低温工况不锈钢管道焊接实践1

低温工况不锈钢管道焊接实践

中原石油勘探局工程建设总公司二00一年十一月2/6/20231第一页目录一、前言二、主要焊接工作量及工作难点三、0Cr18Ni9不锈钢的基本焊接特性及焊接要求四、焊接工艺方案及其确定理由五、施工难题的解决六、焊接工艺参数七、值得注意的问题八、总结2/6/20232第一页

-40℃以下工艺配管的管材、法兰、管件，均采用国产0Cr18Ni9不锈钢材料。0Cr18Ni9的焊接，在理论上已经相当成熟，但在可燃、易爆介质，低温工况条件下的具体施工中，尚有许多问题值得探讨及研究。一、前言LNG工程：天然气净化液化处理工程建设单位：中原石油勘探局工程建设总公司初步设计：法国SOFREGAZ公司最终设计：洛阳石油化工工程公司生产产品：液态甲烷最低设计温度：-162℃生产规模：15×104Nm3/d，国内最大2/6/20233第一页二、主要焊接工作量及工程难点不锈钢焊口共5672道，规格如下：公称直径DN15-150，壁厚δ=3.5-5；另有φ356×6放空线长500余米。

1、主要工程量低温工况，管道不允许进水，死口焊接时通常采用的水溶纸氩气内保护技术被否定，是施工中的最大难题.2、工程难点-162℃低温介质，易燃、易爆，系统安全性要求更高，焊道及HAZ必须具有较高的低温冲击韧性。2/6/20234第一页三、0Cr18Ni9的焊接特性及焊接要求

组织为奥氏体（A）加3-5%铁素体（F）。在焊接热的作用下，焊缝及HAZ主要显示出以下特性：

特性说明采用小的E输入，减小HAZ范围，加快焊缝及HAZ的冷却速度对不锈钢的焊接是有益的。450-850℃发生敏化腐蚀650-700℃发生σ相脆化。σ相析出，降低金属的塑性和韧性，促进晶间腐蚀发生。导热系数小，存在过热区，易造成HAZ的晶粒长大。焊缝高温停留时间长，枝晶倾向加剧导热系数小且线膨胀系数大，自由焊态下焊接变形较大。2/6/20235第一页四、焊接工艺方案及其

确定理由焊接工艺方案

焊接方法焊接材料冷却方法确定理由

焊接方法的确定及理由焊接材料化学成份的确定

冷却方法确定2/6/20236第一页焊接方法δ=3.5－5DN15-150TIGφ356×6TIG+SMAW焊接材料H00Cr21Ni10除死口外的焊口氩弧焊TGF-308L打底焊接及DN350管线打底焊A137焊条）用于DN350管线填充、盖面冷却方法水淬处理每焊接1/4焊口进行一次，层间温度≤60℃焊接工艺方案

表：2/6/20237第一页焊道内表面光洁平整、易于操作电弧集中、热影响区窄、填充焊道厚度小。低温冲击值高，几乎是手工电弧焊的2倍确定的理由1、焊接方法的确定理由选用氩弧焊的原因：2/6/20238第一页

出于安全考虑，最终确定所有管线均采用氩弧焊打底，φ356×6是放空线，压力接近常压，采用氩弧焊打底，手工电弧焊盖面工艺。焊接方法组号焊材-196℃冲击功（J）5×10×55V型焊缝区热影响区平均值1WSH00Cr21Ni1083626475717471.52WSH00Cr21Ni1061.5766574806069.43WSH00Cr21Ni10/A1376520378331.54747.34WS/DH00Cr21Ni10/A1375743.522.527.534.532.536.3低温冲击实验对比表

(均采用最小焊接电流施焊)：注：标准规定低温冲击合格平均值16J(依据HG20585-1998)2/6/20239第一页随着碳含量的降低，钢材的低温冲击韧性是增强的，因此选用超低碳焊丝。

控制F相的含量≤5%，减弱F相过多对低温韧性的影响，尽量保证焊缝组织与母材组织一致。

确定的理由2、焊接材料成份的确定理由选用H00Cr21Ni10、TGF-308L主要基于以下几点考虑：2/6/202310第一页化学成份如下表所示（均为实际使用材料成份）：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舍夫勒相图中材料的Cr、Ni当量计算：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第一页

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

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

舍夫勒相图(因不含N含夫勒相图也比较准确)

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

相图中0Cr18Ni9对应的是a点，TGF-308L对应的是b点，H00Cr21Ni10对应的是c点。其中b、c两点基本重合，且三点均处于5%F线附近。

2/6/202312第一页主要依据现行标准及我们多年

3、层间温度的确定实践经验2/6/202313第一页五、施工难题的解决

（一）低温管道氩弧焊打底内表面氧化问题的解决（二）冷却速度控制2/6/202314第一页（一）低温管道氩弧焊打底内

表面氧化问题的解决1、不锈钢氩弧焊打底内表面氧化问题的解决方法，目前普遍采用的是如下几种：（1）直接封堵法（2）自制胶皮胎具（3）自制气囊胎具（4）水溶纸法2、四种方法的局限性3、解决对策2/6/202315第一页直接封堵法焊接前用胶带密封对口间隙，只留下一次焊接的长度，焊接时边焊边撕，适用于小口径管道焊接。

封堵物焊缝氩气管2/6/202316第一页自制胶皮胎具适用于直管段预制，超过Φ100mm的各种直径焊口。用胶带密封对口间隙，施焊时边焊边撕。氩气管胶皮钢板螺栓焊缝出气孔2/6/202317第一页自制气囊胎具

适用于复杂弯管预制。8#铁丝橡胶气囊气囊注气管不锈钢管氩气管气囊连通管2/6/202318第一页

水溶纸法

该方法氩气由对口间隙处吹入，对口间隙用胶带密封，只留下焊接部位，边焊边撕，管内没有残留物，适用于各种焊口焊接。

焊缝钢管氩气管水溶纸2/6/202319第一页水溶纸法：需要水冲洗，才能除掉水溶纸。但低温管道施焊后不允许水进入管道系统。前三种方法：堵塞物或胎具无法取出焊接死口时：四种方法的局限性死口焊接情况2/6/202320第一页解决对策

引进日本TGF—308L药皮自保护焊丝焊丝外部涂有一层约0.5mm厚的药皮，焊接时药皮溶为熔渣，一部分流到打底焊道背部，起到自保护作用。打底焊道成形光滑平整当打底焊道出现缺陷返修时，很容易实现氩弧焊打底受风的影响小，焊工操作容易，很少出现夹渣现象是不锈钢现场焊接非常有前景的施工方法，也是低温管道氩弧焊接必不可少的方法。2/6/202321第一页低温实验冲击功（HG20585-1998规定合格值8J）焊材母材实验温度低温冲击值2.5×10×55V型TGF-308LOCr18Ni9-196℃焊缝HAZ区212424254468焊口背部涂CJ101焊剂方法进行了实验，渣流动性差，焊道成形困难，且用水玻璃调和的焊剂施焊后没办法清除干净，因此被否定。对涂CJ101方法进行实验TGF-308L现场焊接2/6/202322第一页（二）冷却速度控制

DN150以下管道每焊1/4焊口进行一次水淬处理，DN150以上焊口，约焊100mm进行一次水淬处理，水质采用脱盐、脱氯水。主要理由如下：冷却速度快，高温停留时间短、晶粒细密，低温冲击值高。便于操作控制，防止焊道过烧，效率高关于应力问题尚有待进一步研究.2/6/202323第一页

壁厚焊道层数焊材名称焊材规格电流性质电流电压氩气流量喷嘴直径钨极打底3.5-41H00Cr21Ni10Ф2.0直、正60-6512-148-128铈钨Ф2.4TGF-308LФ2.0直、正65-7012-14

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

8铈钨Ф2.461TGF-308LФ2.0直、正90-9512-14

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

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

焊接工艺参数(见下表）2/6/202324第一页

由以上表可看出，尽管美国ASME标准规定304材质-196℃以上温度使用时，可不进行低温冲击实验，但根据我国国情，不进行检验显然是不现实的。七、值得注意的问题1、应重视国产不锈钢材料的检验不和格法兰数不和格原因处理办法256成分合格，低温冲击实验不合格固溶处理132低温冲击实验合格，成分合格退货2/6/202325第一页2、材料尺寸的控制由于制造标准与施工标准的差异，管子与管件内径不一致，造成现场组对、焊接的困难，因此订货时应预见到并重视这一点。不锈钢的切割与坡口打磨，应注意选用专用砂轮片，可选用国