铬钼钢施工技术及质量控制措施

浅谈1Cr5Mo钢管道焊接裂纹的控制措施摘 要：石油化工装置高温管道很多都采用1Cr5Mo耐热钢管，它在高温下有很好的抗氧化性和热强性，但是，1Cr5Mo淬硬倾向大，焊接性较差，如果焊接工艺不当、工艺纪律不严格，极易产生裂纹。本文简要分析铬钼耐热钢焊接裂纹产生的主要因素,并有针对性地从焊材管理、焊工管理、预热、焊接工艺及过程控制、后热、焊后热处理、无损检测等方面提出了控制1Cr5Mo钢裂纹产生的几项措施,为确保1Cr5Mo钢焊接质量提供了有力的保证。关键词：1Cr5Mo钢 焊接裂纹 质量控制措施1 前言鉴于1Cr5Mo钢淬硬倾向大，属于裂纹敏感性材料，焊后容易产生延迟裂纹，而且铬钼钢几乎均是用在高温部位，一旦焊缝出现裂纹将给装置带来极大的安全隐患，甚至产生重大事故，所以对1Cr5Mo钢的焊接裂纹控制就显得尤为重要，也是本文研究的关键所在。2 1Cr5Mo钢焊接裂纹产生的主要因素分析2.1 1Cr5Mo钢淬硬倾向钢的淬硬倾向主要取决于化学成分、壁厚、焊接工艺和冷却条件等，焊接时钢的淬硬倾向越大，越容易产生裂纹。1Cr5Mo钢的化学成分和机械性能见表1和表2所示。表1 1Cr5Mo钢的化学成分（%）（SH/T3520-2004）CMnSiSPCrMo0.150.600.500.0350.0354.0-6.00.45-0.60表2 1Cr5Mo钢的机械性能（SH/T 3520-2004）抗拉强度b MPa屈服强度s MPa伸长率s %布氏硬度 HB39059019522187由上表所示可知，1Cr5Mo钢的化学成分中的主要合金元素即为铬和钼，这就决定了铬钼钢具有淬硬倾向，焊接时就容易产生裂纹。2.2 焊接接头的应力影响由于焊接时不均匀加热及冷却过程中产生的热应力和结构自身拘束条件所造成的应力,会引起氢的聚集,诱发延迟裂纹。2.3 氢的作用焊接接头的含氢量越高,则裂纹的敏感性越大。焊接时在高温作用下,将有大量的氢溶解在熔池中,在随后的冷却和凝固过程中,由于溶解度的急剧降低,氢极力逸出,但因冷却很快,使氢来不及逸出而留在了焊缝金属中。当氢聚集到一定浓度时,就会破坏金属中原子的结合键,使金属内出现一些微观裂纹,在应力持续作用下,氢不断聚集,微观裂纹不断扩展,直接发展为宏观裂纹,最后断裂。焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、污油，以及环境湿度等等都是焊缝中含氢的原因。3 减少裂纹产生的控制措施综上所述，由产生裂纹的主要因素可知，要控制裂纹的产生就要通过有效的减少氢源、降低淬硬倾向对焊口的影响及消除焊口焊接应力，因此对于1Cr5Mo钢的施工要严格把握焊接工艺要点，对焊接材料领用、焊口预热、焊接工艺及后热等工序采取强有力的控制措施。3.1 减少氢源措施焊缝中的氢主要来源于母材和焊接材料，母材和焊丝中的铁锈、油污等在焊接高温下产生氢，扩散到焊缝中去，因此可以通过以下措施减少氢源。3.1.1选用合格的低氢型焊条，检查进场焊材材料质量证明文件，确保焊接材料合格。3.1.2焊条使用前应按焊条说明书进行烘烤，并有烘烤记录。3.1.3焊丝使用前必须清除锈斑和污油并露出金属光泽。3.1.4烘好的焊条领用后超过4小时不用或未使用完时，应重新烘烤且烘烤次数不得超过两次。3.1.5坡口切割及加工宜采用机械加工，当使用氧、乙炔火焰切割时，必须清除熔渣、氧化皮及表面淬硬层。3.1.6组对前应将坡口及其内外表面不少于20mm范围内的油污、氧化皮、锈等清除干净，并用砂轮打磨直至露出金属光泽。3.2 降低淬硬倾向影响的措施由于1Cr5Mo钢具有淬硬倾向性，焊接性较差，容易出现裂纹，致使其焊接工艺比较复杂，通过有效的控制焊接工艺才能防止或降低裂纹出现的几率。3.2.1焊接方法及焊接材料(1)焊接方法管道焊口焊接时，一般采用单面焊双面成型，若背面成型不好，存在咬边、未融合及未焊透等缺陷时，就会明显增加1Cr5Mo的冷裂纹敏感性。为提高背面成型质量，一般采用氩电联焊焊接技术，当公称直径小于DN80时（壁厚小于6mm）也可以采用全氩焊接，承插口焊口可直接采用手工电弧焊焊接。(2)焊接材料选定为保证焊接接头与母材具有相同的高温蠕变强度和抗氧化性，焊缝金属必须具有与母材相当的铬、钼含量。而且必须依据合格的焊接工艺评定来选定焊接材料，合格评定见表3表3 1Cr5Mo钢焊口焊接的评定（2010年焊接工艺评定汇编 QB FCC/TS06.41-2010）评定编号试件材质试件规格 （mm）焊接方法适用焊件厚度 (mm)焊缝金属厚度(mm)焊接材料1430AWA-MVA335 P5=7GTAW/ SMAW1.514GTAW：06 SMAW：08H1Cr5Mo/ R5070712AWA-MVA335 P527312GTAW SMAW924GTAW：06 SMAW：018ER80S-B6 (H10Cr5MoVA) R507B0704AWA-MVA335 P532322GTAW SMAW16.544GTAW：06 SMAW：038ER80S-B6 (H10Cr5MoVA) R507B0703AWA-MVA335 P548.35GTAW SMAW1.510GTAW：06 SMAW：06ER80S-B6 (H10Cr5MoVA) R507B为避免焊材用错要严格焊材的管理：l 焊材应派专人负责保管、发放、回收，并有详细记录；l 焊工领取焊条必须有专职施工技术员签字确认；l 现场施工点药进行随机检查；3.2.2严格进场焊工的控制及管理焊工是保证焊接质量的决定性因素，焊工质量的高低直接影响焊口的焊接质量。为了保证铬钼钢的焊接质量，项目需要成立专门的焊工考试中心，要求焊工除了必须按照锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则取得焊工合格证外，还需要通过项目焊工考试中心考试合格并获得项目的焊工合格证后方可进入现场施焊。3.2.3焊前检查焊接前应对加工后坡口及内外表面20mm范围内进行表面检查，必要时应按JB 4730进行磁粉或渗透检测，以确保坡口表面不得有夹杂、裂纹、分层等缺陷。3.2.4 焊前预热预热可以改变焊接过程的循环，遏制或减少淬硬组织的形成，减少焊接残余应力，使氢易于从焊接接头中扩散出来，从而降低延迟裂纹倾向，是防止铬钼钢焊接接头产生延迟裂纹和再热裂纹的有效措施之一。(1)预热宜采用电加热片加热，当焊口小于DN150时，也可以采用氧乙炔火焰加热，但必须保证热透且温度均匀。(2)预热升温应缓慢而均匀，防止局部过热，火焰加热采用数字触点式温度计，检测预热温度测点应均匀分布。电加热预热温度的测量用热处理设备上的热电偶测量。(3)预热范围应以对口中心线为基准，两侧各不小于3倍壁厚，且大于等于50mm。(4)1Cr5Mo的预热温度要求250-300 OC。3.2.5 焊接技术要求(1) 1Cr5Mo钢接头焊接，当达到预热温度并持续5min后应立即进行底层焊道的焊接且应一次连续焊完。(2)焊接底层焊道时应封住管口，以免管子内形成穿堂风，影响焊接质量。(3)底层焊道焊完后，应立即进行下一层的焊接且应连续焊完，如中断焊接应立即进行300-350 OC时间不少于15min的后热处理，然后保温缓冷。中断后继续施焊应重新预热。(4)多层焊接时层间温度应等于或略高于预热温度，否则应予以加热。(5)每层焊缝接头应错开，层间清渣要彻底。(6)焊接时应在坡口内引弧，严禁在非焊接部位引弧。(7)焊工焊完口后应立即自检，若外观有缺陷要立即补焊、修整，合格后进行后热或热处理。3.3 消除焊口焊接应力的措施 3.3.1焊后后热后热也就是一种消氢处理措施，能有效的减小焊缝中氢的有害影响，降低焊接残余应力避免焊接接头中出现马氏体组织，从而防止氢致裂纹的产生，因此在焊接接头完成后不能立即进行热处理的焊口应必须进行后热处理,后热温度为200-350OC，时间不少于15分钟，然后保温缓冷。3.3.2焊后热处理1Cr5Mo钢焊口的焊后热处理就是指对焊口进行高温回火，利用金属高温下强度的降低，而把弹性应变转变成塑性应变以达到消除焊接残余应力的目的，同时改善金属组织，提高接头的综合力学性能。不同材质的回火温度要求不同，所以必须按照热处理工艺的要求控制热处理温度。(1)焊后应立即进行热处理,热处理采用电加热方法,在热处理过程中应能准确地控制加热温度且使焊件温度分布均匀。(2)热处理的加热范围以焊缝为中心，两侧各不小于焊缝宽度的三倍（且不小于25mm），加热区以外的100mm范围内应予以保温。(3)温度控制准确，热处理过程中恒温温度偏差不应超过25，且不超过热处理温度范围，测温元件采用热电偶并用自动记录仪记录热处理曲线，测温点设在加热区且不少于1点。(4)不同材质焊接接头之间热处理温度按合金含量高者下限要求，不同厚度的按厚者要求进行。(5)焊后热处理应按规范要求参数严格的控制升温、恒温和降温过程。在国内多采用的是铠装热电偶，与被测件直接捆绑进行测量，这样会使测量温度与实际温度有些偏差，所以在设定热处理恒温温度要比要求的温度偏高510OC为宜，但不能高于工艺要求的最高温度。规范要求的参数见表4表4 焊口热处理参数（SH/T3520-2004、SH3085-1997）分类参数升温速度1. 温度在300以下时不控制；2. 升温至300以后，升温速度不得超过5125/ /h，且不应大于220/h；恒温温度750780恒温时间1. 工艺管道每毫米壁厚恒温3min，且不少于30min；2. 炉管恒温时间不少于1h；冷却速度1. 恒温速度的冷却速度不得超过6500/ /h，且不大于260/h；2. 炉管要求冷却速度不大于275/h；3. 300以下后不用控制(6)热处理后的硬度测定热处理后硬度抽查比例为热处理焊口总数的20%且不少于1处，每处测点见下图：母材区热影响区焊缝区测量硬度值应符合如下要求：炉管HB241；其他管道HB300。硬度值超过规定，应加倍检查，并查明原因，对不合格的焊口从新进行热处理并做硬度测试。3.4 加强裂纹的检测工作及焊口返修措施3.4.1 无损检测要求及管理工艺管道焊口热处理后要按照设计要求进行RT无损检测，焊口的无损检测必须在焊口热处理完成且焊口焊接完成24小时之后进行。要从检测人员管理、检测工艺、检测时机、点口覆盖性、返修、扩探及随机抽检等方面加强质量控制，确保无损检测的质量符合要求。同时要有专门的无损检测高级成员组对RT底片进行100%复审，对可疑底片进行进一步确认或进行复测。3.4.2 焊后返修(1)焊后经检测不合格的焊口必须予以返修，返修时焊接工艺与正式焊焊接工艺相同。(2)焊后检测出裂纹及其它共性缺陷时，应首先分析产出原因，再进行返修。(3)返修焊口标位应由探伤人员进行，根部缺陷应确定在焊缝的哪一侧。(4)清除缺陷后应进行着色检查，确认无疑留缺陷后方可施焊。(5)同一部位的返修次数不宜超过两次,经过两次返修仍不合格的焊缝,如需再进行返修,应编制返修工艺措施,经施工单位技术总负责人批准后方可实施,并将焊缝返修次数、部位和无损检测等结果记入焊缝返修记录，返修后仍按原规定方法检测。3.5 质量保证措施3.5.1建立健全质量保证体系，确定质量责任制。3.5.2认真管好计量器具，保证工程计量的有效性和准确性。3.5.3严格施工工艺纪律，对预热、层间温度控制、焊后后热、焊后热处理及探伤做好连续监控，以确保工程质量。3.5.4施工应在热处理设备调试完毕后进行，焊后及时进行热处理。3.5.5严格工序管理，上道工序检查合格后方可进行下道工序施工。3.5.6加强施工环境的监测，当出现不利天气时应及时采取措施。3.5.7认真做好各项施工记录，施工班组的原始记录要完整正确。4 案例分析4.1失败项目2004年，上海金山石化常减压项目，由于管理失误，部分人员对铬钼钢的施工技术要求不重视，个别出现焊接前不预热、不执行焊接工艺纪律、不进行氩弧打底而直接手工电弧焊进行焊接、焊后未能及时热处理、焊口也没能及时做到后热处理，造成检测后出现多处裂纹返片，给工程带来了巨大的损失。另外，由于管线的实际要求为非100%RT检测，个别焊口在装置开车后出现裂纹，物料渗漏，项目在过年期间还紧急外调人员进行返修工作，给公司带来了严重的经济损失及信誉损失。4.2成功项目2006年，广州项目的常减压装置及加氢联合装置都存在着大量的铬钼钢管道的施工。项目严格执行了焊接工艺纪律：焊材发放严格把关、焊前预热、焊接过程的层间温度严格控制、安排专门的检查员对焊口层间温度检查，并形成记录文件，焊后未能及时热处理的焊口都进行了后热处理，及时的无损检测等，在这一系列的措施下达到所有焊口未出现一张裂纹返片的好成绩，也给公司树立了很好的企业形象。5 结论根据上述理论、数据分析和实例对比可看出为防止1Cr5Mo耐热钢的焊接裂纹产生，在施工过程中必须严格把握施工技术要点，采取有效的控制措施，丝毫疏忽不得。从而总结出质量控制点一览表（如下），施工过程中可参照执行。序号控制点检查内容控制类别备注1施工准备,原材料检查验收1.材料出厂合格证，质量证明文件A2.焊接工艺2焊材烘烤及焊件清理1.焊材烘烤温度,时间B2.焊件表面清理情况3预热及组对1.预热温度B2.组对质量4焊接1.预热温度及层间温度控制A2.焊接工艺参数5外观检查及后热1.外观质量检