淺析國外渣油加氫裝置P22管道焊接施工工藝

石化第十建設有限公司 山東黃島 266520

1 前言

中亞某煉油廠360萬t/a渣油加氫裝置的A335-P22厚壁、高壓、合金管道主要集中在熱高分區域,管道規格有Φ273mm×38.1mm和Φ325mm×45.2mm,用于輸送反應器出口高壓油氣至熱高分、高壓換熱器及高壓空冷裝置。該管道壓力高、溫度高、壁厚大、要求嚴,其焊接施工工藝是施工中的重點、難點。同時,因國外工程的特殊性,需在項目所在地完成焊接工藝評定。針對以上特點,中石化第十建設有限公司認真研究,制定出了一套可行的焊接施工工藝。

2 材料特性

2.1 化學成分

A335-P22鋼是美國材料與試驗協會的標準號,其化學成分見表1。

表1 A335-P22鋼的化學成分(質量分數)

從表中鋼的化學成分可以看出,其鉻鉬含量較大,相對于碳素結構鋼來說,這種合金元素的添加提高了高溫蠕變強度。Cr-Mo基具有良好的抗氧化性和熱強性,同時還具有抗硫和氫腐蝕的能力。

2.2 力學性能

A335-P22鋼的力學性能見表2。

3 焊接性分析

A335-P22是一種合金耐熱鋼,具有持久塑性好等特點,在國外廣泛應用于各種受熱面管道。這種鋼在焊接過程中存在熱影響區硬化、冷裂紋及焊后熱處理或高溫使用過程中的再熱裂紋等問題,因而影響了焊接質量。

表2 A335-P22鋼的力學性能

3.1 淬硬性及焊接接頭冷裂傾向

3.1.1 淬硬性

淬硬性是鋼淬火后獲得硬度的能力,焊接熱影響區的硬度和冷裂傾向與鋼材的化學成分有密切的關系,其中碳的影響最明顯。

根據據美國金屬協會提出用于評定低合金鋼焊接性的碳當量(CE)公式［1］:

此鋼碳當量CE=0.815%＞0.6%,鋼材的淬硬傾向大。

這也是由于鋼中含有1.9%～2.6%的Cr和0.87%～1.13%的Mo,推遲了鋼在冷卻過程中的轉變,使過冷奧氏體的穩定性提高。當冷卻速度較大時, 熱影響區(HAZ)會出現貝氏體和大量馬氏體的淬硬組織。尤其當形成粗大的孿晶馬氏體時,其缺口敏感性增加,脆化嚴重, 因而焊接時熱影響區有一定的淬硬傾向。焊接A335-P22鋼時,如果焊接線能量較小,鋼厚度較大且不預熱焊接時就有可能發生100%的馬氏體轉變。

3.1.2 冷裂傾向

鋼的淬硬傾向越大,焊接時越易產生裂紋。這是由于A335-P22鋼極易產生淬硬的顯微組織,再加上焊縫區足夠高的擴散氫濃度和一定的焊接殘余應力共同作用,使焊接接頭易產生氫致裂紋。這種裂紋在熱影響區和焊縫金屬中都易發生。在熱影響區出現的大多是表面裂紋,在焊縫金屬中通常表現為垂直于焊縫的橫向裂紋,也可能發生在多層焊的焊道下或焊根部位。冷裂紋是A335-P22鋼焊接中存在的主要危險。

目前一般采用焊接裂紋敏感性指數來評估低合金鋼的焊接冷裂紋敏感性,若考慮到焊縫金屬中擴散氫以及不同厚度(即拘束條件不同)對焊接冷裂紋的影響,可在Pcm指數的基礎上進一步得到Pc指數。

根據鋼的裂紋敏感性系數(Pcm)公式［2］:

計算結果表明A335-P22鋼具有一定的冷裂紋敏感性。

根據鋼的冷裂敏感指數公式:

式中,HD——擴散氫含量值,取5mL/100g(E9016-B3的HD≤5mL/100g);

H——焊縫高度值,取38.1mm(以尺寸Φ273×38.1mm為例);由以上Pc公式中可以看出,焊接接頭的含氫量越高,則裂紋的敏感性越大。焊接是在高溫作用下作業,會有大量的氫溶解在熔池中,在隨后的冷卻和凝固過程中,由于溶解度的急劇降低,氫極易逸出,但因冷卻很快,使其來不及逸出而保留在焊縫金屬中。當氫聚集到一定濃度時,就會破壞金屬中原子的結合鍵,使金屬內出現一些微觀裂紋;在應力持續作用下,氫不斷聚集,微觀裂紋不斷擴展,直至發展為宏觀裂紋,最后斷裂。焊接材料中的水分,焊件坡口處的鐵銹、油污,以及環境濕度等都是導致焊縫中含氫的原因。

3.1.3 焊接接頭的應力狀態

由于焊接時不均勻加熱及冷卻過程中產生的熱應力和結構自身拘束條件所造成的應力,會引起氫的聚集,從而誘發裂紋。

3.1.3.1 焊縫和熱影響區在不均勻加熱和冷卻過程中產生的熱應力

當電弧作用在焊件上,靠近電弧的區域快速升溫并融化,體積急劇膨脹;而離電弧遠的區域升溫比較慢,體積變化比較小,這時周圍區域就限制了熔池的自由膨脹。而當電弧移開后熔池開始冷卻凝固收縮,因為之前膨脹受到限制,如果是自由收縮,那熔池應變得更小更窄;但由于周圍材料的限制,熔池又不能自由收縮,所以必然產生殘余應力。應力的大小與母材和填充金屬的熱物理性質有關,也與材料的剛度有關。

3.1.3.2 焊接接頭受焊接剛性拘束產生的拘束應力

這種應力包括材料的剛度、焊縫的位置、焊接的順序、管道的自重,其他受熱部位冷卻過程中的收縮,以及焊接時管道支撐程度等,都會使焊接接頭承受不同程度的應力。

3.1.4 防止措施

A335-P22鋼焊接時,由于應力狀態、焊縫金屬中氫含量,以及由材料淬硬傾向決定的金屬塑性儲備等綜合作用,其焊接接頭有產生裂紋的情況發生。

針對此類鋼焊接,其主要問題是解決氫脆敏感性高的淬硬組織,單純減低擴散氫含量避免不了裂紋,必須采取焊前預熱、焊后緩冷以及焊后熱處理等對策。概括來說,防止冷裂紋的對策主要有:

(1)降低局部含氫量。例如應用低氫焊接方法,選用低氫焊接材料,焊接材料在焊前予以干燥,并妥加保管,對施焊環境的溫度、濕度加以控制,以及焊前預熱等。

(2)控制冷卻速度。

(3)預熱。

(4)后熱(消氫處理)。

(5)減小和消除拘束應力。

(6)采用合適的焊接方法與焊接工藝。

3.2 焊縫金屬中的熱裂紋

熱裂紋主要產生在焊縫中,特別是弧坑處。影響熱裂紋產生的因素較多,從工藝因素方面主要有:

3.2.1 裂紋與焊縫成形系數

焊縫成形系數(Φ=b/h)與A335-P22鋼焊縫熱裂紋有關［3］,焊縫成形系數小時,容易產生熱裂紋,見圖1。

圖1 焊縫成形系數對A335-P22鋼焊縫熱裂紋率的影響

焊縫成形系數(Φ)小的焊縫呈梨形,在其他條件不變時,焊接電流過大,則易形成梨形焊縫。焊縫成形系數越小,焊縫柱狀晶越容易在焊道橫向會合,在焊縫中心形成脆斷面,而且低熔點雜質也由于焊接方法不當,聚集在該脆斷面處,故焊縫易產生縱向熱裂紋。

3.2.2 焊接熱輸入量

采用較低的輸入量對防止熱裂紋的產生十分必要,特別是對焊縫結構拘束度較大時有利。在收弧時一定要將弧坑填滿。圖2為焊接熱輸入量大小對A335-P22鋼熱裂紋率的影響［4］,由圖可知,要防止熱裂紋的產生,宜將熱輸入量控制在50kJ/cm以內。

圖2 熱輸入量對A335-P22鋼焊縫金屬熱裂紋率的影響

3.3 再熱裂紋

焊后A335-P22焊件在一定溫度范圍內再次加熱(消除應力熱處理或其他加熱過程)而產生的裂紋稱為再熱裂紋。再熱裂紋通常發生在熔合線附近的粗晶區中,從焊趾部位開始,延向細晶區停止。鋼中Cr、Mo、V等元素會促使再熱裂紋的形成。

這是由于在焊接過程中,焊后冷卻速度較快,Cr、Mo、V等合金元素固溶在鐵素體中;當再次加熱到500～700℃時,合金元素從晶內以碳化物形態析出,使晶內強化,而晶界成為薄弱環節,在應力的作用下,導致晶界開裂而形成裂紋。

另一方面,在整個焊接過程中如果溫度控制不當,重復多次的加熱及冷卻過程,就會使焊件經歷再熱裂紋敏感溫度區域,加之大的拘束度和焊接殘余應力的作用,也會導致其產生再熱裂紋。

控制層間溫度,采用低線能量工藝和方法,縮小焊接過熱區寬度,細化晶粒以及選擇合理的熱處理工藝參數都是控制熱裂紋的主要應對措施。

3.4 回火脆性

由于接頭在350～500℃回火脆化溫度內受熱, 鋼中雜質在奧氏體晶界偏析,引起晶界脆化;又因Mn、Si等促進回火脆化的元素存在,從而產生回火脆性。適當延長最佳溫度范圍內的焊后熱處理時間,可以提高焊縫金屬的韌性,減少回火脆性。

鑒于上述焊接性分析,厚壁A335-P22鋼的焊接必須采取一系列的工藝措施, 如焊前預熱、焊后熱處理等。而焊接工藝規范及熱處理工藝參數的選用必須盡可能地減少焊接區氫的來源,降低焊接殘余應力,加速焊縫熔敷金屬中擴散氫的逸出,改善焊接接頭組織和性能。

4 施焊特點

4.1 工程特點

渣油加氫裝置采用渣油固定床加氫處理技術,屬高溫、高壓的催化加氫過程。因其復雜的加工生產工藝及高溫、高壓、臨氫、易燃、易爆,及腐蝕性強等特性,裝置從設計選材到施工焊接等環節,均顯示了與國內常規石化裝置不同的特點。

4.2 焊接特點

高壓厚壁管道的焊接工藝復雜,要求嚴格、苛刻。焊接需要執行ASME標準,不接受國內焊接工藝判定,而且要在現場負責焊接工藝評定、焊工培訓、焊工考試等。

4.3 焊工屬地化

焊工屬地化管理存在一定的語言、習俗、理解差異,給現場焊接管理帶來了難度。為確保焊接質量,首先要嚴格焊工準入制,只有取得工程相應焊接考試資質的焊工,經培訓合格后方才施焊。其次,加強對焊工過程焊接能力的評估,分初始評估和周期評估,評估主要是根據對其焊縫射線檢測結果進行,形成焊工退出機制,確保焊工處于受控狀態。

4.4 環境差異化

本工程地處伊朗阿拉克省,海拔平均在1300m左右,屬大陸性亞熱帶高原和沙漠氣候,寒暑變化劇烈,夏熱、冬冷、多風,從11月開始就降水不斷。工程跨越寒暑季節,焊接時受工程環境的影響較大:焊接的環境溫度較低,往往容易產生裂紋;空氣中的濕度太大,會引起焊條受潮坡口有水分,容易造成焊縫氣孔;室外施焊時往往會由于刮風、下雨、下雪而造成施焊困難等。

為了確保焊接質量,當環境溫度低于0℃時,不得進行任何焊接工作;溫度在0～32℃之間,需對起焊點4吋范圍以內預熱后按工藝要求開始施焊;若焊件表面潮濕,以及有冰凍、降雪或刮大風時,除有適當措施外不得進行焊接作業;對于現場焊口,需100%搭設防風棚。

同時,過低的環境溫度會加大接頭的冷卻速度,所以在焊接過程中要對預熱溫度、層間溫度、后熱溫度等進行動態實測適時修正,嚴格執行焊接工藝,確保焊接過程100%受控。

5 焊接工藝的制定

5.1 焊接材料選用

從保證焊縫性能匹配、化學成分相近的原則［5］出發,焊絲選用ER90S-B3,焊條選用E9016-B3,焊材的化學成分及熔敷金屬的力學性能見表3和表4。

表3 ER90S-B3焊絲的化學成分和機械性能

表4 E9016-B3焊條的化學成分和機械性能

5.2 坡口設計

Φ273mm×38.1mm管道焊接坡口形式與尺寸采用ANSI B16.25標準所給的坡口形式,并參照此工程總承包焊接規程文件 Welding Procedure Specifications［6］,如圖3所示。 其中對口間隙為 3.2～4mm,鈍邊量為1.6mm±0.8mm。

5.3 焊前準備

(1)徹底清除Φ273mm×38.1mm坡口內外表面兩側20mm處及焊絲表面油污、漆、鐵銹、水分,直至露出金屬光澤;

圖3 A335-P22鋼Φ273×38.1mm管材對接坡口形式

(2)坡口加工均采用機械方法進行,坡口加工后,對坡口及其兩側各20mm進行表面檢測;

(3)嚴禁強力組對,焊縫兩端盡量可以自由伸縮;

(4)錯邊量≤1mm,偏斜度≤2mm;

(5)焊條在 350～400℃下烘烤1h,在80～120℃恒溫儲藏,隨用隨取。

5.4 焊接線能量參數選取

由于A335-P22鋼對線能量的變化不敏感,因此線能量的選用應從防止再熱裂紋的產生來考慮,在保證焊縫成型質量的前提下選用較低的線能量參數,以縮小過熱區的寬度,減小晶粒長大傾向。考慮到線能量對A335-P22鋼焊縫金屬熱裂紋率的影響如圖2所示,線能量定為40～50kJ/cm,一般不能高于50kJ/cm。

5.5 焊接工藝參數選取

經過試焊測定和對比分析,擬定與之相匹配的焊接工藝參數見表5。

同時考慮到A335-P22鋼在焊縫金屬中Cr、Mo等合金元素較多,在高溫下極易與氧氣發生化學反應生成金屬氧化物,從而大大降低了焊縫金屬的力學性能。所以在氬弧打底焊接時對背面進行沖氬保護,氬氣流量為6～15L/min。

5.6 熱處理工藝參數選取

5.6.1 預熱

預熱是防止A335-P22鋼焊接接頭產生冷裂紋的有效措施之一。

預熱可以改變焊接過程的循環,遏制或減少淬硬組織的形成,同時能減慢冷卻速度,利于氫的逸出,從而減少焊接應力,降低冷裂紋傾向。預熱不僅要考慮A335-P22鋼的淬硬性和焊接厚度,還應考慮其剛性、母材的供貨狀態、焊接方法及環境溫度等。

表5 擬定焊接工藝參數

一般可根據以下預熱溫度(TY)計算公式計算:

計算表明,A335-P22、Φ273×38.1mm管道焊接,要防止產生冷裂紋,預熱溫度應為241.6℃,工藝評定擬定為200～300℃。在焊接中,考慮到實際可操作性及鎢極氬弧焊的特點,以及焊絲韌性好,可以將打底預熱溫度控制在200℃左右,后續焊道采用手工電弧焊預熱溫度控制在250℃左右;并且要求焊前、焊接過程(層間溫度)和焊接結束時, 焊件的預熱溫度應基本一致,并實測修正。

預熱要求熱透且溫度分布均勻,溫度控制準確,選用電加熱法進行預熱。預熱時以對口中心線為基準,兩側各小于5倍壁厚,且不小于200mm,加熱區以外的100mm范圍內要予以保溫。同時,配備紅外測溫儀隨時進行檢查測量,確保預熱溫度符合要求。

5.6.2 后熱

在焊接因中間檢驗或者其他原因被迫中斷,或者焊后來不及進行熱處理時,必須采取后熱脫氫處理措施,以促進焊縫中擴散氫的逸出,降低焊接殘余應力,避免焊接接頭中出現馬氏體組織,從而防止氫致裂紋的產生。后熱溫度控制在不低于預熱溫度的上限值(300℃),取 300～350℃/30min。

5.6.3 焊后熱處理

為消除焊接殘余應力,改善焊縫組織及熱影響區的韌性,降低硬度,促使已產生的馬氏體組織高溫回火,利用金屬高溫下強度的降低而把彈性應變轉變成塑性應變,以達到消除焊接殘余應力的目的,從而提高接頭的高溫蠕變強度和組織穩定性,并徹底脫氫,避免焊接裂紋的產生。焊后熱處理的溫度范圍控制在705～760℃之間, 恒溫時間為2.4min/mm,且最少保持2h。每側加熱寬度取200mm,升溫速度按 (5125/壁厚)℃/h計算,且不大于220℃/h,300℃以下可不控制;降溫速度按 (6500/壁厚)℃/h計算,且不大于260℃/h,300℃以下可自然冷卻。

5.7 試件焊接與熱處理

按照表5中擬定的焊接工藝參數,對A335-P22管道Φ273mm×38.1mm的1、2、3號試件進行焊接。焊接預熱溫度為200～250℃,層間溫度保持在250℃左右,采用多層多道連續焊接完成;考慮到在施工現場焊后不能及時跟上熱處理,所以焊接完畢后立即進行300～350℃/30min的后熱并保溫緩冷;待冷卻至常溫后分別進行720、730、740℃/2h的消應力熱處理。要求300℃以上升溫速度≤130℃/h,降溫速度≤170℃/h。

整個試件在焊接過程中,熱溫度曲線見圖4。

圖4 A335-P22鋼焊接熱溫度曲線

5.8 焊接工藝評定

按ASME IX的標準,對焊后A335-P22的管道接頭進行工藝評定。對1號、2號、3號試件焊接接頭進行了相應的試驗檢測,無損檢測結果見表6,硬度檢測結果見表7,拉伸試驗結果見表8,彎曲試驗結果見表9。

表6 無損檢測結果

表7 硬度檢測結果

表8 拉伸試驗結果

表9 彎曲試驗結果

以上工藝評定結果表明,采用上述焊接工藝的A335-P22鋼管接頭的性能符合設計要求,采用的焊接及熱處理工藝參數是正確的。經對比分析,確定出最佳匹配的焊接及熱處理工藝參數,見表10。

表10 焊接及熱處理工藝參數的最佳匹配

6 焊接工藝評定

由于A335-P22具有耐熱鋼的一些固有特點,尤其在厚壁情況下現場焊接,如果一些因素及工藝控制不當,將對焊接接頭的性能產生一定的影響。因此,在實際的工程焊接施工中必須采取相應的工藝控制措施,以保證管道的焊接質量。

6.1 焊縫含氫量控制

E9016-B3焊條使用前應嚴格烘烤,烘烤時不允許急冷、急熱,以防止焊條藥皮開裂。焊條烘烤溫度一覽見表11。焊條烘烤做到按計劃進行,烘烤一般不準超過2次。施焊前要清理干凈焊絲、焊縫坡口上的水、鐵銹、油污以及氧化物等雜質。

表11 焊條烘烤溫度一覽表

6.2 定位焊質量控制

定位焊采用過橋式氬弧焊,正式施焊焊到該位置時要求將定位焊縫磨掉。定位焊縫長10～20mm,高2～4mm,數目不少于4處,沿坡口圓周均布。進行定位焊時,要嚴格按焊接工藝進行預熱,其范圍為定位焊縫周圍半徑50mm內的區域。

6.3 焊接環境控制

焊接受環境影響較大,當風速過大尤其是管內的穿堂風過大時易使接頭淬硬,含氫量也會增加,因此施焊時兩側管口要堵死,現場焊口100%使用防風棚。其他條件:空氣相對濕度小于90%,手工電弧焊風速小于8m/s,氬弧焊時風速小于2m/s。

6.4 焊接工藝控制

(1)焊件達到預熱溫度后要及時進行焊接,在保持預熱溫度的條件下,每條焊縫一次連續焊完。

(2)嚴格控制層間溫度,嚴格按工藝規程施焊。施焊過程中控制層間溫度不低于預熱溫度,并且動態實測、適時修正,達不到要求時應重新加熱后方可繼續施焊。

(3)打底焊接時送絲要均勻,收弧時特別注意把焊接電流衰減下來,填滿弧坑后移向坡口邊沿收弧,防止產生弧坑裂紋。焊條電弧焊填充時,第一道應盡可能減小電流,防止打底層由于電流過大被擊穿。

(4)嚴格執行工藝評定的焊接電流、電壓等工藝參數,對線能量進行嚴格控制。

(5)焊道分布要合理,采用多層多道焊焊接工藝。前一層對后一層預熱,后一層對前一層起熱處理作用,可以降低焊接接頭殘余應力峰值水平,改善焊接接頭組織,對防止產生冷裂紋有利。氬弧焊層厚度不小于3mm,其他焊道單層厚度不大于所用焊條直徑,單道焊縫寬度不大于所用焊條直徑的3倍。

6.5 后熱(消氫)處理

對于A335-P22鋼,采用后熱(消氫)工藝在實際焊接中可使焊接區軟化、去氫、降低殘余應力。另外,這樣即使在打底層不進行高溫預熱,也可避免產生冷裂紋。受現場施工條件所限,消應力熱處理很難在管道焊接完畢后立即進行,為防止焊縫急冷出現裂紋,焊后應立即進行300～350℃/30min的后熱(消氫)處理并保溫緩冷至常溫。

6.6 熱處理工藝控制

焊后熱處理可消除焊接殘余應力, 改善接頭的組織和力學性能,并能大幅度降低焊縫的含氫量, 是防止出現延遲裂紋的重要措施。采用自控儀表電加熱器,加熱范圍為焊縫兩側各不少于焊縫寬度的4倍,且不少于25mm;加熱區以外100mm 范圍內應予以保溫,且管道端口應封閉。熱處理工藝參數見表12。同時,對熱處理的焊口編號、加熱片覆蓋厚度和寬度、各道焊口輸入的熱處理工藝參數等必須經過嚴格檢查,以確保熱處理質量。熱處理完成后進行100%硬度檢測,確保每道焊縫硬度符合要求。

表12 熱處理工藝參數

6.7 無損檢測及返修控制

為保證焊接質量,高壓管道坡口增加100%坡口著色檢驗,焊接因故中斷后重新施焊前也要進行著色檢驗。焊縫在焊接完畢后應立即清理,去除焊渣、飛濺物等,進行外觀檢查。焊縫與母材應圓滑過渡,當外觀檢查合格后100%進行無損檢測。

焊縫返修應采用砂輪打磨消除缺陷并修整成適合補焊的形狀,要注意打磨掉淬硬層,并做著色檢驗,確認缺陷被徹底清除后方可繼續施焊。預熱溫度取上限,預熱范圍適當擴大,返修后按原檢測方法重新檢測和評定,同一部位返修不得超過二次。焊接接頭返修焊結束24h后, 再對返修部位進行無損檢測。

7 應用效果

本工程中A335-P22管道的現場焊接量見表13。

表13 A335-P22管道的現場焊接量

由于嚴格按照工藝規程進行管道焊接施工,并根據當地環境制定了相應的焊接措施,通過在現場施工管理上加強以上質量控制措施,有效地防止了焊接裂紋的產生,最終焊接全部合格,獲得了滿意的焊接接頭質量。

8 結語

伊朗渣油加氫裝置工程高壓管道系統投產使用后,符合使用要求。實踐證明,采用本焊接施工工藝進行A335-P22厚壁、高壓、合金鋼管道焊接施工是可行的,也為今后同類裝置施工提供了經驗。