低溫工況不銹鋼管道焊接實踐1

低溫工況不銹鋼管道焊接實踐

中原石油勘探局工程建設總公司二00一年十一月2/6/20231第一頁目錄一、前言二、主要焊接工作量及工作難點三、0Cr18Ni9不銹鋼的基本焊接特性及焊接要求四、焊接工藝方案及其確定理由五、施工難題的解決六、焊接工藝參數(shù)七、值得注意的問題八、總結2/6/20232第一頁

-40℃以下工藝配管的管材、法蘭、管件，均采用國產(chǎn)0Cr18Ni9不銹鋼材料。0Cr18Ni9的焊接，在理論上已經(jīng)相當成熟，但在可燃、易爆介質，低溫工況條件下的具體施工中，尚有許多問題值得探討及研究。一、前言LNG工程：天然氣凈化液化處理工程建設單位：中原石油勘探局工程建設總公司初步設計：法國SOFREGAZ公司最終設計：洛陽石油化工工程公司生產(chǎn)產(chǎn)品：液態(tài)甲烷最低設計溫度：-162℃生產(chǎn)規(guī)模：15×104Nm3/d，國內(nèi)最大2/6/20233第一頁二、主要焊接工作量及工程難點不銹鋼焊口共5672道，規(guī)格如下：公稱直徑DN15-150，壁厚δ=3.5-5；另有φ356×6放空線長500余米。

1、主要工程量低溫工況，管道不允許進水，死口焊接時通常采用的水溶紙氬氣內(nèi)保護技術被否定，是施工中的最大難題.2、工程難點-162℃低溫介質，易燃、易爆，系統(tǒng)安全性要求更高，焊道及HAZ必須具有較高的低溫沖擊韌性。2/6/20234第一頁三、0Cr18Ni9的焊接特性及焊接要求

組織為奧氏體（A）加3-5%鐵素體（F）。在焊接熱的作用下，焊縫及HAZ主要顯示出以下特性：

特性說明采用小的E輸入，減小HAZ范圍，加快焊縫及HAZ的冷卻速度對不銹鋼的焊接是有益的。450-850℃發(fā)生敏化腐蝕650-700℃發(fā)生σ相脆化。σ相析出，降低金屬的塑性和韌性，促進晶間腐蝕發(fā)生。導熱系數(shù)小，存在過熱區(qū)，易造成HAZ的晶粒長大。焊縫高溫停留時間長，枝晶傾向加劇導熱系數(shù)小且線膨脹系數(shù)大，自由焊態(tài)下焊接變形較大。2/6/20235第一頁四、焊接工藝方案及其

確定理由焊接工藝方案

焊接方法焊接材料冷卻方法確定理由

焊接方法的確定及理由焊接材料化學成份的確定

冷卻方法確定2/6/20236第一頁焊接方法δ=3.5－5DN15-150TIGφ356×6TIG+SMAW焊接材料H00Cr21Ni10除死口外的焊口氬弧焊TGF-308L打底焊接及DN350管線打底焊A137焊條）用于DN350管線填充、蓋面冷卻方法水淬處理每焊接1/4焊口進行一次，層間溫度≤60℃焊接工藝方案

表：2/6/20237第一頁焊道內(nèi)表面光潔平整、易于操作電弧集中、熱影響區(qū)窄、填充焊道厚度小。低溫沖擊值高，幾乎是手工電弧焊的2倍確定的理由1、焊接方法的確定理由選用氬弧焊的原因：2/6/20238第一頁

出于安全考慮，最終確定所有管線均采用氬弧焊打底，φ356×6是放空線，壓力接近常壓，采用氬弧焊打底，手工電弧焊蓋面工藝。焊接方法組號焊材-196℃沖擊功（J）5×10×55V型焊縫區(qū)熱影響區(qū)平均值1WSH00Cr21Ni1083626475717471.52WSH00Cr21Ni1061.5766574806069.43WSH00Cr21Ni10/A1376520378331.54747.34WS/DH00Cr21Ni10/A1375743.522.527.534.532.536.3低溫沖擊實驗對比表

(均采用最小焊接電流施焊)：注：標準規(guī)定低溫沖擊合格平均值16J(依據(jù)HG20585-1998)2/6/20239第一頁隨著碳含量的降低，鋼材的低溫沖擊韌性是增強的，因此選用超低碳焊絲。

控制F相的含量≤5%，減弱F相過多對低溫韌性的影響，盡量保證焊縫組織與母材組織一致。

確定的理由2、焊接材料成份的確定理由選用H00Cr21Ni10、TGF-308L主要基于以下幾點考慮：2/6/202310第一頁化學成份如下表所示（均為實際使用材料成份）：成分材料CMnSiSPNiCrH00Cr21Ni100.0151.500.500.0120.029.8021.00TGF-308L0.0201.410.560.0010.02310.0620.370Cr18Ni90.050.700.370.0310.0318.9318.48舍夫勒相圖中材料的Cr、Ni當量計算：Creq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb(%)

Nieq=Ni+30C+30N+0.5Mn(%)

H00Cr21Ni10Creq=21+0.5×1.5=21.75Nieq=9.80+30×0.015+0.5×1.50=11TGF-308LCreq=20.37+1.5×0.56=21.21Nieq=10.06+30×0.020+0.5×1.41=11.360Cr18Ni9Creq=18.48+1.5×0.37=19.04Nieq=8.93+30×0.05+0.5×0.70=10.782/6/202311第一頁

Creq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb(%)

Nieq=Ni+30C+30N+0.5Mn(%)

舍夫勒相圖(因不含N含夫勒相圖也比較準確)

abcNieq302520151050510152025303540CreqA0%F5%10%20%40%80%100%FF+MMM+FA+MA+F

相圖中0Cr18Ni9對應的是a點，TGF-308L對應的是b點，H00Cr21Ni10對應的是c點。其中b、c兩點基本重合，且三點均處于5%F線附近。

2/6/202312第一頁主要依據(jù)現(xiàn)行標準及我們多年

3、層間溫度的確定實踐經(jīng)驗2/6/202313第一頁五、施工難題的解決

（一）低溫管道氬弧焊打底內(nèi)表面氧化問題的解決（二）冷卻速度控制2/6/202314第一頁（一）低溫管道氬弧焊打底內(nèi)

表面氧化問題的解決1、不銹鋼氬弧焊打底內(nèi)表面氧化問題的解決方法，目前普遍采用的是如下幾種：（1）直接封堵法（2）自制膠皮胎具（3）自制氣囊胎具（4）水溶紙法2、四種方法的局限性3、解決對策2/6/202315第一頁直接封堵法焊接前用膠帶密封對口間隙，只留下一次焊接的長度，焊接時邊焊邊撕，適用于小口徑管道焊接。

封堵物焊縫氬氣管2/6/202316第一頁自制膠皮胎具適用于直管段預制，超過Φ100mm的各種直徑焊口。用膠帶密封對口間隙，施焊時邊焊邊撕。氬氣管膠皮鋼板螺栓焊縫出氣孔2/6/202317第一頁自制氣囊胎具

適用于復雜彎管預制。8#鐵絲橡膠氣囊氣囊注氣管不銹鋼管氬氣管氣囊連通管2/6/202318第一頁

水溶紙法

該方法氬氣由對口間隙處吹入，對口間隙用膠帶密封，只留下焊接部位，邊焊邊撕，管內(nèi)沒有殘留物，適用于各種焊口焊接。

焊縫鋼管氬氣管水溶紙2/6/202319第一頁水溶紙法：需要水沖洗，才能除掉水溶紙。但低溫管道施焊后不允許水進入管道系統(tǒng)。前三種方法：堵塞物或胎具無法取出焊接死口時：四種方法的局限性死口焊接情況2/6/202320第一頁解決對策

引進日本TGF—308L藥皮自保護焊絲焊絲外部涂有一層約0.5mm厚的藥皮，焊接時藥皮溶為熔渣，一部分流到打底焊道背部，起到自保護作用。打底焊道成形光滑平整當打底焊道出現(xiàn)缺陷返修時，很容易實現(xiàn)氬弧焊打底受風的影響小，焊工操作容易，很少出現(xiàn)夾渣現(xiàn)象是不銹鋼現(xiàn)場焊接非常有前景的施工方法，也是低溫管道氬弧焊接必不可少的方法。2/6/202321第一頁低溫實驗沖擊功（HG20585-1998規(guī)定合格值8J）焊材母材實驗溫度低溫沖擊值2.5×10×55V型TGF-308LOCr18Ni9-196℃焊縫HAZ區(qū)212424254468焊口背部涂CJ101焊劑方法進行了實驗，渣流動性差，焊道成形困難，且用水玻璃調和的焊劑施焊后沒辦法清除干凈，因此被否定。對涂CJ101方法進行實驗TGF-308L現(xiàn)場焊接2/6/202322第一頁（二）冷卻速度控制

DN150以下管道每焊1/4焊口進行一次水淬處理，DN150以上焊口，約焊100mm進行一次水淬處理，水質采用脫鹽、脫氯水。主要理由如下：冷卻速度快，高溫停留時間短、晶粒細密，低溫沖擊值高。便于操作控制，防止焊道過燒，效率高關于應力問題尚有待進一步研究.2/6/202323第一頁

壁厚焊道層數(shù)焊材名稱焊材規(guī)格電流性質電流電壓氬氣流量噴嘴直徑鎢極打底3.5-41H00Cr21Ni10Ф2.0直、正60-6512-148-128鈰鎢Ф2.4TGF-308LФ2.0直、正65-7012-14

8鈰鎢Ф2.44-.5-51H00Cr21Ni10Ф2.0直、正65-7012-148-128鈰鎢Ф2.4TGF-308LФ2.0直、正70-7512-14

8鈰鎢Ф2.461TGF-308LФ2.0直、正90-9512-14

8鈰鎢Ф2.4填充3.5-41H00Cr21Ni10Ф2.0直、正60-6512-148-128鈰鎢Ф2.44-.5-52H00Cr21Ni10Ф2.0直、正65-7012-148-128鈰鎢Ф2.462A137Ф2.5直、反50-6023-25

蓋面3.5-41H00Cr21Ni10Ф2.0直、正60-6512-148-128鈰鎢Ф2.44.5-51H00Cr21Ni10Ф2.0直、正65-7012-148-128鈰鎢Ф2.461A137Ф2.5直、反50-6023-25

焊接工藝參數(shù)(見下表）2/6/202324第一頁

由以上表可看出，盡管美國ASME標準規(guī)定304材質-196℃以上溫度使用時，可不進行低溫沖擊實驗，但根據(jù)我國國情，不進行檢驗顯然是不現(xiàn)實的。七、值得注意的問題1、應重視國產(chǎn)不銹鋼材料的檢驗不和格法蘭數(shù)不和格原因處理辦法256成分合格，低溫沖擊實驗不合格固溶處理132低溫沖擊實驗合格，成分合格退貨2/6/202325第一頁2、材料尺寸的控制由于制造標準與施工標準的差異，管子與管件內(nèi)徑不一致，造成現(xiàn)場組對、焊接的困難，因此訂貨時應預見到并重視這一點。不銹鋼的切割與坡口打磨，應注意選用專用砂輪片，可選用國