電弧電壓，弧長范圍約0.5到3mm，對應的電弧電壓為8~10V。

(4) 焊速：選擇時要考慮到電流大小，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是對過熱敏感，故采用小電流、快速焊，多層焊時要嚴格控制層間溫度，使層間溫度小于60 ℃ 。本項目中焊接工藝參數(主要是電流)選擇偏大，導致焊接中間區域熱量集中，最終導致焊接區域附近發生嚴重形變，影響驅動軸的安裝。另外，二層填料較厚，影響了熱傳導。

1.3 316L焊接變形的矯正

現場工況條件下316L焊接工無法消除形變問題，應采取焊后快速冷卻矯正，同時結合機械加工的方法進行。

2 316L焊接形變的控制與矯正方法

根據第一臺超重力機焊接過程中出現的問題，采取如下措施進行形變控制與矯正：

2.1 優化焊接工藝參數

優化焊接電流、電弧電壓和焊接速度等工藝參數，如表4所示。

表4 優化后的焊接工藝參數

2.2 優化焊接工藝

打底焊時焊縫厚度應盡量薄，與根部熔合良好，收弧時要成緩坡型，如有收弧縮孔，應用磨光機磨掉。必須在坡口內引弧熄弧，熄弧時應填滿弧坑，防止弧坑裂紋。

降低二層的填料厚度，盡可能提高熱傳導效率；同時采用兩名焊工對稱焊接，強化焊接熱量分布，降低應力。

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，應嚴格控制層間溫度和焊后冷卻速度，要求焊接時層間溫度控制在60℃以下，焊后必須立即水冷，既可增大接頭的冷卻速度，又可減少焊接應力[2]。

2.4 外力支撐

在焊接易塌陷部位進行支撐固定，分散焊接時產生的應力。如圖2所示。

圖2 超重力機封頭焊接變形過程中加固示意圖

2.5 結合機械加工的方法進行矯正

316L奧氏體不銹鋼封頭焊接完成后，其變形是無法避免的，必然會產生安裝長度偏差，因此在超重力機后期安裝磁驅的過程中，必須結合機械加工的方法進行校正，本項目采用了鏜床對其偏差和粗糙度進行處理，最終達到了設計要求。如圖3所示。

圖3 鏜床上對超重力機封頭加工偏差進行矯正

3 結論

(1) 316L奧氏體不銹鋼焊接變形很難避免，因此需根據具體焊接情況對焊接工藝進行優化，同時必須結合機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，同時確保焊接熱量均勻分布，才能最大限度降低大形變的發生。

(3) 316L奧氏體不銹鋼作為材料的設備加工，焊接前一定要進行焊接工藝評定，制定應對形變的方案。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生。

[1] 宋亞群. 不銹鋼塔板焊接變形的矯正[J]. 焊接技術, 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, 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 (1972－) ，男，廣東平遠人 ，中級工程師 主要從事海上油氣田開發生產管理工作。