TP347鋼爐管的焊接技術
王其志，婁鯤鵬，方明波，李瑞
（中國石油天然氣第一建設公司）
摘 要：對TP347材質焊接性進行分析，確定了焊接海王星方法，確定了焊接工藝參數及焊后熱處理工藝。指出現場焊接時控制熱輸出及焊后熱處理是控制鐵素體含量的關鍵。
關鍵詞：TP347 鐵素體 熱輸出 焊后熱處理
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
潤滑油高壓加氫裝置兩座加氫進料加熱爐爐管操作壓力較高，材質為TP347（0Cr18Ni11Nb），屬奧氏體不銹鋼，耐熱、耐蝕性能較好，焊接性也較好，但控制焊口鐵素體含量難度較大，鐵素體含量對焊道耐熱、耐蝕性能影響較大。因此控制鐵素體含量是焊接關鍵。下面以高壓加氫裝置爐管焊接為例來介紹TP347鋼的焊接工藝。
1.焊接性分析及焊口組對
1.1爐管的化學成分
爐管的化學成分見表1。
表1 TP347的化學成分（%）
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母材
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C
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Si
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Mn
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P
|
S
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Ni
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Cr
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Ti
|
|
TP347
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≤0.08
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≤1.00
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≤2.00
|
≤0.035
|
≤0.03
|
9-12
|
17-19
|
≥8.00
|
(1)碳C 碳是影響鋼材強度的重要元素,較高的碳含量能提高鋼的強度和耐磨性，但鋼的耐腐蝕和焊接性能下降,而且與碳化物形成元素（如Mo）結合，在晶界上形成粗大的碳化物。
(2)鈦Nb 鈮在高溫條件下也不被完全氧化,高溫條件下可以與硫、氮、碳直接化合，不與無機酸或堿作用，可以有效提高焊接接頭的耐腐蝕性能和抗氧化性。
(3)鉻Cr 鉻可以提高鋼的脆性轉變溫度，隨著鉻含量的增加，鋼的脆性轉變溫度也進一步提高，沖擊值隨鉻含量增加而下降。由于不平衡的加熱和冷卻,晶界可能產生偏析產物,從而增加熱裂紋傾向。
(4)錳Mn 錳有脫硫作用，能置換FeS為MnS，同時也能改善硫化物的分布形態，使薄膜狀FeS改變球體分布，從而提高焊縫的抗裂性。
(5)硅Si 硅能溶于鐵素體,對鋼有一定的強化作用。
(6)硫和磷S、P 硫使鋼產生熱脆,磷使鋼產生冷脆。
1.2 坡口制備及組對
爐管坡口采用坡口機加工，坡口型式為YV型坡口，組對間隙為2±1mm（見圖1）。
圖1 爐管坡口組對圖
2. 焊接工藝
2.1焊接方法
焊接方法是焊好爐管的關鍵， 為了防止管道在焊接時存在焊接熱裂紋、δ相脆變，鐵素體含量高等問題。焊接時采用以下措施：
選用鎢極氬弧焊打底，背面充氬保護，手工電弧焊填充及蓋面焊。焊后及時進行熱處理的焊接工藝。
2.2焊接要點
（1）打底時從兩定位焊縫中間起焊，背面通氬保護，采用小擺動操作，確保兩側熔合良好，背面成型高度保證在1-2 mm。
（2）焊接工藝采用小線能量，快速焊，填充及蓋面焊道采用多層多道焊，小擺動或不擺動操作，層間清理要徹底，各層道之間接頭應相互錯開。
（3）焊接過程中應嚴格控制層間溫度不超過100℃。
（4）焊接收弧時要慢，弧坑要填滿，防止弧坑裂紋。
（5）手工電弧焊填充及蓋面時，應在坡口兩側各不小于100mm范圍內的母材上涂以白堊粉，以防止焊接飛濺損傷母材。
2.3鎢極氬弧焊焊接工藝
鎢極氬弧焊具有熱能量集中、能量密度大，熱能量容易控制的優點，同時根部焊縫成型較好。因此采用它作為焊接打底。選用H0Cr20Ni10Nb焊絲，它的化學成分見表2。
表2 H0Cr20Ni10Nb的化學成分（%）
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焊 絲
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C
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Si
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Mn
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P
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S
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Ni
|
Cr
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Mo
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Cu
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H0Cr20Ni10Nb
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0.08
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0.06
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2.4
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0.30
|
0.02
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11
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21.5
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0.16
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0.18
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（1）氬氣作保護氣體 氬氣是一種惰性氣體，它既不與金屬起化學反應，也不溶解與金屬中，另一特點是導熱系數很小，而且是單元子氣體，高溫時不分解吸熱，在氬氣中燃燒的電弧熱量損失較少。鎢極氬弧焊氬氣的純度不應低于99.96%，焊接時氬氣的流量為15L/min。
（2）鎢極 鎢極耐高溫，在焊接過程中不易損耗。若焊接電流越過許用電流，就易使鎢極端部熔化形成熔球，則位于熔球表面上的電弧斑點易受外界因素干擾而游動，使電弧飄蕩，電弧不穩定。鎢極磨成尖部直徑0.3mm，夾角30~60度的尖狀，可保證電弧穩定。
（3）工藝特點 焊接焊絲應采用橫向方位上下擺動，焊接參數盡量選用小電流和小電壓，以控制熱輸入。焊接參數見表6。
2.4手工電弧焊工藝
（1）焊條的采用 焊條采用A137，它的化學成分見表3。使用前應檢驗焊條是否在保質期內，表面藥皮是否圓整光滑，無皺皮（因表面涂料壓涂時處置不當造成焊條表面起皺現象）、氣泡、開裂現象。A137為堿性低氫型焊條，焊前需要烘干，烘干溫度250℃，恒溫1h。待用溫度為100~150℃。
表3 A137的化學成分（%）
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焊 條
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C
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Si
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Mn
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P
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S
|
Ni
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Cr
|
Mo
|
Nb
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A137
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0.08
|
0.90
|
2.0
|
0.035
|
0.03
|
10
|
20.5
|
0.75
|
1
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（2）工藝特點 為防止熱裂紋，嚴格控制好層間溫度，氬弧焊打底后，待焊道冷卻后進行電弧焊接，焊接時，焊道分多層多道焊接，焊完一層后間歇幾分鐘，待焊道冷卻后進行下一層焊接，嚴格的把層間溫度控制在100℃以下，確保鐵素體含量控制在4～8%范圍內。焊接過程中焊條采用微擺動，焊接時采用直流反接，同時要避免焊接缺陷（氣孔、夾渣、未焊透等）的形成。焊接參數（見表4）應盡量選用較小電流電壓，以控制熱輸入。
表4 焊接參數
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焊接方法
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焊材牌號
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規格（mm）
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電流（A）
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電壓（V）
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氬氣流量（L/min）
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電特性
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GTAW
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H0Cr20Ni10Nb
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φ2.5
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80-90
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18-19
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15
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直流正接
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SMAW
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A137
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φ3.2
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90-100
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31-33
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直流反接
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焊接時應嚴格按焊接工藝及參數進行，嚴禁在坡口之外的母材表面引弧和試驗電流，并應防止電弧擦傷母材。焊縫寬度以每邊蓋過坡口2mm為宜。焊縫余高：0~2mm。
3. 焊后檢驗
焊后經外觀檢查，焊縫表面無氣孔、夾渣、未焊透、未熔合、咬邊等缺陷。焊后經100%射線檢測，全部合格。
4. 焊后熱處理
奧氏體不銹鋼焊縫金屬中鐵素體含量關系到抗熱裂性，σ相變和熱強性能。從抗熱裂性出發，要求焊縫金屬內含有一定量的鐵素體，從σ相變和熱強性能考慮，鐵素體含量過高容易引475℃高溫脆變，鐵素體含量愈低愈好。妥善合理解決這一問題是奧氏體耐熱鋼焊接的核心技術。
通過合適的焊后熱處理方法不但可以降低焊道鐵素體含量,還能改善焊縫金屬及其熱影響區的組織，降低接頭各區的硬度，提高接頭的韌性、變形能力、接頭耐腐蝕能力和高溫持久強度以及消除焊接應力。
焊后熱處理設備：智能型溫度程序控制箱WCK-360-1212。
焊后熱處理方法：電加熱法（繩式加熱器）。
焊后熱處理工藝參數見下表5：
表5熱處理工藝參數表
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母 材
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規 格
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熱處理溫度
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加熱速度
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恒溫時間
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冷卻速度
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TP347
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φ168.3×18.26
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886~914℃
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＜150℃/h
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4h
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急速空冷
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測溫方法：紅外線測溫儀。
焊后熱處理加熱范圍：以焊縫中心為基準，每側在焊縫寬度的3倍以上，且不小于25mm（見圖2），加熱應均勻。
保溫寬度：加熱寬度及其以外100mm范圍內。
圖2 焊道加熱范圍
熱處理的加熱速度、恒溫時間及冷卻速度應符合下列要求：
加熱升溫至400℃后，加熱速度不應大于5000/δ℃/h計算，且不大于150℃/h；(說明：δ表示爐管壁厚)
在恒溫期間各測點的溫度均應在熱處理溫度規定的范圍內，且溫差不應大于28℃；
恒溫結束后管內通風進行急速空冷。
熱處理曲線（見圖3）：熱處理時應用熱處理自動記錄儀記錄熱處理曲線。
圖3 熱處理曲線圖
5. 結論
熱處理后對焊縫、熱影響區、母材進行硬度及鐵素體含量檢測，結果全部合格。裝置運行1年多來，未出現任何質量問題，焊接管理及焊接質量均受到業主的高度評價，該裝置被中國工程建設焊接協會評為全國優秀焊接工程一等獎。
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參考文獻
[1]《焊接手冊》 第2卷（第2版） 機械工業出版社
[2]《石油化工廠設備檢修手冊》 第二分冊 中國石化出版社
[3]《機械工程材料》 第二版 機械工業出版社
[4]《焊接冶金學》 基本原理 機械工業出版社
王其志,男,生于1970年,高級工程師，從事安裝施工及焊接管理工作,聯系電話13070398811
