316Lmod管道焊接技術(shù)與質(zhì)量控制

韓海英，徐立泉，董海洋

（中國石油天然氣第七建設(shè)公司，山東膠州266300）

316Lmod管道焊接技術(shù)與質(zhì)量控制

韓海英，徐立泉，董海洋

（中國石油天然氣第七建設(shè)公司，山東膠州266300）

尿素生產(chǎn)產(chǎn)生的液氨、甲銨溶液等均為腐蝕性介質(zhì)，對不銹鋼具有很強(qiáng)的晶間腐蝕性。塔里木大化肥項目80萬t/a尿素聯(lián)合裝置中用于甲銨液等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的管道材料為ASME.B36.19M A312 TP316L+G510（316Lmod）尿素級不銹鋼，該材料抗晶間腐蝕能力強(qiáng)。文章介紹了316Lmod管道的焊接特點、焊接質(zhì)量控制的關(guān)鍵內(nèi)容、焊接技術(shù)措施、焊接工藝評定、焊接檢驗等方面的具體做法和相關(guān)事項。該工程中的316Lmod管道焊接后，經(jīng)RT檢驗和液體滲透檢驗，焊接一次合格率達(dá)到100%，鐵素體檢測全部符合要求，且未發(fā)現(xiàn)一處焊接熱裂紋等質(zhì)量問題，為今后類似工程施工提供了借鑒。

尿素聯(lián)合裝置；316Lmod管道；焊接

塔里木大化肥項目80萬t/a尿素聯(lián)合裝置由五環(huán)科技股份有限公司設(shè)計，由中國石油天然氣第七建設(shè)公司承建，裝置中用于甲銨液等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的管道材料為ASME.B36.19M A312 TP316L+G510（316Lmod）尿素級不銹鋼（以下簡稱316Lmod管道），對應(yīng)的焊接材料全部在國外配套采購，其焊接技術(shù)和質(zhì)量控制與常規(guī)不銹鋼管道有很大差異，為此予以簡要介紹。

1 材料的化學(xué)成分及性能特點

1.1 材料的化學(xué)成分

按設(shè)計要求，316Lmod管道及焊接材料的化學(xué)成分應(yīng)限定在表1所列的數(shù)值內(nèi)（重量百分比）。奧氏體形成元素（Ni、C、N、Mn）和鐵素體形成元素（Cr、Mo、Si）的平衡應(yīng)使得在最終熱處理和焊接后能獲得全奧氏體組織（最大鐵素體含量為0.6%）。

表1 316Lmod管道材料及焊接材料的化學(xué)成分/%

1.2 材料的機(jī)械性能

316Lmod管道常溫下抗拉強(qiáng)度≥530 MPa，屈服強(qiáng)度（0.2%）≥255 MPa；50～400℃抗拉強(qiáng)度530～420MPa，屈服強(qiáng)度（0.2%）為240～145MPa。

1.3 材料的抗腐蝕特點

尿素生產(chǎn)產(chǎn)生的液氨、尿液溶液、甲銨溶液等均為腐蝕性介質(zhì)，其中腐蝕性最強(qiáng)的介質(zhì)是高溫高壓下的甲銨溶液，對不銹鋼具有很強(qiáng)的晶間腐蝕性。而316Lmod管道材料的含碳量（≤0.030%）低于平衡狀態(tài)下在奧氏體內(nèi)的飽和溶解度，因而從根本上解決了晶界上析出富Cr的Cr23C6而形成原電池腐蝕的問題[1]。

2 焊接特點

（1） 316Lmod管道熱導(dǎo)率小而線膨脹系數(shù)大，自由狀態(tài)下焊接時易產(chǎn)生較大的焊接變形。

（2） 焊接時，為避免晶界貧Cr現(xiàn)象發(fā)生[2]，降低鋼材的抗蝕性，焊接時通常不用預(yù)熱，并將層間溫度控制在60℃以下，盡可能加快焊接接頭的冷卻速度。

（3） 焊條中的Ti、Nb、Cr、Al等合金元素對氧有很大的親和力，為防止焊接過程中合金元素的燒損，應(yīng)盡量采用短弧焊接、小幅度擺動或直線運(yùn)條。

（4） 316Lmod管道焊縫中柱狀晶體的方向性很強(qiáng)，易形成低熔點共晶體的偏析。另外，由于其線膨脹系數(shù)大，使焊縫產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力，在拉應(yīng)力和低熔點共晶體的共同作用下，焊縫易產(chǎn)生熱裂紋，特別是弧坑裂紋。

3 焊接質(zhì)量控制的關(guān)鍵內(nèi)容

在316Lmod管道焊接時有兩個關(guān)鍵質(zhì)量控制內(nèi)容，即鐵素體含量、焊接熱裂紋。

3.1 鐵素體含量的控制

316Lmod管道是全（單相的）奧氏體組織。由于鐵素體在尿素介質(zhì)中容易產(chǎn)生相的選擇性腐蝕，要求316Lmod管道（包括焊接熔敷金屬）鐵素體含量不超過0.6%。應(yīng)采用經(jīng)校正、鑒定的鐵素體儀測定鐵素體的含量。

3.2 焊接熱裂紋的控制

316Lmod管道為全奧氏體不銹鋼，在焊接時容易產(chǎn)生熱裂紋，這種裂紋屬于凝固裂紋（結(jié)晶裂紋），發(fā)生在高溫狀態(tài)，常溫下不再擴(kuò)展，裂紋均沿一次結(jié)晶的晶界產(chǎn)生。熱裂紋產(chǎn)生的原因是奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小膨脹系數(shù)大，延長了焊縫金屬在高溫區(qū)的停留時間，增加了焊縫在高溫時經(jīng)受的拉伸應(yīng)變。另外，全奧氏體焊縫的晶間往往存在低熔點的夾雜物，在凝固結(jié)晶后期以液態(tài)膜的形式存在于奧氏體晶粒之間[3]，在一定的拉應(yīng)力下開裂并擴(kuò)展形成晶間裂紋，能形成低熔點夾雜物的元素有Si、B、Ni、S、P等。防止全奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋產(chǎn)生可以采用許多措施，本工程主要采用提高焊接熔池冷卻速度的方法，如短孤焊、低線能量、窄焊道技術(shù)等，以加快熔池冷卻。

4 焊接技術(shù)措施

4.1 焊接方法

本裝置316Lmod管道規(guī)格為D21.3mm×3.73mm～D 323.9 mm×33.32 mm，其中，壁厚≤8 mm時采用全氬弧焊（GTAW）焊接；壁厚＞8 mm時采用氬弧焊與手工電弧焊相結(jié)合（GTAW+SMAW）的焊接方法，氬弧焊打底焊接兩層，其余各層采用手工電弧焊，只能采用窄的堆焊焊縫。

4.2 坡口加工

316Lmod管道采用無齒鋸、等離子或機(jī)械方法切割，等離子切割在本裝置僅用在DN150～300 mm的316Lmod管道，且切割時管內(nèi)加墊板保護(hù)，預(yù)防氧化物與管內(nèi)壁熔粘。在加工坡口時，考慮到316Lmod管道導(dǎo)熱系數(shù)小、線膨脹系數(shù)大等特性，為了減少焊接變形，坡口角度相應(yīng)減小，控制在55°范圍內(nèi)，采用坡口機(jī)或機(jī)加工。坡口表面應(yīng)平整光滑，不得有裂紋、毛刺、分層等缺陷，應(yīng)將管內(nèi)雜物等清除干凈。316Lmod管道坡口型式主要有2種：壁厚＜15 mm時采用單V型坡口，見圖1(a)；壁厚≥15 mm時采用雙V型坡口，見圖1（b）。

圖1 坡口型式

坡口邊緣焊接區(qū)和離邊緣約10 mm的相鄰區(qū)域，焊接之前應(yīng)該用丙酮或酒精清洗干凈。

加工坡口時，要求邊加工邊澆水，水中氯離子含量不得超過25 mg/L；修磨坡口時，應(yīng)平緩地打磨母材，以防其變成藍(lán)色。

4.3 焊接工藝評定參數(shù)

4.3.1焊絲

選用AWS SFA-5.9 R25-22-2LMn-1.6-1000 Φ1.6 mm焊絲，直流正接，焊接電流60～90 A，電弧電壓12～16 V，焊接速度4～8 cm/min，線能量7.2～16.4 kJ/cm，焊接層數(shù)1～2。

4.3.2焊條

選用AWS A5.4 E25-22-2LMnB-2.50-350 Φ 4.0 mm焊條，直流反接，焊接電流90～130 A，電弧電壓23～27 V，焊接速度6～12 cm/min，線能量16.0～28.8 kJ/cm，焊接層數(shù)3～8。

4.4 焊接工藝控制

（1） 采用窄焊縫，多道多層焊，每一道焊縫或每一層焊縫焊后，均要等焊接處冷卻到低于60℃時，再進(jìn)行下一道或下一層焊縫焊接。

（2） 在施焊過程中，不允許依靠焊接材料在熔池中的擺動來增高熔池的溫度和冷卻時間。

（3） 在材質(zhì)分界線處，316Lmod管道的焊縫在有條件的情況下一定要最后施焊，以減少焊縫的受熱次數(shù)。

（4） 為了加快焊縫冷卻速度，每焊完一層焊縫后可以澆水，水中氯離子含量不得超過25 mg/L，加速冷卻不會產(chǎn)生裂紋；也可以邊焊邊澆水，焊一段澆一段水，但必須注意焊接熔池及其附近區(qū)域不允許有水。

（5） 在焊接過程中，為了防止受不潔物的污染，焊接施工人員用的手套及衣服應(yīng)保持清潔。

4.5 準(zhǔn)確判斷充氬保護(hù)效果

316Lmod管道焊絲打底焊時必須充氬保護(hù)。進(jìn)行氬弧焊時，在管內(nèi)用氬氣連續(xù)進(jìn)行保護(hù)，直至完成兩層焊道；焊接區(qū)的充氬保護(hù)效果可以從焊接接頭的顏色進(jìn)行判斷，銀白色為最好[4]。

5 316Lmod管道的焊接檢驗

316Lmod管道，當(dāng)管徑≤40mm、壁厚≤5mm時，最終焊接后作外觀檢驗、鐵素體含量檢驗、液體滲透檢驗；當(dāng)管徑＞40 mm、壁厚＞5 mm時，打底焊和第一層填充焊后進(jìn)行外觀檢驗、鐵素體含量檢驗、滲透檢驗，如無缺陷，應(yīng)用丙酮清洗坡口表面，清洗后進(jìn)行第二層的焊接。第二層焊接后進(jìn)行滲透檢驗，如無缺陷，進(jìn)行100%射線探傷。最終焊接后進(jìn)行外觀檢驗、滲透檢驗和100%射線檢驗。

滲透檢驗采用溶劑去除型著色滲透法，并用溶劑懸浮顯示劑。工件的表面溫度在15～50℃，滲透時間最少為15 min。

鐵素體的含量使用探頭式鐵素體測量儀檢測（德國FERITSCOPE鐵素體含量測定儀MP30型），最大鐵素體含量要求低于0.6%。檢驗前，要用丙酮清洗校驗試件、檢驗探頭及焊縫，使其無銹浮物、油脂等雜質(zhì)，確保檢驗精度。檢驗過程中，要常清洗探頭，確保不受污染，保證檢測值的準(zhǔn)確性。當(dāng)檢測點鐵素體含量超標(biāo)時，可用專用砂輪片進(jìn)行打磨處理，用丙酮清洗打磨處，再進(jìn)行測試。仍不合格，應(yīng)核對母材、焊材鐵素體檢測報告及焊材使用正確性，并對組對施焊過程進(jìn)行分析，制訂糾正措施，進(jìn)行修復(fù)，確保鐵素體含量在要求范圍內(nèi)。實際檢測數(shù)據(jù)全部≤0.1%，檢驗合格。

休氏試驗檢驗為焊接評定試件的實驗室檢驗。休氏試驗檢驗必須按CWCEC工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)8-A10S-95進(jìn)行，試板的位置、尺寸和休氏試驗試樣的尺寸應(yīng)符合CWCEC工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)8-A9S-95的規(guī)定。根據(jù)要求將焊接工藝評定試件送實驗室，由實驗室人員經(jīng)5個沸騰周期試驗（每個周期為48h），每個周期腐蝕的平均值均以不超過3.3 μm為合格，平均腐蝕值大于3.3 μm的材料應(yīng)報廢。實際檢測4個周期平均重量損失1.1 μm，比設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低，檢驗合格。

6 結(jié)束語

本工程中316Lmod管道嚴(yán)格按照以上技術(shù)措施和關(guān)鍵質(zhì)量控制內(nèi)容焊接，經(jīng)RT檢驗和液體滲透檢驗，焊接一次合格率達(dá)到了100%，經(jīng)鐵素體檢測全部符合要求，且未發(fā)現(xiàn)一處焊接熱裂紋等質(zhì)量問題，為今后類似工程施工提供了借鑒。

[1] 徐越蘭，龐懷信.焊工簡明實用手冊[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2008.

[2] 張其樞，堵耀庭.不銹鋼焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[3] 顧鈺熹.特種工程材料焊接[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1998.

[4] 岡毅民.中國不銹鋼腐蝕手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1992.

Abstract:Liquid ammonia,ammonium carbamate solution,etc.coming from urea production are kinds of corrosive media which have strong intercrystalline corrosion effect on stainless steel.The pipe material against strong corrosion such as ammonium carbamate solution in the 80×104t/a urea combined unit of Talimu Chemical Fertilizer Project is ASME.B36.19M A312 TP316L+G510（316Lmod）stainless steel which possessing a strong intercrystalline corrosion resistance.The weldability of 316Lmod pipeline and key issues of weld ing quality control,welding technical measures,welding process assessment and welding inspection are described.The primary qualified rate of the pipeline welding in the project reaches 100%by PT and liquid penetration inspections,all inspections on ferrate meet relevant requirement,and no welding heat crack is found.

Key words:urea combined unit;316Lmod pipeline;welding

（56）Welding Technique and Quality Control of 316Lmod Pipeline

HAN Hai-ying（China Petroleum Seventh Construction Co.,Jiaozhou 266300，China），XU Li-quan，DONG Hai-yang

TE973.3

B

1001－2206（2010）05－0056－03

韓海英（1965-），男，山東曹縣人，工程師，1995年畢業(yè)于河北廊坊管道局職工學(xué)院油氣儲運(yùn)專業(yè)，2008年畢業(yè)于西南科技大學(xué)工商管理專業(yè)，主要從事石油化工裝置工程中建筑結(jié)構(gòu)工程、壓力容器、壓力管道等的安裝技術(shù)、質(zhì)量管理等工作。

2009-10-10