焊縫接頭強度降低系數對800HT焊接管道壁厚的影響

向煒成 樸大文 馮晨辰 孫皓

摘 ?????要： 800HT管道具有優異的高溫穩定性能，在化工裝置中有著十分重要的作用。800HT管道價格昂貴，超高溫大口徑800HT直管內壓強度設計須兼顧安全性和經濟性。對比了現階段不同標準內壓焊接管道強度計算的要求，詳細解釋了焊縫接頭強度降低系數取值的重要性。影響焊縫接頭強度降低系數的因素包括化學組成、填充材料、焊接工藝、熱處理工藝等。800HT焊制管道的采購、制造、施工應嚴格按照設計要求執行，否則難以保證高溫使用性能。

關 ?鍵 ?詞：800HT;焊縫接頭強度降低系數;壁厚計算

中圖分類號：TQ 050.9???????文獻標識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2020）01-0182-05

Influence of Weld?Joint Strength?Reduction Factor

on Thickness of 800HT Welded Pipeline

XIANG Wei-cheng， PIAO Da-wen， FENG Chen-chen， SUN Hao

（CNPC Northeast Refining & Chemical Engineering Co.， Ltd.， Shenyang Company， Liaoning Shenyang 110167， China）

Abstract： 800HT pipeline has excellent high temperature stability， so it plays a very important role in chemical plants. Because 800HT material is expensive， the pressure strength design of heavy caliber 800HT pipe?used at super high temperature must take into account?the safety and economy.?In this paper，?the requirements of calculating the wall thickness of welded pipes in different standards were compared， and?the importance of weld joint strength?reduction factor?was explained. The influencing factors of weld strength reduction coefficient include?chemical composition，?filling material， welding process?and heat treatment process.?It was pointed out that the purchase， manufacture， construction of 800HT welded pipes should?be carried out in strict accordance with the design requirements.?Otherwise， it is difficult to ensure its high temperature performance.

Key words： 800HT; Weld strength reduction coefficient; Wall thickness calculation

Incoloy 800（UNS N08800）、Incoloy 800H（UNS N08810）、Incoloy 800HT（UNS N08811）三者的化學成分較為相似，都具有很好的耐還原、氧化性能和高溫穩定性能。800HT是在800H基礎上提高了對（Al+Ti）和C含量的要求，以此得到更為優異的高溫使用性能。苯乙烯裝置第一、第二脫氫反應器的特點是溫度高。過熱蒸汽部分管道溫度已經超過了304H的使用范圍。從在運苯乙烯裝置上來看，800HT管道最高設計溫度可達927 ℃。在這一溫度下需選用易于焊接、耐腐蝕、具有較高的抗蠕變和斷裂強度的材料。另外提高該管道輸送蒸汽的溫度會降低單位產量蒸汽使用量從而達到節省能耗和擴大產能的目的。因此該部分管道對苯乙烯裝置運行效果的重要意義。大直徑800HT焊接管道以進口為主，造價至少12萬/t，占管道總投資的大部分。所以材料設計既要滿足操作工況要求又要經濟合理。Incoloy 800HT（UNS N08811）這種高性能的耐熱合金已被證實可以很好地滿足上述要求。800HT管道在苯乙烯裝置中的使用位置如圖1所示。

從工程設計角度說，800HT管道材料的選用、控制及詳細規格要求的確定（包括焊接材料）是設計上的難點，也是工程設計的主要內容。對于800HT管道國內仍缺乏成熟的設計、制造經驗。不同工程公司和規范標準對此類管道強度計算有著不同的要求。若壁厚設計過大會造成不必要的浪費，同時施工難度加大;若強度設計不達標則會留下安全隱患^[1]。因此對于超高溫、大口徑的800HT管道，選擇合理的計算公式和參數尤為重要。

1 ?標準公式對比

SH/T 3059-2012《石油化工管道設計器材選用規范》、DL/T 5054-2016《火力發電廠汽水管道設計規范》規定：當直管計算厚度t<管子外徑D₀的1/6時，承受內壓的直管厚度計算公式如下：

t=PD₀ /（2[s]^tΦW+2PY）????（1）

式中：t —直管的計算壁厚，mm;

P—設計壓力，MPa;

D₀ —管子外徑，mm;

[σ]^t—設計溫度下管子材料的許用應力，MPa;

Φ—焊接接頭系數;

W—焊縫接頭強度降低系數;

Y—溫度對計算直管壁厚公式的修正系數。

GB 50316-2000（2008年版）《工業金屬管道設計規范》和GB 20801-2006《壓力管道規范 工業管道》規定：當直管計算厚度t<管子外徑D₀的1/6

時，承受內壓的直管厚度計算公式如下：

t=PD₀ /（2[s]^tΦ+2PY）?????（2）

式中：t—直管的計算壁厚，mm;

P—設計壓力，MPa;

D₀—管子外徑，mm;

[σ]^t—設計溫度下管子材料的許用應力，MPa;

Φ—焊接接頭系數;

Y—溫度對計算直管壁厚公式的修正系數。

比較上述公式可以發現，公式（1）的計算公式中增加了W焊縫接頭強度降低系數。雖然SH/T 3059和DL/T 5054的管道壁厚計算中引入了焊縫接頭強度降低系數，但是兩者均沒有對此系數進行詳細解釋說明。

SH/T 3059-2012僅給出了鉻鉬合金鋼與奧氏體鋼在不同溫度下的焊縫接頭強度降低系數的取值（如表1所示）。最高設計溫度816 ℃，對應帶填充金屬奧氏體鋼的焊縫接頭強度降低系數取值為0.5。SH/T 3059在其條文解釋中表示該標準中的計算公式是采用了ASME B31.3《Process Piping》中推薦的計算公式。由于目前國內其他相關標準中的計算公式沒有引入此系數，設計者在工程設計中應根據所采用的標準，選用相應的計算公式。

DL/T5054-2016《火力發電廠汽水管道設計規范》單獨提出在蠕變溫度下焊接鋼管的直管最小壁厚公式中引入焊縫接頭強度降低系數。但對于該系數的解釋同樣不夠清晰。對于800HT材料，該標準也僅給出了最高649 ℃下的焊接強度降低系數為0.77。

可以看出，國內標準中對于高溫下800HT焊接管道壁厚計算時是否考慮焊縫接頭強度降低系數及該系數如何選取并沒有統一意見^[2]。所以進行該類管道強度計算時，設計者應在設計文件中明確強度計算選用標準。

2 ?焊縫接頭強度降低系數的工程意義

焊縫接頭強度降低系數是在2004版ASME B31.3中首次增加的內容。在高溫下，焊縫接頭的長期強度可能比母材的長期強度低。焊縫接頭強度降低系數即是引起焊縫接頭失效的名義應力與相同持久時間母材失效的名義應力的比。所以在ASME B31.3內壓壁厚計算公式中，要求許用應力和焊接接頭系數的乘積還應乘以焊縫接頭強度降低系數W來調整（同公式（1））。ASME B31.3-2018版中給出了不同溫度下800HT的焊縫接頭強度降低系數（如表2所示），并給出了該系數取值的解釋性說明。

在蠕變溫度范圍，隨著溫度的升高焊接鋼管的焊縫接頭強度系數隨之降低。對于帶填充金屬的800HT焊接鋼管，ASME B31.3中規定649 ℃時焊縫接頭強度降低系數取值0.77，816 ℃時焊縫接頭強度降低系數取值為0.5。中間溫度的強度降低系數應使用線性內插法求得。高于816 ℃時，焊縫接頭強度降低系數的取值是設計師的責任^[3]。目前看來，苯乙烯裝置中800HT管道的設計溫度均大于816 ℃。按照標準中給出焊縫接頭強度降低系數的取值趨勢可以看出，800HT焊接管道在875 ℃下的焊縫接頭強度降低系數的取值必然小于0.5。

焊縫接頭強度降低系數取值越小，相同條件下焊接管道的計算壁厚越大。以875 ℃、0.3 MPa高溫蒸汽，DN1000的800HT管道（腐蝕余量1.5 mm）為例，在W取值分別為1、0.8、0.5的情況下按照SH/T3059所列公式進行強度計算。計算得到管道規格分別為1 016×19， 1 016×24，1 016×36。在如此高的設計溫度下，大直徑的800HT管道的許用應力僅為8 MPa，導致焊縫接頭強度降低系數的取值對800HT管道的壁厚大小影響明顯。在W取1或0.5時，管道壁厚計算結果相差將近一倍。800HT管道造價昂貴，可以看出W的不同取值對管道造價影響明顯。

結合國內外苯乙烯裝置的工藝包或設計文件來看，800HT的管道設計溫度均在875 ℃以上，設計者在進行管道壁厚計算時，對此系數的取值均未小于0.8。ASME B31.3一方面規定該系數的選取是設計師的責任，另一方面也規定該參數除了可以按照標準給出的具體數值執行之外，也可以由蠕變試驗數據確定。當采用焊縫接頭的蠕變試驗來確定焊縫接頭強度降低系數時，宜使用全厚度橫截面試樣，試驗持續時間至少1 000 h。經業主同意，也可使用大量成功的經驗來調整該系數。成功的經驗必須包括相同或類似的材料、焊縫金屬成分，以及在相等或更苛刻的持續操作工況條件下的焊接工藝。苯乙烯BADGER和Lumusi工藝包對高溫下800HT的焊縫接頭強度降低系數的取值是基于他們的蠕變實驗結果和供貨商提供的800HT管道使用信息確定的。

BADGER和Lumusi工藝包對焊縫接頭強度降低系數取值分別為0.8和1。雖然系數取值不同，但是工藝包在給出焊縫接頭強度降低系數的基礎上都嚴格規定了管子的制造、檢測、施工、熱處理工藝，同時明確要求制造廠和施工方必須嚴格按照此規定執行。現階段部分國內的設計院設計時選擇的焊縫接頭強度降低系數理論依據不足，出具的其他設計要求也并不完整。有許多因素可以影響800HT在高溫下焊縫接頭的強度，比如選擇的焊材、焊接方式、熱處理要求、焊后圓度偏差、焊縫的錯邊等等。這些因素都會影響實際的焊縫接頭強度降低系數。所以應盡量減少此類偏差對焊接接頭壽命的影響。800HT高溫材料的設計應盡量明確800HT管道的相關要求，才能與一個可靠的焊縫接頭強度降低系數相適應。

從另一個角度來看，如果800HT管道的原料、加工、焊接、檢驗等未嚴格按照設計文件要求執行，設計人員計算800HT焊接管道壁厚時，焊縫接頭強度降低系數的取值就不正確，強度計算結果也會與實際偏差較大。

3 ?材料、焊接、熱處理要求

因為粗晶組織具有高溫蠕變和應力斷裂強度，所以800HT材料需要經過退火以得到控制該溫度范圍內最佳性能的晶粒度。要求包括管件在內的所有的800HT管道材料需固溶處理狀態供貨。固溶處理的溫度最低1 150 ℃。平均晶粒度應達到5級或更粗。通常情況下固溶退火熱處理是在工廠進行的。

焊接管子和管件由鋼板加工得到，雖然鋼板出廠前進行了上述熱處理。但是管子管件的加工過程同樣會影響管道的最終性能。一些冷加工會影響晶粒結構，導致重結晶。冷加工量越大，再結晶程度越高，晶粒組織越細。這將導致更高的蠕變速率和更短的高溫應力斷裂時間。所以當變形導致晶粒變形過大時，建議重新進行固溶退火。再次固溶熱處理后，800HT材料還應在899 ℃進行2 h的穩定化處理。對于在成型過程中未產生明顯的晶粒變形的成型方法，僅進行成型后熱處理即可（899 ℃保溫2 h）。所有成型過程后（無論熱成型還是冷成型）均應進行100%的液體滲透檢測。所有表面不允許有任何線性缺陷。

不同于煉油裝置中涉及硫或酸的腐蝕^[4]，苯乙烯化工裝置中的800HT管道輸送介質主要為高溫蒸汽，除了高溫氧化外不用過多考慮腐蝕問題。對腐蝕余量的選取各家公司也不一致。800系列管道材料的高溫氧化年腐蝕率可參見表3。參考國外大型設計公司經驗和SH/T 3059給出的金屬材料高溫氧化年腐蝕率。建議設計溫度900 ℃，10年設計使用壽命的800HT管道，腐蝕余量取1.5 mm。

ASTM B366《工廠制造鍛軋鎳和鎳合金管配件》是鎳鐵鉻合金管件的標準，其中包含800HT（N08811）牌號。不同于管件，現在國際上并沒有800HT（N08811）焊接管道的標準。通用的焊制鎳鐵鉻合金管標準ASTM B514，800系列合金里只包含800（N08800），800H（N08810）的相關要求。所以在描述800HT焊接管道時不能單獨列出焊接管道標準ASTM B514，還需單獨提出800HT板材標準。800HT焊接管道所用板材的材料和制造、化學成分、力學性能和其他要求應嚴格按照ASME SB409《鎳-鐵-鉻合金板材、薄板和代材》中800HT的要求執行。其中碳含量嚴格限制在0.06%～0.10%，Al和Ti的總含量被要求嚴格控制在0.85%～1.20%。直焊縫焊接管道的性能更多的是由原材料板材決定的。國內的苯乙烯項目，大直徑800HT管道多為進口。主要形式是從國外進口符合技術文件要求的800HT板材，由國內的鋼管廠加工制造成焊接鋼管。國際上比較著名的800HT材料廠商有日本神鋼、美國因科、日本冶金、日本住友等。800HT板材的化學成分及力學性能見表4。

除了焊接管子所用板材本身性質外，管道的制造、焊接和熱處理對整體性能的影響不能忽視。下面提供了業界較為認可的800HT管道的焊接及熱處理要求，設計者在確定焊縫接頭強度降低系數時可結合自身經驗做出具體規定。

抗拉強度≥450 MPa;屈服強度≥170 MPa;延伸率≥30%

Incoloy800HT具有高的焊接熱裂紋敏感性。在焊接時焊縫和熱影響區金屬冷卻過程中易產生焊接裂紋。鑒于800HT管道對焊接質量要求嚴格，在正式制造前需進行焊接工藝評定并合格。參與800HT管道焊接的焊工必須經過焊接基本知識和實際操作培訓，并取得Incoloy 800HT（焊材ERNiCrCoMo-1，ENiCrCoMo-1）焊接資格的焊接合格證。

800HT管道的焊接過程可接受GTAW（鎢極惰性氣體保護焊）打底和SMAW（手工電弧焊）填充蓋面^[5]。焊接材料與母材的主要化學成分應相近，保證各項性能與母材相當。填充金屬應與工藝焊接評定所用材料一致。選擇合適的焊接材料，要減少焊接材料中易偏析元素和有害雜質的含量。特別應減少硫、磷等雜質。800HT母材中要求硫含量小于0.015%，焊絲和焊條中的硫含量也需控制在0.015%以內。選用與母材匹配的焊接材料是防止微裂紋的重要措施。對于鎳鐵鉻合金800HT管道GTAW采用的焊絲為SFA 5.14：AWS Class ERNiCrCoMo- 1（Inconel 617）。SMAW使用的焊條為SFA 5.11：AWS Class ENiCrCoMo-1（Inconel 117）。焊接時應嚴格控制層間溫度。在焊接時應清除焊縫附近區域的氧化皮、各種涂料油漆，防止焊縫氣孔的產生。焊接時宜采用多層多道焊，每道焊完應進行檢查^[6]。所有對接環焊縫和直焊縫需在熱處理前進行100%射線檢測和100%液體滲透檢測，在熱處理后進行100%液體滲透檢測。對于部分焊縫當射線檢測無法實現時（如支管座的根部），應進行100%滲透檢測。應盡量避免不同材質的焊接，如確實遇到不同材質的焊接（如304H不銹鋼和800HT合金），除上述檢測外還應進行100%的超聲檢測。因焊接管道本身為直焊縫，在對接時需避免出現十字焊縫，影響使用性能，每道焊縫至少偏移5°。

所有800HT管道的焊縫均應進行焊后熱處理。一般熱處理溫度為899～913 ℃。當800HT管道壁厚≤25.4 mm時保持恒溫1.5 h，壁厚每增加25.4 mm保持恒溫時間延長1 h，如50.8 mm厚應保持恒溫2.5 h。爐內或隨著絕熱層降溫，降溫速率111 ℃/h。當溫度低于427 ℃時，降溫速率不需再進行控制。

4 ?結 論

Incoloy 800HT管道有著優異的高溫穩定性，在化工裝置高溫部分有著重要的應用。焊縫接頭強度降低系數的選擇對于高溫焊接800HT管道壁厚計算結果十分重要。該系數的選取可以結合蠕變試驗及成功應用經驗確定。焊縫接頭強度降低系數的取值是設計者的責任，設計者需要對在管道生產、制造、施工、熱處理過程中所有影響該系數取值的因素進行限定，保證焊縫接頭強度降低系數取值的正確性。

參考文獻：

[1]徐浯.Incoloy 800HT管線斷裂失效分析[J]. 化工設備與管道， 2011， 48（1）： 60-63

[2]安紅衛. 壓力管道壁厚設計計算與對比分析[J]. 中國化工貿易，2018， 10（11）： 255-256.

[3]嚴衛.?2004版ASME規范B31.3工藝管道的技術變更[J]. 石油化工設計， 2007， 24（1）： 21-24.

[4]馬越，鄭志坤，向煒成. 高硫高酸原油的環烷酸腐蝕與對策[J].當代化工，2018， 47（11）： 2409-2412.

[5] 劉古文，曲文忠，王德君.?Incoloy 800HT鐵鎳基合金爐管焊接工藝[J]. 2006（5）：59-60.

[6]?黃峰. Incoloy 800HT材料的焊接和熱處理[J]. 石油化工建設， 2010，32（4）：32-34+55.