Cr5Mo管线焊接过程中的安全控制

Cr5Mo管线焊接过程中的安全控制众所周知，Cr5Mo管线的可焊性差，在焊接中容易产生延迟裂纹，极大地影响了管线（尤其是石油化工生产管线）的安全运行。但因其材质本身具有耐高温、抗硫化氢腐蚀和强度高的特点，在石油化工行业的使用却很广泛。在中国石油大连石化公司新建成的亚洲最大的10Mt/a常减压蒸馏装置中，共计有Cr5Mo管线2850m，其中对接焊口有2215道。在第一次试压时，有多道焊口开裂。后经100%射线复检，有226道焊口存在裂纹。本文通过对该批裂纹产生原因的分析，提出了在实践中已经验证的避免或减少延迟裂纹在Cr5Mo管线焊接中出现的过程安全控制方法。1裂纹产生的条件1.1延迟裂纹延迟裂纹属于冷裂纹中最常见的一种，其是在焊接后冷至较低温度后，经过一段时间（几小时，几天，甚至更长时间）的孕育期后，才开始少量出现，并随时间增长而逐渐增多和扩展。图1为Cr5Mo管线焊接中出现的延迟裂纹。1.2延迟裂纹产生的条件及控制方法钢种的淬硬倾向、焊接接头扩散氢的含量、以及接头所承受的拘束应力状态是延迟裂纹产生的三个充分必要条件。这三个条件在一定的条件下相互联系并相互促进，从而造成了延迟裂纹的出现。(1)产生淬硬倾向的条件钢种的淬硬倾向主要决定于化学成分、壁厚、焊接工艺和冷却条件。而在焊接工程中，钢种的化学成分和壁厚是不能改变的，而焊接工艺和冷却条件却是可以控制的。(2)扩散氢的来源及控制方法扩散氢是在焊接时，焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、油污，以及环境湿度等都是焊缝中富氢的原因。控制好氢的来源，通过控制冷却速度，增加熔池金属在高温中停留的时间，使得氢有足够的时间逸出，就能减少焊缝中的扩散氢含量。(3)焊接接头的拘束应力的产生与控制方法焊接接头的拘束局势应力主要是由焊接过程中不均匀加热及冷却过程中所产生热应力、焊接热循环过程中因相变而产生组织应力以及焊接结构自身拘束条件造成的应力，三种应力的合力形成的。拘束应力是焊接过程中不可避免的，我们只能通过控制它们的产生过程，尽可能的降低拘束应力。通过焊前预热降低热应力，通过焊后热处理来减少组织应力，通过控制焊接顺序，来降低结构自身拘束条件所造成的应力。2Cr5Mo管线焊接裂纹产生原因的分析通过对装置的2215道对焊焊口进行监测与分析，在以下几方面查找出了造成焊口开裂原因。2.1焊工资质对参与Cr5Mo管线焊接的18名焊工的焊工证原件重新进行了检查，全部都有按《锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则》进行考试并取得的合格证书。即焊工的资质不存在问题。2.2焊接材料及管道材质对Cr5Mo管线焊接过程中所使用的焊接材料及管材，请有检验资质的单位进行了复验，全部合格。即焊接材料及管道材质不存在问题。2.3焊接工艺的可行性由参与施焊的18名焊工按照原Cr5Mo管线焊接工艺在有技术人员及质检人员全过程监督的情况下，分别焊接了不同规格的三道Cr5Mo管线对接焊口，经100%射线检测，全部合格。即焊接工艺及焊接人员水平没有问题。2.4焊接过程控制我们对参加焊接的18名焊工逐一进行调查，请他们回忆当时焊接Cr5Mo管线的过程。他们均提到因为当时工期紧，任务重。履带式加热器数量及热处理人员数量不足，因焊前预热及后热处理全部采用火焰加热，只在焊后热处理上才使用计算机控制的带自动打印曲线的热处理机。且这批焊工有许多人从事工作的时间并不很长，对Cr5Mo管线可焊性差的认识不是很深，他们虽然知道焊前应预热，焊后应热处理，但并不是特别重视。因此在实际焊接施工中，这些焊工的过程控制并不严格。如预热温度他们仅凭经验进行判断，并没有全部采用红外线温度仪进行控制。因此很可能温度没有达到250℃就开始施焊。另外，通过与焊工交谈，可以看出他们对预热时加热宽度及温度、定位焊的预热、层间温度、中断焊接后的后热处理及重新焊接后的预热做得也不是很好。另外由于焊接后的射线检测按设计文件及SH3501-2001标准的要求，检测比例仅为20%，且是在焊后热处理前进行的，因此尽管当时合格，没有延迟裂纹的出现。但在热处理后进对热处理焊口的10%进行超声波检测，不能保证焊口中延迟裂纹的检出比例。2.5裂纹产生的原因经过上述分析，我们认为焊接裂纹的产生，主要原因出在过程控制上。特别是预热、层间温度、后热、及焊后热处理上。这一点，从我们对2215道对焊焊口100%进行硬度检测时也得到了证实。在检测中，我们发现有458道焊口的硬度值超过了HB300，不符合相关标准的要求。因此，Cr5Mo管线焊接过程的安全控制十分重要。3Cr5Mo管线焊接过程的安全控制通过上述对产生裂纹原因的分析，我们对Cr5Mo管线的焊接工艺过程进行了认真的研究，提出了详细的过程控制方法。3.1焊接环境温度及湿度的控制（1）焊接环境温度的控制。焊接环境温度低，则焊接接头的温度梯度大，热应力就大；冷却速度就快，扩散氢可能就来不及逸出。为此在焊接中，如果焊件温度低于0℃，则不允许施焊。（2）焊接环境湿度的控制。焊接接头中的扩散氢很大一部分就是来自于空气中的湿气，当焊接环境湿度大于或等于80%时，或者雨、雪天无遮挡时，则不能进行焊接。3.2焊接材料的控制因为焊条药皮是扩散氢的主要来源之一，进行Cr5Mo管线焊接时，一定要选用低氢型焊条即R507。焊前一定要严格按照焊条烘干工艺要求，进行不低于350℃的烘干，恒温2小时后，放置在100℃的恒温箱中进行保温。焊条在使用时一定要放置在保温效果好的保温筒内，并严格执行领用、回收发放帐制度。焊丝在使用前也一定要清理、除油、除锈。3.3坡口的制备制备坡口前，要对坡口两侧中心线各20mm的范围，进行清理，除油，以控制氢的来源。3.4焊前预热采用电加热法进行预热，温度为250～300℃。加热带的宽度以对口中心线为基准，两侧各不小于三倍壁厚，且不小于100mm.加热区以外的100mm应保温。（1）定位焊的预热定位焊要等同于正式焊接。不论是采用常用的定位焊接，还是搭桥式定位焊均要进行预热。且定位焊后确定无缺陷，应立即进行正式的打底焊。（2）打底焊的焊前预热严格按照预热工艺预热后，方可进行氩弧焊打底。在收弧时将焊把缓慢地收到坡口边外，防止收弧点裂纹和缩孔。接头时多接10mm长，将收弧点处可能存在的缺陷熔化掉。（3）层间温度的控制打底焊结束后，马上进入对第二层焊道的预热，以确保层间温度不低于预热温度。每焊完一根焊条，最好在收弧点处点焊2～3次再收弧，防止了收弧点的突然冷却，避免因焊点处的温度急速下降而产生微裂纹。一旦每条焊缝不能一次焊完，下次焊接前，必须重新按原工艺进行预热。3.5后热处理后热处理，也可以成为焊后脱氢处理。是指焊后立即加热到350℃，并保温1个小时。在实际焊接过程中，一定要注意后热处理的及时性，但如焊后可以立即进行焊后热处理，则可以免做后热处理。如果一条焊道没有一次性焊完，则只要中断焊接，就必须立即进行后热处理，防止因急冷，而造成接头扩散氢来不及逸出或形成淬硬组织或残余应力。3.6焊后热处理（1）严格热行焊后热处理工艺对小口径的管线采取缠绕式加热带加热，对大口径的管线采用履带式加热，且每道焊口必须有独立的热电偶测温点，实时打印热处理曲线，并辅以点式温度计的测量记录。由于Cr5Mo管线的延迟裂纹敏感性较高，最好在无损检测前后热处理后尽快进行焊后热处理。（2）焊后热处理效果的检测焊后热处理后，一定要对20%的焊接接头进行硬度检测。当焊接接头的硬度HB超过300时，必须重新进行热处理。3.7焊缝的无损检测因延迟裂纹可能在焊后几小时，甚至几天后出现。因此，为了确保无损检测的准确性，焊缝的无损检测最好能在焊后两天且已经过焊后热处理后进行。而且，为了进一步验证无延迟裂纹的出现，条件允许的情况下，可在更长的时间后再次进行复检。4结论在实际返修操作中，我们安排专人负责上述7个主要工艺控制过期程的检查，结果返修的226道焊口中，仅有3道焊口因非裂纹的超标缺陷进行了二次返修，其余均合格。通过对Cr5Mo管线延迟裂纹产生的原因及过程安全控制的分析，只要我们在焊接施工中严格执行焊接工艺，做好过程控制，增强质量意识，在Cr5Mo管线焊接中消灭延迟裂纹是完全可以做到的。