TP347钢炉管的焊接技术

王其志，娄鲲鹏，方明波，李瑞

（中国石油天然气第一建设公司）

摘  要：对TP347材质焊接性进行分析，确定了焊接海王星方法，确定了焊接工艺参数及焊后热处理工艺。指出现场焊接时控制热输出及焊后热处理是控制铁素体含量的关键。

关键词：TP347   铁素体  热输出  焊后热处理 

THE WELDING TECHNOLOGY OF PIPE IN FURNACE  TP347

China Petroleum First Construction Corporation      Wang Qizhi，Lou Kunpeng

                                             Fang Mingpo , Li Rui

Abstract  Through analysis on welding performance of TP347,welding method and welding condition and postweld heat treatment is defined.That field welding heat output control and postweld heat treatment is  the key of welding process is emphasized

Key words  TP347 , Ferritic, Heating export, postweld heat treatment

0前言

润滑油高压加氢装置两座加氢进料加热炉炉管操作压力较高，材质为TP347（0Cr18Ni11Nb），属奥氏体不锈钢，耐热、耐蚀性能较好，焊接性也较好，但控制焊口铁素体含量难度较大，铁素体含量对焊道耐热、耐蚀性能影响较大。因此控制铁素体含量是焊接关键。下面以高压加氢装置炉管焊接为例来介绍TP347钢的焊接工艺。

1.焊接性分析及焊口组对

1.1炉管的化学成分

炉管的化学成分见表1。

表1  TP347的化学成分（%）

母材	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Ti
TP347	≤0.08	≤1.00	≤2.00	≤0.035	≤0.03	9-12	17-19	≥8.00

(1)碳C     碳是影响钢材强度的重要元素,较高的碳含量能提高钢的强度和耐磨性，但钢的耐腐蚀和焊接性能下降,而且与碳化物形成元素（如Mo）结合，在晶界上形成粗大的碳化物。

(2)钛Nb    铌在高温条件下也不被完全氧化,高温条件下可以与硫、氮、碳直接化合，不与无机酸或碱作用，可以有效提高焊接接头的耐腐蚀性能和抗氧化性。

 (3)铬Cr    铬可以提高钢的脆性转变温度，随着铬含量的增加，钢的脆性转变温度也进一步提高，冲击值随铬含量增加而下降。由于不平衡的加热和冷却,晶界可能产生偏析产物,从而增加热裂纹倾向。

(4)锰Mn    锰有脱硫作用，能置换FeS为MnS，同时也能改善硫化物的分布形态，使薄膜状FeS改变球体分布，从而提高焊缝的抗裂性。

(5)硅Si    硅能溶于铁素体,对钢有一定的强化作用。

(6)硫和磷S、P   硫使钢产生热脆,磷使钢产生冷脆。

1.2 坡口制备及组对

炉管坡口采用坡口机加工，坡口型式为YV型坡口，组对间隙为2±1mm（见图1）。

 

图1 炉管坡口组对图

2. 焊接工艺

2.1焊接方法

焊接方法是焊好炉管的关键， 为了防止管道在焊接时存在焊接热裂纹、δ相脆变，铁素体含量高等问题。焊接时采用以下措施：

选用钨极氩弧焊打底，背面充氩保护，手工电弧焊填充及盖面焊。焊后及时进行热处理的焊接工艺。

2.2焊接要点

（1）打底时从两定位焊缝中间起焊，背面通氩保护，采用小摆动操作，确保两侧熔合良好，背面成型高度保证在1-2 mm。

（2）焊接工艺采用小线能量，快速焊，填充及盖面焊道采用多层多道焊，小摆动或不摆动操作，层间清理要彻底，各层道之间接头应相互错开。

（3）焊接过程中应严格控制层间温度不超过100℃。

（4）焊接收弧时要慢，弧坑要填满，防止弧坑裂纹。

（5）手工电弧焊填充及盖面时，应在坡口两侧各不小于100mm范围内的母材上涂以白垩粉，以防止焊接飞溅损伤母材。

2.3钨极氩弧焊焊接工艺

钨极氩弧焊具有热能量集中、能量密度大，热能量容易控制的优点，同时根部焊缝成型较好。因此采用它作为焊接打底。选用H0Cr20Ni10Nb焊丝，它的化学成分见表2。

表2 H0Cr20Ni10Nb的化学成分（%）

（1）氩气作保护气体   氩气是一种惰性气体，它既不与金属起化学反应，也不溶解与金属中，另一特点是导热系数很小，而且是单元子气体，高温时不分解吸热，在氩气中燃烧的电弧热量损失较少。钨极氩弧焊氩气的纯度不应低于99.96%，焊接时氩气的流量为15L/min。

（2）钨极   钨极耐高温，在焊接过程中不易损耗。若焊接电流越过许用电流，就易使钨极端部熔化形成熔球，则位于熔球表面上的电弧斑点易受外界因素干扰而游动，使电弧飘荡，电弧不稳定。钨极磨成尖部直径0.3mm，夹角30~60度的尖状，可保证电弧稳定。

（3）工艺特点    焊接焊丝应采用横向方位上下摆动，焊接参数尽量选用小电流和小电压，以控制热输入。焊接参数见表6。

2.4手工电弧焊工艺

（1）焊条的采用    焊条采用A137，它的化学成分见表3。使用前应检验焊条是否在保质期内，表面药皮是否圆整光滑，无皱皮（因表面涂料压涂时处置不当造成焊条表面起皱现象）、气泡、开裂现象。A137为碱性低氢型焊条，焊前需要烘干，烘干温度250℃，恒温1h。待用温度为100~150℃。

表3  A137的化学成分（%）

（2）工艺特点    为防止热裂纹，严格控制好层间温度，氩弧焊打底后，待焊道冷却后进行电弧焊接，焊接时，焊道分多层多道焊接，焊完一层后间歇几分钟，待焊道冷却后进行下一层焊接，严格的把层间温度控制在100℃以下，确保铁素体含量控制在4～8%范围内。焊接过程中焊条采用微摆动，焊接时采用直流反接，同时要避免焊接缺陷（气孔、夹渣、未焊透等）的形成。焊接参数（见表4）应尽量选用较小电流电压，以控制热输入。

表4 焊接参数

焊接时应严格按焊接工艺及参数进行，严禁在坡口之外的母材表面引弧和试验电流，并应防止电弧擦伤母材。焊缝宽度以每边盖过坡口2mm为宜。焊缝余高：0~2mm。

3. 焊后检验

焊后经外观检查，焊缝表面无气孔、夹渣、未焊透、未熔合、咬边等缺陷。焊后经100%射线检测，全部合格。

4. 焊后热处理

奥氏体不锈钢焊缝金属中铁素体含量关系到抗热裂性，σ相变和热强性能。从抗热裂性出发，要求焊缝金属内含有一定量的铁素体，从σ相变和热强性能考虑，铁素体含量过高容易引475℃高温脆变，铁素体含量愈低愈好。妥善合理解决这一问题是奥氏体耐热钢焊接的核心技术。

通过合适的焊后热处理方法不但可以降低焊道铁素体含量,还能改善焊缝金属及其热影响区的组织，降低接头各区的硬度，提高接头的韧性、变形能力、接头耐腐蚀能力和高温持久强度以及消除焊接应力。

焊后热处理设备：智能型温度程序控制箱WCK-360-1212。

焊后热处理方法：电加热法（绳式加热器）。

焊后热处理工艺参数见下表5：

表5热处理工艺参数表

测温方法：红外线测温仪。

焊后热处理加热范围：以焊缝中心为基准，每侧在焊缝宽度的3倍以上，且不小于25mm（见图2），加热应均匀。

保温宽度：加热宽度及其以外100mm范围内。

 

图2 焊道加热范围

热处理的加热速度、恒温时间及冷却速度应符合下列要求：

加热升温至400℃后，加热速度不应大于5000/δ℃/h计算，且不大于150℃/h；(说明：δ表示炉管壁厚)

在恒温期间各测点的温度均应在热处理温度规定的范围内，且温差不应大于28℃；

恒温结束后管内通风进行急速空冷。

热处理曲线（见图3）：热处理时应用热处理自动记录仪记录热处理曲线。

 

图3 热处理曲线图

5. 结论

热处理后对焊缝、热影响区、母材进行硬度及铁素体含量检测，结果全部合格。装置运行1年多来，未出现任何质量问题，焊接管理及焊接质量均受到业主的高度评价，该装置被中国工程建设焊接协会评为全国优秀焊接工程一等奖。

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参考文献

[1]《焊接手册》         第2卷（第2版）         机械工业出版社

[2]《石油化工厂设备检修手册》  第二分册          中国石化出版社

[3]《机械工程材料》            第二版            机械工业出版社    

[4]《焊接冶金学》              基本原理          机械工业出版社

                                                                                   

王其志,男,生于1970年,高级工程师，从事安装施工及焊接管理工作,联系电话13070398811