浅谈石化装置 TP347 材质管道焊后热处理的可行性与焊缝裂纹的防治

袁迪 邓实 魏占东

中国石油天然气第七建设有限公司 山东青岛 266000

摘要：对于TP347材质不锈钢，在焊接和热处理过程中均会产生裂纹，以华北石化16万标立方/小时制氢装置转化炉炉管为例，浅谈石化装置现场施工过程中TP347不锈钢管道焊后热处理的可行性与焊缝裂纹的防治。

关键词：TP347 裂纹 热处理

前言

现阶段，不锈钢材质的焊后热处理仍处于一个有争议的阶段，在施工过程中TP347材质管道焊缝经过稳定化热处理后，部分焊缝会岀现裂纹且裂纹随壁厚的增加成俞加严重的趋势。本文通过对裂纹特性的总结和材料力学性能的试验，分析了裂纹产生的原因。同时，在现场对TP347管线焊缝进行热处理施工，简要分析TP347材质不锈钢稳定化处理存在的弊端。对炼油化工装置施工过程中TP347不锈钢焊接裂纹的产生提出几点预防性建议。

1 TP347不锈钢焊后热处理的目的

1.1防止应力腐蚀

石化工程中典型的奥氏体不锈钢应力腐蚀是连多硫酸应力腐蚀。炼油厂在处理含硫化物的原油时，钢材表面形成硫化铁，这层硫化铁在停工期间与水和空气中的氧发生反应生成连多硫酸。连多硫酸应力腐蚀开裂，通常在装置开、停车或者有壁气和湿度存在的条件下运行时发生，开裂在敏化的奥氏体不锈钢上发生。焊后热处理消除应力是防止应力腐蚀的有效方法之一，但奥氏体不锈钢的消除应力温度需尽量避免与敏化温度重合。因此消应力热处理温度选择与稳定化处理温度相同，热处理过程中尽量减少在敏化温度停留时间，这样既消除了应力又防止了晶间敏化，可有效防止连多硫酸的应力腐蚀。

1.2 防止晶间腐蚀

TP347奥氏体不锈钢的焊缝区不会发生晶间腐蚀。熔合区会发生晶间腐蚀，因为焊接前母材中没有Cr₂₃C₆，而TiC或NbC是游离状态，焊接时，紧靠熔合区的高温部分（1200℃以上）母材中TiC、NbC固溶，若焊接接头处于敏化温度区间，过饱和的C在晶界析出加上Ti、Nb、Cr无法扩散，C优先与晶界的Cr形成Cr₂₃C₆，最终造成晶界贫Cr。当介质有腐蚀性则会发生晶间腐蚀。因此发生晶间腐蚀的条件是：焊接接头工作温度在敏化温度区间，介质有腐蚀性。对焊接接头进行稳定化处理，使Ti、Nb元素重新析出，形成TiC或NbC，从而避免在晶界贫铬敏化。

2 TP347材质焊接裂纹产生的原因及分析

根据广西石化及云南石化等多套制氢转化炉TP347材质炉管焊道及母材开裂案例，并收集相应工程的焊接资料，组织专家讨论和焊接分析，得出以下焊接裂纹产生的原因：

（1）通过裂纹产生位置、裂纹的形式和产生裂纹的焊缝壁厚特征分析，裂纹的产生是由于应力集中。因为奥氏体不锈钢具有导热系数小和线膨胀系数大的特点，在焊接过程中，因焊缝的局部加热和冷却，形成较大的拉应力，而且管线壁厚越大，产生的应力越大，而焊缝的道间熔合区是产生应力集中的部位。特别是当道间熔合不好，或者焊缝表面比较粗糙的情况下，就俞发产生了应力集中；

（2）焊缝金属中的铁素体转化成σ相是脆化的原因，导致低韧性的焊缝承受高应力造成应力释放开裂；

（3）焊缝部位突变处（即焊接出的焊缝余高、咬边等）的应力集中，致使裂纹倾向增大；

（4）焊缝残余应力加速σ相的形成，焊缝返修则加剧了该问题的产生；

（5）焊接过程中的低熔点夹杂物在高温工况下气化，体积增大数倍，产生应力，致使裂纹；

（6）管线支撑方式存在应力，是造成管线失效的原因之一；

（7）针对稳定化热处理后裂纹加剧这一特性，分析其原因可能是热处理过程再次升温，内外温差不均导致应力进一步增大。为了验证这个推测，在现场进行了实际热处理操作。严格按照TP347不锈钢热处理施工工艺，采用电加热的加热方法，升温到890℃，恒温4h，对华北石化制氢转化炉TP347炉管焊缝试件进行稳定化热处理试验，在管内外6点和12点方向分别放置四支热电偶，外部加热，管端封堵后，通电热处理。通过试件的热处理曲线图中可以得到以下数据：在300～890℃缓慢升温的过程中，焊缝外表面和内表面温差始终保持在100～150℃左右，且内侧恒温温度仅能达到780～800℃。由此可见，内外温差的不均衡导致焊缝应力增大，从而加剧了因应力集中产生焊接裂纹的倾向。

3 防止焊接裂纹产生的措施

分析上述易产生裂纹情况的因素，结合现场施工，制定出以下焊接控制措施：

（1）焊接方法的更新

将传统的氩电联焊（即钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊盖面）改为全氩焊，优点如下：由于钨极氩弧焊的保护方式为气体保护，无焊熔渣产生，避免了焊缝中的低熔点夹杂物产生裂纹的可能性；钨极氩弧焊热量集中，保护气氩气有冷却作用，因此焊缝热影响区窄，焊件变形小，减小由于热膨胀产生焊接应力；氩弧焊电弧集中，电弧稳定性好，即使在低电流下也能稳定燃烧，从而减少焊接热输入。

（2）焊接工艺的验证

焊接施工是质量控制的关键工序，无法采用检测手段来检验产品的性能，只能使用破坏性试验进行验证。因此在炉管施工前采用编制好的焊接工艺制作焊接产品试件，并对该试件进行一系列的力学性能试验及敏化试验，确保按照所制定的焊接工艺施工能够得到优质合格的焊缝。

（3）焊接过程的控制

在焊接过程中，按所制定的焊接工艺进行严格控制，控制措施如下：

应业主要求，监理单位对每道焊口进行旁站检查，确保焊接过程按照焊接工艺进行；焊接前使用钳形万用表对焊机电流进行校验，测出焊机显示电流与焊枪处的偏差值，确保焊接参数与所制定的焊接工艺一致；焊接过程中对道间温度进行监控，控制焊接道间温度低于80℃，减少焊接热输入。

（4）焊接后的处理与检测

焊接后，对焊道的余高进行打磨处理，使焊缝与母材平齐，减少焊缝表面张力的应力集中。最终在常规的射线检测的基础上增加硬度检测和铁素体检测，控制铁素体含量减少σ相的转换，得到高韧性的焊缝。

（5）应力校核确定

应华北石化要求，设计单位对转化炉炉管应力重新进行校验，通过模拟试验确定各支吊架位置及受理状态，从而保证生产过程中炉管处于“低应力”状态。

结 论

1. 由于不锈钢的焊后热处理存在很多问题，如现场操作困难不易达到所期望的效果，焊缝会形成σ脆性相，热影响区部分母材暴露在敏化温度，有再热裂纹倾向等，是否需要进行热处理需要充分论证。根据德国BASF公司的经验，TP347不锈钢在500℃以下使用可以不进行稳定化热处理。国内神华集团经过多个工程的调研，也认为TP347不锈钢在500℃以下使用可以不进行稳定化热处理；

（2）由试验结果可知，通过对TP347奥氏体不锈钢焊接过程中进行严格的质量控制，而不进行稳定化热处理的焊缝接头均能满足材料的性能要求；

（3）设计单位和施工单位可根据材料的应用性能、施工效率、施工成本及操作温度等多方面的实际要求综合考虑确定TP347钢的焊后热处理工艺；

（4）当决定不锈钢需要进行焊后热处理时，对于析出稳定化元素，只要在均温区温度能够达到稳定化温度就可以，但是由于加热温度高，不锈钢材质传热慢，现场操作难度很大，所以必须从热处理准备到热处理工艺选择出发，根据相关标准及设计要求精心严格管控。

参考文献

【1】SH/T 3523-2009 石油化工铬镍不锈钢、铁镍合金和镍合金焊接规程

【2】SH/T 3554-2013 石油化工钢制管道焊接热处理规范

作者简介：袁迪，男，2010年毕业于辽宁石油化工大学材料成型专业，现在中国石油工程建设公司七建分公司从事施工技术管理工作，工程师。

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