20g與ZG15Cr1Mo1V不等壁厚焊接工藝探討

張希剛 吳家雷 姜賢文 張?jiān)?邢文龍

（山東聯(lián)友石化工程有限公司，濟(jì)南 250101）

中石化濟(jì)南分公司制氫裝置過熱蒸汽管線傘齒輪對焊閘閥的一道焊口，在使用過程中發(fā)現(xiàn)有泄漏現(xiàn)象。2017年3月，全廠停工后剝離保溫檢查，發(fā)現(xiàn)焊縫上有多處裂紋，既有橫向裂紋，也有焊縫熔合線上的縱向裂紋，見圖1和圖2。于是，決定利用停工檢修的機(jī)會(huì)更換長約1.5 m，規(guī)格為Φ273 mm、壁厚18 mm、 材質(zhì)為20g的直管段。

過熱蒸汽管線介質(zhì)為3.5 MPa蒸汽，溫度約為435 ℃。 更換的管段共有2道焊口，見圖3。其中：焊口B為新?lián)Q直管與原有15CrMo材質(zhì)的Φ273 mm×18 mm 三通焊接；焊口A為新?lián)Q直管與原有型號Z561Y-160I的傘齒輪對焊閘閥閥體焊接，閥體材質(zhì)為ZG15Cr1Mo1V，坡口附近最厚處50 mm。

在施工過程中，A、B兩焊口點(diǎn)固完成后，安排1名焊工按先B后A的順序依次焊接。依據(jù)焊接工藝評定報(bào)告，并參考現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[1]，擬定的方案為：焊口B為15CrMo和20g的異種鋼焊接，預(yù)熱150 ℃，層間溫度（即道間溫度）保持在150 ℃，手工鎢極氬弧焊+焊條電弧焊，采用TIG-R30焊絲和CHH307R焊條；焊口A為20g和閥體材質(zhì)為ZG15Cr1Mo1V的異種鋼焊接，焊接方案[2]為預(yù)熱200 ℃，層溫保持在200 ℃，采用TIG-R31焊絲和CHH317R焊條，鎢極氬弧焊+焊條電弧焊，焊后立即進(jìn)行250～300 ℃保溫1 h的后熱處理。準(zhǔn)備無損檢測合格后，均進(jìn)行700～720 ℃保溫2 h的消除應(yīng)力處理。焊工先完成的是焊口B的焊接，再進(jìn)行焊口A的焊接。焊口A焊接完成后，馬上布置后熱處理，發(fā)現(xiàn)在靠近閥體一側(cè)融合線上出現(xiàn)貫穿裂紋，見圖4。兩道焊口的后續(xù)工序無法正常進(jìn)行，著手分析焊口A開裂的原因，并整體拆除管段，重新制定焊接工藝后再施焊。

1 焊口開裂原因分析

1.1 材料的焊接性能影響

從焊口A裂紋產(chǎn)生的時(shí)機(jī)和形態(tài)來看，該裂紋是冷裂紋。焊口為20g與ZG15Cr1Mo1V異種鋼焊接，表1為兩種母材主要合金元素成分，表2是使用焊條的熔敷金屬和焊絲主要合金元素成分。

表1 焊口A母材的主要合金元素成分 （單位：%）

表2 焊條熔敷金屬、焊絲的主要合金元素 （單位：%）

一側(cè)母材20g系優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，焊接性能良好；另一側(cè)ZG15Cr1Mo1V屬于珠光體耐熱鋼，焊接存在問題，主要包括焊后容易出現(xiàn)冷裂紋和對再熱裂紋 敏感。

（1）焊后容易出現(xiàn)冷裂紋。依據(jù)碳當(dāng)量的數(shù)值對ZG15Cr1Mo1V進(jìn)行焊接性評估，國際焊接學(xué)會(huì)（International Institute of Welding，IIW）經(jīng)驗(yàn)公式為[3]：

取ZG15Cr1Mo1V合金元素含量的中間值得到CE(IIW)=0.84%，大于0.60%，屬于焊接性較差的材料，需要較高的預(yù)熱、層間溫度和焊后采用保溫緩冷或后熱等工藝措施，以防冷裂紋的產(chǎn)生。

（2）對再熱裂紋敏感。再熱裂紋敏感性系數(shù)Psr是判斷依據(jù)之一，計(jì)算公式為[3]：

取ZG15Cr1Mo1V合金元素含量的中間值計(jì)算，Psr值為4.65，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0，存在明顯的再熱裂紋敏感性傾向。分析導(dǎo)致焊口使用過程發(fā)生泄漏的裂紋（圖1、圖2）形成的原因，再熱裂紋發(fā)展而成的可能性極大。

可以判斷，因?yàn)閆G15Cr1Mo1V焊接性能較差，再加上鑄鋼件相對于熱軋鋼管晶粒比較粗大，是焊口開裂的主要原因。

1.2 工藝因素影響

焊縫兩側(cè)母材厚度差比較大，管子一側(cè)厚度為18 mm，閥體一側(cè)厚度約為50 mm。經(jīng)拆除后檢查，還原的原坡口形式如圖5所示，坡口加工明顯不符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求[1]，造成較大的應(yīng)力集中。

預(yù)熱和層間溫度偏低、措施不規(guī)范，包括兩個(gè)方面。一方面，僅僅依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的一般性規(guī)定，沒有考慮到結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，設(shè)置的預(yù)熱和層間溫度事實(shí)上偏低。另一方面，沒有可靠的加熱和保溫措施，焊接過程中無法保證所設(shè)定的層間溫度。由于場地比較狹窄，一道在5G位置的Φ273 mm的焊口只能安排一名焊工施焊，等焊完焊縫一側(cè)，另一側(cè)的焊道已經(jīng)冷卻到與環(huán)境溫度無異。因此，工藝因素是焊口開裂的重要原因。

1.3 拘束環(huán)境的影響

由于管線比較粗，本身拘束度比較大。經(jīng)查，在管段附近還有固定支架，進(jìn)一步限制了熱伸縮，也是導(dǎo)致焊口開裂的原因之一。

2 焊接工藝措施的改進(jìn)

通過分析焊口開裂的原因，有針對性地改進(jìn)工藝措施。

2.1 適當(dāng)調(diào)整預(yù)熱和層間溫度并確保得到實(shí)施

2.1.1 焊口B的焊接方案不變

焊口A計(jì)劃將預(yù)熱溫度、層間溫度提高至300 ℃。因提高幅度已超過評定合格的焊接工藝50 ℃以上，改變了焊接工藝評定的補(bǔ)加因素，需重新評定。實(shí)際操作是采用同組別號的12Cr1Mo1V材料做補(bǔ)充焊接工藝評定[4]，預(yù)熱溫度、層間溫度設(shè)定為300 ℃，其他工藝參數(shù)按原評定合格的焊接工藝評定報(bào)告不變，焊制焊接工藝評定試件，無損檢測合格后只做常溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)合格，作為調(diào)整焊口A焊接工藝參數(shù)的依據(jù)。

2.1.2 采取措施確保預(yù)熱和層間溫度

利用熱處理機(jī)不間斷加熱坡口附近區(qū)域，將熱量傳導(dǎo)至待焊接坡口。為此專門進(jìn)行遠(yuǎn)紅外加熱帶恒溫溫度梯度的測試，即將遠(yuǎn)紅外加熱帶設(shè)置在鋼管上，利用鋼材的熱傳導(dǎo)性能，測定其相鄰各位置的溫度，具體測定步驟如下。

（1）在室內(nèi)（無風(fēng)狀態(tài)），室溫15 ℃左右，將一根20#管，壁厚與管段管徑Φ273 mm×18 mm接近的管材綁上加熱帶，70 mm硅酸巖棉保溫材料，接好熱處理機(jī)，如圖6所示。

（2）分別在離加熱帶邊緣距離為20 mm、30 mm、 50 mm處測定在保溫與不保溫兩種狀況下的溫度。將加熱溫度設(shè)定在300 ℃恒溫20～30 mim，在無保溫下測定3處溫度，每處測定3個(gè)點(diǎn)；加上保溫，恒溫20～30 mim，去除保溫立即測定3處溫度，每處也測定3個(gè)點(diǎn)；將溫度提高到620 ℃、720 ℃，重復(fù)上述過程。各測點(diǎn)的平均實(shí)測溫度如表3所示。3種恒溫條件下加熱區(qū)邊緣的溫度下降曲線如圖7所示。

表3 不同溫度下距離加熱帶邊緣不同距離的測點(diǎn)平均實(shí)測溫度

測試結(jié)果表明，在此環(huán)境溫度下，加熱恒溫600 ℃ 左右，即可在加熱帶邊緣50 mm處的裸露處確保管壁溫度約為350 ℃，見圖7（a）。有了50 mm的距離，通電的加熱帶不會(huì)對焊接和相關(guān)作業(yè)造成影響。

2.2 焊接

坡口備制方面，在割除原管線后，去除影響焊接質(zhì)量的表面層。經(jīng)測量，閥門供應(yīng)商提供的閥門內(nèi)側(cè)與20g管徑一致，且緩坡加工符合規(guī)范要求，但坡口外側(cè)需要修磨成緩坡過渡形狀[1]，見圖8。閥體側(cè)表面經(jīng)熱切割加工，需要100%滲透檢測。按照NB/T 47013.5—2015標(biāo)準(zhǔn)，Ⅰ級合格。

將焊接現(xiàn)場進(jìn)行圍擋隔離，確保無穿堂風(fēng)，以確保氬氣的保護(hù)效果。

檢查確認(rèn)管段及前后支撐有效，預(yù)熱至300 ℃，待溫度均勻后點(diǎn)固，并在點(diǎn)固完成后松開附近的固定支架以解除環(huán)境的約束，再檢查點(diǎn)固點(diǎn)是否存在裂紋等缺陷，如有予以消除。點(diǎn)固焊采用手工鎢極氬弧焊（GTAW），焊接工藝參數(shù)與正式焊接一致。

為確保能保持層間溫度，參考事先進(jìn)行的溫度梯度測試（見圖7），也為焊工操作留有足夠的空間，將遠(yuǎn)紅外加熱帶置于閥體一側(cè)，選用加熱帶寬度不低于120 mm，溫度恒定在600 ℃不間斷通電，加熱帶邊緣距坡口約50 mm，如圖9所示，保溫材料同樣為70 mm硅酸巖棉。焊接工藝參數(shù)見表4。

表4 焊接工藝參數(shù)

采取的焊接工藝措施。

（1）按圖10的焊接順序，增加退火焊道6，并形成圓滑過渡。

（2）層間溫度保持在30～350 ℃，焊接過程中用手持式激光測溫儀進(jìn)行監(jiān)測，低于300 ℃或高于350 ℃均需適當(dāng)調(diào)整熱處理機(jī)的設(shè)置溫度。

（3）焊后立即進(jìn)行300～350 ℃保溫1 h的后熱處理。

3 檢驗(yàn)檢測與試驗(yàn)、焊后熱處理

3.1 無損檢測項(xiàng)目及檢測檢驗(yàn)時(shí)機(jī)

以發(fā)現(xiàn)冷裂紋為目的對焊口進(jìn)行的100%RT檢測要在后熱處理結(jié)束后24 h以后進(jìn)行。

焊后熱處理后，要檢查是否出現(xiàn)再熱裂紋。要先進(jìn)行100%超聲波檢測，NB/T 47013.3—2015標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級。為防止不等厚對接的焊接接頭不規(guī)則給超聲波檢測造成盲區(qū)，再進(jìn)行100%滲透檢測，NB/T 47013.5— 2015標(biāo)準(zhǔn)也為Ⅰ級。

對焊縫及兩側(cè)熔合線進(jìn)行硬度檢測，其中靠近閥體側(cè)平均硬度不高于235 HB，另一側(cè)平均硬度不高于200 HB。

上述檢測檢驗(yàn)結(jié)果均合格。最后，要恢復(fù)松開的管線固定支架，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求隨系統(tǒng)進(jìn)行壓力試驗(yàn)。焊后焊口的情況見圖11。

3.2 焊后熱處理規(guī)范的調(diào)整

依據(jù)20g的厚度[5]，保溫時(shí)間應(yīng)為2 h。按ZG15Cr1Mo1V兼顧20g鐵碳平衡圖的Ac1線溫度[6]，保溫溫度可以不高于720 ℃，但需要適當(dāng)延長保溫時(shí)間。焊后熱處理參數(shù)最終確定為700～720 ℃保溫3 h。

4 結(jié)語

該管段從2017年4月投入使用以來一直正常運(yùn)行，至2021年3月再次停工檢修時(shí)對焊口進(jìn)行檢測未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，符合繼續(xù)使用的要求。實(shí)踐證明，對于焊接及熱處理工藝的制定，滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)只是基本要求，不可機(jī)械照搬，應(yīng)該根據(jù)具體的焊接環(huán)境和工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。