一种厚壁管道的现场焊接及稳定化热处理方法.pdf

本发明提供一种含稳定化元素的奥氏体不锈钢厚壁管道的现场对接焊接及稳定化热处理方法，包括：焊接阶段以及稳定化热处理阶段。在焊接材料中，铬和镍的重量比值大于1.6，锰和硅的重量比值大于3，硫和磷的合计重量含量小于0.01％，稳定化元素和碳的重量比值为8-11，铁素体的重量含量为5-11％。本发明的方法可良好地实现含稳定化元素的奥氏体不锈钢厚壁管道的焊接及热处理施工。

1、  一种含稳定化元素的奥氏体不锈钢厚壁管道的现场对接焊接及稳定化热处理方法，其特征在于，包括：焊接阶段以及稳定化热处理阶段，
在焊接材料中，铬和镍的重量比值大于1.6，锰和硅的重量比值大于3，硫和磷的合计重量含量小于0.01％，稳定化元素和碳的重量比值为8-11，铁素体的重量含量为5-11％。

2、  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述稳定化元素为铌、或钛、或二者混合物。

3、  根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，稳定化元素和碳的重量比值为9-10，铁素体的重量含量为7-9％。

4、  根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述焊接阶段依次包括以下步骤：
坡口组对步骤，使待焊接的两个管道的坡口相对，保证相对的坡口根部的间隙在2-3mm范围内，并且两个管道内外错边均匀；
点固步骤，用与待焊接管道的材质相同的筋板跨过坡口间的间隙，并且筋板两端与已组对好的待焊接管道的外壁接触，在远离坡口规定距离的位置通过点焊的方式将所述筋板与待焊接管道连接在一起；
打底焊接步骤，采用脉冲氩弧焊的方法焊接组对的焊接管道的坡口根部；和
焊条填充步骤，以手工或机械自动的方式用焊条填充焊缝。

5、  根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在坡口组对步骤之前，对管道的坡口以及距离两侧坡口上缘20mm范围内的管道内外表面清理油污，并进行着色探伤检查，选用经着色探伤检查后符合焊接要求的管道进行焊接。

6、  根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在距离两侧坡口上缘50-100mm的位置，在管道外壁上周向均匀设置多组横向变形测量点，分别在打底焊接、焊缝填充完毕、以及二者之间的多个时点进行测量。

7、  根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在点固步骤之后，在距离坡口规定距离的管道外壁上周向均匀地安装多个挠曲变形监测百分表，在焊缝熔敷金属厚度达到壁厚一半之前，从打底焊接起，随时观察挠曲变形监测百分表的数值，同时及时调整焊接次序，控制挠曲变形。

8、  根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在稳定化热处理阶段中，焊接在一起的两段管道具有在焊缝两侧规定距离内的加热区域、和在加热区域两侧的保温区域，采用电加热的方式对加热区域加热，所述加热区域以焊缝为中心左右对称，且外壁单侧所述加热区域沿管道轴向的长度大于等于所述保温区以焊缝为中心左右对称，且外壁单侧所述保温区域沿管道轴向的长度大于等于其中：r为管道的内径，t为管道的壁厚。

9、  根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在稳定化热处理阶段中，采用在管道内外壁进行双面加热，内壁的加热区域和保温区域沿管道轴向的长度分别为外壁的加热区域和保温区域的一半。

10、  根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在对加热区域加热的过程中，从一个规定的温度起控制升温速度，并且随着温度升高而使管道内外壁的温差逐渐减小。

11、  根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在稳定化热处理阶段中，加热区域的最高加热温度在900-940℃，随后冷却，在从900℃到700℃的冷却过程中，控制冷却速度小于等于100℃/h。

12、  根据权利要求11所述的方法，其特征在于，管道的壁厚为t mm，当t＜60.5时，所述保温区域的保温时间为2小时，当t≥60.5时，所述保温区域的保温时间为(0.9+t/55)小时。

一种厚壁管道的现场焊接及稳定化热处理方法
技术领域
本发明涉及厚壁管道的现场焊接及稳定化热处理，特别地涉及一种含稳定化元素的奥氏体不锈钢厚壁管道的现场对接焊接及局部稳定化热处理方法。
背景技术
含钛、铌等稳定化元素的奥氏体不锈钢管道，如321、347、347H等型号的不锈钢管道，目前广泛应用于炼油、化工领域。然而，对于含稳定化元素的奥氏体不锈钢厚壁管道的焊接、稳定化热处理在工程上的实施一直是世界工程界的难题。
美国著名工程公司Flour Daniel的专家Cathy Shargay等研究认为含稳定化元素的奥氏体不锈钢管道的壁厚达到25mm以上时，焊后稳定化热处理产生再热裂纹的倾向加大(见Thick Wall Stainless Steel Piping inHydro Processing Units Heat Treatment Issues.Corrosion2002，PaperNo.02478：8-10，Cathy Shargay and Anil Singh)。而后，B.Messer及V.0prea等也提出了稳定化热处理工艺的改进方法(见Optimized Heat Treatment of347 Type Stainless Steel Alloys for Elevated Temperature Service toMinimize Cracking.Corrosion2004，Paper No.04640：4-12，B.Messer，V.Oprea and T.Phillips)，但最终没能有效解决壁厚超过50mm以上的含稳定化元素的奥氏体不锈钢管道的焊接及稳定化热处理的施工问题。此外，目前对含钛的321类不锈钢壁厚超过60mm、含铌的不锈钢壁厚超过50mm的管道焊接及稳定化热处理，世界工程界内尚无成功实施记录。
在目前的工业工程中，经常需要使用壁厚最好在50mm以上的含铌等稳定化元素的奥氏体不锈钢管道。例如，在煤直接液化项目中，工作温度、压力均高于传统的炼油项目，且工作介质更特殊，因此常会设计采用含铌的奥氏体不锈钢347H的工艺管道。因此，为了使工程顺利实施，必须解决含稳定化元素的奥氏体不锈钢厚壁管道的对接焊接及稳定化热处理方法这一工程界难题。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种含稳定化元素的奥氏体不锈钢厚壁管道的现场对接焊接及稳定化热处理方法，以解决上述工程界的难题。
本发明所提供的含稳定化元素的奥氏体不锈钢厚壁管道的现场对接焊接及稳定化热处理方法通常包括焊接阶段以及稳定化热处理阶段。
在焊接材料中，铬和镍的重量比值大于1.6，锰和硅的重量比值大于3，硫和磷的合计重量含量小于0.01％，稳定化元素和碳的重量比值为8-11，铁素体的重量含量为5-11％。所述稳定化元素可以是铌、或钛、或二者混合物。另外，优选稳定化元素和碳的重量比值为9-10，铁素体的重量含量为7-9％。
在上述方法中，优选地，所述焊接阶段依次包括以下步骤：
坡口组对步骤，使待焊接的两个管道的坡口相对，保证相对的坡口根部的间隙在2-3mm范围内，并且两个管道内外错边均匀；
点固步骤，用与待焊接管道的材质相同的筋板跨过坡口间的间隙，并且筋板两端与已组对好的待焊接管道的外壁接触，在远离坡口规定距离的位置通过点焊的方式将所述筋板与待焊接管道连接在一起；
打底焊接步骤，采用脉冲氩弧焊的方法焊接组对的焊接管道的坡口根部；和
焊条填充步骤，以手工或机械自动的方式用焊条填充焊缝。
在上述方法中，优选地，在坡口组对步骤之前，对管道的坡口以及距离两侧坡口上缘20mm范围内的管道内外表面清理油污，并进行着色探伤检查，选用经着色探伤检查后符合焊接要求的管道进行焊接。
在上述方法中，优选地，在距离两侧坡口上缘50-100mm的位置，在管道外壁上周向均匀设置多组横向变形测量点，分别在打底焊接、焊缝填充完毕、以及二者之间的多个时点进行测量。
在上述方法中，优选地，在点固步骤之后，在距离坡口规定距离的管道外壁上周向均匀地安装多个挠曲变形监测百分表，在焊缝熔敷金属厚度达到壁厚一半之前，从打底焊接起，随时观察挠曲变形监测百分表的数值，同时及时调整焊接次序，控制挠曲变形。
在上述方法中，优选地，在稳定化热处理阶段中，焊接在一起的两段管道具有在焊缝两侧规定距离内的加热区域、和在加热区域两侧的保温区域，采用电加热的方式对加热区域加热，所述加热区域以焊缝为中心左右对称，且外壁单侧所述加热区域沿管道轴向的长度大于等于所述保温区以焊缝为中心左右对称，且外壁单侧所述保温区域沿管道轴向的长度大于等于其中：r为管道的内径，t为管道的壁厚。
在上述方法中，优选地，在稳定化热处理阶段中，采用在管道内外壁进行双面加热，内壁的加热区域和保温区域沿管道轴向的长度分别为外壁的加热区域和保温区域的一半。
在上述方法中，优选地，在对加热区域加热的过程中，从一个规定的温度起控制升温速度，并且随着温度升高而使管道内外壁的温差逐渐减小。
在上述方法中，优选地，在稳定化热处理阶段中，加热区域的最高加热温度在900-940℃，随后冷却，在从900℃到700℃的冷却过程中，控制冷却速度小于等于100℃/h。
在上述方法中，优选地，管道的壁厚为tmm，当t＜60.5时，所述保温区域的保温时间为2小时，当t≥60.5时，所述保温区域的保温时间为(0.9+t/55)小时。
本发明的方法克服了焊接过程中出现的热裂纹、稳定化处理后出现的再热裂纹、脆化项、碳化物沉积等不利因素，使含稳定化元素的奥氏体不锈钢管道焊接及稳定化处理的施工范围由现有技术的50-60mm提高到90mm左右，可以满足目前世界上所有炼油、化工、煤化工、煤液化等工程实施要求。本发明的方法同时具有技术覆盖性，可以应用于所有含稳定化元素和不含稳定化元素的奥氏体不锈钢厚壁管道的焊接及热处理施工。而且，本发明对施工人员技术水平、设备要求程度不高，国内各施工单位均具备施工条件。
具体实施方式
以下，对本发明的具体实施方式进行说明。
本发明的含稳定化元素的奥氏体不锈钢厚壁管道进行现场对接焊接及稳定化热处理方法包括焊接阶段以及稳定化热处理阶段。
焊接材料中碳、硅、锰、铬、镍、硫、磷、铌等元素的含量对焊缝金属结晶凝固模式、金相组织均有不同程度的影响，同时对焊缝抗热裂纹、再热裂纹性能、整体机械性能有很大影响。选择焊接材料中各元素成分的同时还要考虑焊缝金属的抗高温蠕变性、长期高温工作的脆性倾向等方面。
因此，经过本发明人多方面的考虑以及多次的实验，最终本发明选择的焊接材料中的铬和镍的重量比值大于1.6，锰和硅的重量比值大于3，硫和磷的合计重量含量小于0.01％，稳定化元素和碳的重量比值为8-11，铁素体的重量含量为5-11％。所述稳定化元素可以是铌、或钛、或二者混合物。另外，优选稳定化元素和碳的重量比值为9-10，铁素体的重量含量为7-9％。
在焊接材料选定之后，即可对管道进行焊接。所述的焊接阶段依次包括以下步骤：
坡口组对步骤，使待焊接的两个管道的坡口相对，保证相对的坡口根部的间隙在2-3mm范围内，并且两个管道内外错边均匀；
点固步骤，用与待焊接管道的材质相同的筋板跨过坡口间的间隙，并且筋板两端与已组对好的待焊接管道的外壁接触，在远离坡口规定距离的位置通过点焊的方式将所述筋板与待焊接管道连接在一起；
打底焊接步骤，采用脉冲氩弧焊的方法焊接组对的焊接管道的坡口根部；和
焊条填充步骤，以手工或机械自动的方式用焊条填充焊缝。
上述待焊接的两个管道的坡口通常为V型坡口，坡口间的间隙可通过专门加工的定尺寸挡块控制。而且，在实际工程中，上述两个管道内外错边量越小则越好，优选为0-3mm，更优选错边量为0-2mm。另外，在坡口组对步骤中，支撑管道安装组对的托架装置要具备满足水平和垂直两个方向的自由调整的能力。
此外，为获得良好的焊接效果，最好在坡口组对步骤之前，对管道的坡口以及距离两侧坡口上缘20mm范围内的管道内外表面清理油污，并进行着色探伤检查，选用经着色探伤检查后符合焊接要求的管道进行焊接。
另外，可以在距离两侧坡口上缘50-100mm的位置，在管道外壁上周向均匀设置多组横向变形测量点，一般设置四组。并且分别在打底焊接、焊缝填充完毕、以及二者之间的多个时点进行测量，例如在焊缝填充厚度在壁厚的1/6、1/4、1/3、1/2、3/4的时候。由此，在焊接多根管道时，可根据在前测得的横向变形量，调整在后焊接的管道的破口间隙，从而保证横向长度的精确。
另外，在点固步骤之后，可以在距离坡口规定距离的管道外壁上周向均匀地安装多个挠曲变形监测百分表，可以与上述横向变形测量点对应地也设置四组，在焊缝熔敷金属厚度达到壁厚一半之前，从打底焊接起，随时观察挠曲变形监测百分表的数值，同时及时调整焊接次序，从而能够控制、调整管道挠曲变形。
在上述打底焊接步骤中，管道内外侧通有惰性气体保护，其中氩气要求为99.99％，管道外部保护气体流量可以为15-20L/min，管道内部保护气体流量可以为5-10L/min；氩弧焊可以焊三层，总厚度为6-8mm；可以由两名焊工对称分段倒退施焊，可以采用Φ2.4mm焊丝，电流80-115A、电压9-14V，焊道宽度为6-8mm，焊接速度为4-7cm/min，层间温度控制在100℃以下。
在焊条填充步骤中，可以采用手工焊接方式，也可以采用机械自动焊接方式。可以采用焊条直径为3.2mm的焊条填充，焊接时由两名焊工对称分段倒退施焊，电流80-120A、电压22-26V，焊道宽度9-13mm，焊接速度7-15cm/min，层间温度控制在100℃以下。
此外，焊接时要求尽量不摆动，焊道起弧、收弧处要特别注意，收弧时要控制不能产生弧坑裂纹。前一焊道与后一焊道要有合理的搭接量，层与层间焊道的起弧、收弧处要尽量错开。每焊一层要求打磨，打磨量约0.4-0.5mm。采用分段退焊法，在焊接位置允许时，层与层的焊接方向要交错，焊接时不允许出现咬边、未熔合和任何形式的裂纹缺陷。焊缝加强高不宜超过3mm，超过50mm厚的焊缝，焊后一定打磨圆滑。
而且，焊缝稳定化处理后，不要求酸洗、钝化，一般采用抛光打磨去除氧化皮。
在稳定化热处理阶段中，焊接在一起的两段管道具有在焊缝两侧规定距离内的加热区域、和在加热区域两侧的保温区域，采用电加热的方式对加热区域加热，所述加热区域以焊缝为中心左右对称，且外壁单侧所述加热区域沿管道轴向的长度大于等于所述保温区以焊缝为中心左右对称，且外壁单侧所述保温区域沿管道轴向的长度大于等于其中：r为管道的内径，t为管道的壁厚。
在稳定化热处理阶段中，优选采用在管道内外壁进行双面加热，内壁的加热区域和保温区域沿管道轴向的长度分别为外壁的加热区域和保温区域的一半。
而且，在对加热区域加热的过程中，要从一个规定的温度起控制升温速度，并且随着温度升高而使管道内外壁的温差逐渐减小。
例如，壁厚在50-70mm的管道焊缝，从300℃开始控制升温速度，升温速度控制在不超过80℃/h。500℃以上时，内外壁温差不宜超过150℃，在600～900℃之间时，内外壁温差不超过80℃。
在稳定化热处理阶段中，加热区域的最高加热温度在900-940℃，随后冷却，在从900℃到700℃的冷却过程中，控制冷却速度小于等于100℃/h。
虽然本发明的方法主要是为了解决壁厚在50mm以上的含稳定化元素的奥氏体不锈钢管道在焊接及稳定化热处理中的问题，但也可以适用于壁厚在50mm以下的情况。
在本发明的方法中，经过本发明人的多次实验，所述保温区域的保温时间可根据下述公式来设定。当管道的壁厚为t＜60.5mm时，所述保温区域的保温时间为2小时；当管道的壁厚t≥60.5mm时，所述保温区域的保温时间为(0.9+t/55)小时。
另外，优选地，在打底焊接时，对每层进行着色探伤检查；在焊到壁厚的一半时，进行射线探伤检查；在焊满后，进行射线探伤检查、着色探伤检查；在稳定化热处理后对焊缝表面进行着色探伤检查。
钛等稳定化元素与铌的性质基本相似，以下以壁厚分别为54mm、77mm、88mm的三种含铌的奥氏体不锈钢347H管道为例，对本发明的方法进行说明。
[实施例1]54mm厚的含铌的奥氏体不锈钢347H
焊接材料选择：铬和镍的重量比值为2.1，锰和硅的重量比值为3.79，硫和磷的合计重量含量为0.008％，铌和碳的重量比值为10.54，铁素体的重量含量为7％。
稳定化热处理：采用电加热的办法，采用双面加热，例如管道内径为150mm时，外壁单侧所述加热区域沿管道轴向的长度为230mm，外壁单侧所述保温区域沿管道轴向的长度为425mm，内侧的加热区域和保温区域的长度为外壁的一半。
加热时，从300℃开始控制升温速度，升温速度控制在不超过80℃/h。500℃以上，内外壁温差不超过150℃，600～900℃之间，内外壁温差不超过80℃。加热区域的最高加热温度900℃，保温区域的保温时间为2小时。
在900～700℃的冷却过程中，控制其冷却速度不高于100℃/h，在700℃以下可空冷。
经焊接及稳定化热处理后的54mm的含铌的奥氏体不锈钢347H的试样的检验结果：
1、焊缝全厚度拉伸检验结果
试样编号    试验温度    R_m Mpa    断裂位置
1-1         常温        560       断母材
2-1         常温        555       断母材
1-2    常温    550    断母材
2-2    常温    570    断母材
1-3    常温    545    断母材
2-3    常温    575    断母材
1-4    常温    553    断母材
2-4    常温    579    断母材
R_m表示拉伸强度
2、焊缝全厚度侧弯检验结果
试样编号    温度    侧弯180°
1-1         常温    合格
2-1         常温    合格
1-2         常温    合格
2-2         常温    合格
1-3         常温    合格
2-3         常温    合格
1-4         常温    合格
2-4         常温    合格
通过以上检验结果可见，采用本发明的方法对54mm厚的含铌的奥氏体不锈钢347H进行焊接及稳定化热处理后所得到的焊件符合要求。
[实施例2]77mm的含铌的奥氏体不锈钢347H
焊接材料选择：铬和镍的重量比值为2.1，锰和硅的重量比值为3.79，硫和磷的合计重量含量为0.008％，铌和碳的重量比值为10.54，铁素体的重量含量为7％。
稳定化热处理：采用电加热的办法，采用双面加热，例如管道内径为220mm时，外壁单侧所述加热区域沿管道轴向的长度为350mm，外壁单侧所述保温区域沿管道轴向的长度为550mm，内侧的加热区域和保温区域的长度为外壁的一半。
加热时，从300℃开始控制升温速度，升温速度控制在不超过50℃/h。300℃以上，内外壁温差不超过150℃，600～900℃之间，内外壁温差不超过80℃。加热区域的最高加热温度为900℃，保温区域的保温时间为2.3小时。
在900～700℃的冷却过程中，控制其冷却速度不高于100℃/h，在700℃以下可空冷。
经焊接及稳定化热处理后的77mm的含铌的奥氏体不锈钢347H的试样的检验结果：
1、焊缝全厚度拉伸检验结果
试样编号    试验温度    R_m Mpa    断裂位置
1-1         常温        575       断母材
2-1         常温        570       断母材
1-2         常温        560       断母材
2-2         常温        550       断母材
1-3         常温        570       断母材
2-3         常温        560       断母材
1-4         常温        550       断母材
2-4         常温        545       断母材
R_m表示拉伸强度
2、焊缝全厚度侧弯检验结果
试样编号    温度    侧弯180°
1-1         常温    合格
2-1         常温    合格
1-2         常温    合格
2-2         常温    合格
1-3         常温    合格
2-3         常温    合格
1-4         常温    合格
2-4        常温    合格
通过以上检验结果可见，采用本发明的方法对77mm厚的含铌的奥氏体不锈钢347H进行焊接及稳定化热处理后所得到的焊件符合要求。
[实施例3]88mm的含铌的奥氏体不锈钢347H
焊接材料选择：铬和镍的重量比值为2.1，锰和硅的重量比值为3.79，硫和磷的合计重量含量为0.008％，铌和碳的重量比值为10.54，铁素体的重量含量为7％。
稳定化热处理：采用电加热的办法，采用双面加热，例如管道内径为270mm时，外壁单侧所述加热区域沿管道轴向的长度为400mm，外壁单侧所述保温区域沿管道轴向的长度为650mm，内侧的加热区域和保温区域的长度为外壁的一半。
加热时，从300℃开始控制升温速度，升温速度控制在不超过70℃/h。300℃以上，内外壁温差不超过150℃，600～900℃之间，内外壁温差不超过80℃。加热区域的最高加热温度为900℃，保温区域的保温时间为2.5小时。
在900～700℃的冷却过程中，控制其冷却速度不高于100℃/h，在700℃以下可空冷。
经焊接及稳定化热处理后的88mm的含铌的奥氏体不锈钢347H的试样的检验结果：
1、焊缝全厚度拉伸检验结果
试样编号    试验温度    R_m Mpa    断裂位置
1-1         常温        550       断母材
2-1         常温        565       断母材
1-2         常温        545       断母材
2-2         常温        555       断母材
1-3         常温        570       断母材
2-3         常温        555       断母材
1-4         常温        565       断母材
2-4        常温        550       断母材
R_m表示拉伸强度
2、焊缝全厚度侧弯检验结果
试样编号    温度    侧弯180°
1-1         常温    合格
2-1         常温    合格
1-2         常温    合格
2-2         常温    合格
1-3         常温    合格
2-3         常温    合格
1-4         常温    合格
2-4         常温    合格
通过以上检验结果可见，采用本发明的方法对88mm厚的含铌的奥氏体不锈钢347H进行焊接及稳定化热处理后所得到的焊件符合要求。