石油鉻鉬鋼管道焊接工藝及質量控制*

張 雄

(國家管網集團西南管道有限責任公司 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用在能源氣體等的調配運輸方面，具有運輸效率高、管道安裝快速便捷等優勢，但是因管道焊接質量不良，造成能源氣體運輸過程中的泄漏事故較多，影響運輸效率的同時還會造成嚴重的安全問題。石油鉻鉬鋼管道焊接施工容易造成焊縫以及熱影響區域發生各種形式的裂紋，不利于焊接質量控制。為此，此文重點從焊接工藝，焊材選擇、焊后熱處理，脫氫處理等方面出發，探討加強熱裂紋、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量及能源氣體輸運的安全性和效率性。

1 石油鉻鉬鋼管道焊接工藝及要點

鉻鉬鋼管道焊接工藝是保證焊接施工質量的關鍵環節。結合石油鉻鉬鋼管道所用焊材，制定焊接工藝卡，并進行氬弧焊+手工電弧焊的焊接方式選擇，設置V形坡口，并除去坡口處的氧化物及毛刺，將坡口兩側打磨出金屬光澤。按設計要求的預熱范圍和溫度進行焊前預熱處理，清除坡口表面及邊緣內外側20 mm寬度范圍內油漆、污垢、毛刺及銹蝕，直至露出金屬光澤，并對坡口處材料進行100% PT檢驗，保證其達到《JB4730-2005承壓設備無損檢測》Ⅱ級水平[1]；焊縫內部進行充氬保護，焊接后按照設計溫度及持續時間進行熱處理，并檢驗焊縫硬度。氬氣焊所用氬氣純度應不低于99.9%，氬弧焊以及手工電弧焊焊接過程中如遇降水天氣，風速分別超出2.0 m/s及8.0 m/s，相對濕度在90%以上等任一情況，則應采取有效防護措施；如無法提供有效防護，必須停止施焊。焊后應初步進行焊縫外觀檢查，焊縫表面不得出現裂紋、弧坑、夾渣及氣孔等缺陷，并及時清除飛濺焊渣及焊材藥皮；對接焊縫的咬邊深度及咬邊連續長度應分別控制在0.5 mm和100 mm內，兩側咬邊總長度不應超出所對應焊縫長度的10%(見圖1)。以上外觀檢測必須在無損檢測前進行，此后依次進行焊縫無損檢測和耐壓試驗。耐壓試驗用壓力表必須事先校驗，精度應在1.5級以上，刻度值應為被測壓力最大值的1.5～2.0倍。對于外觀檢測不合格的焊縫，無需進行其他檢測，必須及時查明原因并返修。

焊接是局部加熱后繼而冷卻的過程，焊條端產生的電弧為主要熱源，在移動施焊的過程中會形成不均勻溫度場，產生焊接殘余拉應力。這種拉應力達到鉻鉬鋼材料屈服強度后便會使材料晶格結構發生改變。為此必須在焊接完成后調整殘余應力，可以采用熱時效法消除對材料使用性能不利的殘余拉應力。熱時效法主要借助熱處理中的退火技術，將待處理工件加熱至550～650 ℃的高溫狀態，并長時間保溫后緩慢冷卻，通過熱作用過程下的原子擴散及塑性變形得以完全消除內應力。

2 石油鉻鉬鋼管道焊接質量控制及措施

2.1 裂紋控制

石油鉻鉬鋼管道常見的裂紋形式包括冷裂紋、熱裂紋和層狀撕裂裂紋等，其中，冷裂紋發生的主要原因在于焊接高溫使焊接接口內部淬硬組織性能退化(見圖2)以及擴散氫含量的綜合影響，引發缺陷處大量氫分子沉淀。冷裂紋通常集中出現在管道融合線、管道熱影響區。熱裂紋表現形式更為多樣，除常見于熱影響區外，還經常出現于焊縫內部，引發原因主要為高溫、焊接應力、結晶拉升等。層狀撕裂裂紋則更多因為焊材內部存在分層雜質、軋制應力、受力不均等原因而引起。

圖1 焊縫問題硬組織性能退化 圖2 焊接接口內部淬

結合石油鉻鉬鋼管道常見的焊接工藝可以看出，根部和填充部分分別采用氬氣保護焊接和電弧焊，并均使用低氫型焊材。擴散氫是造成石油鉻鉬鋼管道冷裂紋產生的主要原因，為此，必須在焊接施工過程中，通過對焊條烘干處理、在焊接材料中適當添加氟化物碳酸鹽及高價氧化物等措施加強擴散氫產生過程控制，避免冷裂紋出現，同時在焊接前根據焊材出廠說明書烘烤焊材，控制焊接材料發生吸濕反應的可能。為避免烘烤干燥后的焊材發生二次吸濕，在施工開始后應將材料置于特制的保溫筒內，并將置放時間控制在4h以內；為保證焊材良好的焊接性能，重復烘烤次數不能超出3次。

焊接過程中焊縫金屬冷凝也會引發裂紋，即所謂的熱裂紋，為控制這種熱裂紋的產生，應盡量選擇雜質含量低的低熱敏感性焊材；就焊接工藝而言，應提前按照150～350 ℃進行鉻鉬鋼材料預熱處理，具體的預熱控制要求詳見表1所列。焊接施工期間，層間溫度應不低于120 ℃，焊接結束后，必須立即在300～350 ℃的溫度下消氫處理15 min，轉而在常溫下緩冷。

表1 鉻鉬鋼材料預熱控制要求

2.2 焊后熱處理

焊接施工會使焊縫和熱作用區域內材料焊接應力影響而變硬，為消除焊接應力影響，改善焊接接頭處晶相組織，保持焊縫具備良好的金屬機械性能[2]，應進行石油鉻鉬鋼管道焊后熱處理。石油鉻鉬鋼管道熱處理時，12CrMo、15CrMo及12Cr1Mov、1Cr5Mo鋼種熱處理溫度應分別控制在650～700 ℃、700～750 ℃、750～780 ℃范圍內。熱處理時應對焊縫兩側寬度至少為焊縫寬度3倍的區域進行加熱，該區域以外100 mm的范圍進行保溫，并對管道端口封閉處理。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)；總恒溫時間控制在1/2 h內，且這一期間，各個測點溫度必須均勻，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 ℃后轉入常溫狀態下自然冷卻。經過以上處理且焊接位置硬度和母材一致，則達到熱處理合格要求。

2.3 焊材選擇要點

為避免石油鉻鉬鋼管道發生焊接缺陷，必須選擇低氫型焊材，同時應嚴控焊接材料中P、S等化學物質含量，另外，還應結合母材性能、焊接壓力、介質溫度[3]等進行焊材綜合比選。石油鉻鉬鋼管道常見焊材化學物質以及含量控制要求具體見表2所列。

表2 常見焊材化學物質及含量控制要求 /%

續表2 常見焊材化學物質及含量控制要求 /%

3 結 語

綜上所述，石油鉻鉬鋼管道焊接質量控制必須以避免焊縫缺陷為要點，選擇焊接材料時應首選低氫型焊材，且焊材主化學成分最好和母材保持一致；在焊接工藝方面，應加強擴散氫控制，并在焊前烘烤焊材，焊后熱處理，以消除焊接應力影響，改善焊縫處晶相組織，保持焊縫金屬機械性能；在焊接施工過程管理方面，應當加強焊接工藝方案編審以及焊后的檢查驗收，提升焊接人員技能水平，保證一次焊接合格率達到設計要求。