CN110883504A - 一种焊接及稳定化热处理钢管的方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种焊接及稳定化热处理钢管的方法，钢管含有稳定化元素，稳定化元素包括铌和/或钛，钢管的壁厚为30～100mm，该方法包括如下步骤：S1，将钢管进行第一焊接得到具有第一焊接连接部的第一焊后钢管，第一焊接连接部的高度为钢管的壁厚的40～60％；S2，对第一焊后钢管进行第一缺陷检测，然后进行第一稳定化热处理，得到第一热处理钢管；S3，将第一热处理钢管进行第二焊接得到具有附加在第一焊接连接部上的第二焊接连接部的第二焊后钢管；第一焊接连接部与第二焊接连接部的高度之和等于或大于钢管的壁厚；S4，对第二焊后钢管进行第二缺陷检测，然后进行第二稳定化热处理，得到第二焊后钢管。该方法能够提高厚壁钢管焊接质量、减少裂纹。
Description
技术领域
本公开涉及石油化工、煤化工等应用的压力容器及其管道焊接领域，特别涉及一种焊接及稳定化热处理钢管的方法。
背景技术
随着国内加工的高硫和高酸原油越来越多，以及对清洁能源的需求越来越大，炼油和煤化工装置大量上马，其中加氢装置使用了大量含钛、铌等稳定化元素的奥氏体不锈钢，包括321、321H、347、347H、316Ti等型号的不锈钢管。由于介质原因，一般工程公司都规定焊后进行稳定化热处理，但是管道焊接和热处理都是在是在炼厂施工现场实施，稳定化热处理温度在900℃左右，热处理时只能在外侧加热，内部无法加热，造成内外温差经常在100℃左右，对于厚壁管道，这就如同人为施加了很大的温差应力，再热裂纹是奥氏体不锈钢在高温操作时容易出现的一种缺陷，其中应力是一个巨大诱因，可以说，现场实施的厚度超过50mm的管道稳定化热处理出现裂纹，绝大部分原因就是这个。
专利CN101564802B提供了一种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方法，但对于特厚管道焊接，由于在现场焊接，所有焊接工作完成以后再进行热处理，拘束度仍然很大，按照这种方法，在近几年的炼油加氢项目，在很多炼厂仍然出现裂纹。
发明内容
本公开的目的是提供一种焊接及稳定化热处理钢管的方法，该方法能够有效规避再热裂纹产生。
为了实现上述目的，本公开提供一种焊接及稳定化热处理钢管的方法，所述钢管含有稳定化元素，所述稳定化元素包括铌和/或钛，所述钢管的壁厚为30～100mm，该方法包括如下步骤：S1，将所述钢管进行第一焊接得到具有第一焊接连接部的第一焊后钢管，所述第一焊接连接部的高度为所述钢管的壁厚的40～60％；S2，对所述第一焊后钢管进行第一缺陷检测，然后进行第一稳定化热处理，得到第一热处理钢管；S3，将所述第一热处理钢管进行第二焊接得到具有附加在所述第一焊接连接部上的第二焊接连接部的第二焊后钢管；所述第一焊接连接部的高度与所述第二焊接连接部的高度之和等于或大于所述钢管的壁厚；S4，对所述第二焊后钢管进行第二缺陷检测，然后进行第二稳定化热处理，得到第二焊后钢管。
可选地，所述第一稳定化热处理的条件包括：温度为890～920℃，时间为60～120min，加热方式为中频加热或电加热。
可选地，所述第二稳定化热处理的条件包括：温度为890～920℃，时间为60～120min，加热方式为中频加热或电加热。
可选地，所述第一缺陷检测和第二缺陷检测各自独立地包括超声波衍射时差检测和/或表面渗透检测。
可选地，所述第一焊接包括打底焊接和焊条焊接，所述打底焊为氩弧焊，所述打底焊的焊接高度为4～10mm；所述第二焊接包括焊条焊接。
可选地，所述焊条焊接的焊条直径为1.6～3.2mm。
可选地，在步骤S1之前在所述钢管上形成坡口；所述第一焊接连接部和所述第二焊接连接部分别焊接连接于所述坡口处；所述坡口包括X形坡口、U型坡口、V型坡口、窄间隙坡口中的一种。
可选地，所述坡口的根部形成为圆角，所述圆角的半径为5～10mm。
可选地，所述钢管包括321不锈钢管、321H不锈钢管、347不锈钢管、347H不锈钢管和316Ti不锈钢管中的至少一种。
可选地，采用GB/T 10561-2005标准测定的所述钢管中夹杂物含量满足：A类夹杂物、B类夹杂物、C类夹杂物和D类夹杂物的粗系和细系含量各自不超过1.5级，DS类夹杂物的含量不超过2.5级，且A类夹杂物、B类夹杂物、C类夹杂物和D类夹杂物的粗系含量之和不超过4.0级，A类夹杂物、B类夹杂物、C类夹杂物和D类夹杂物的细系含量之和不超过4.0级。
通过上述技术方案，本公开的方法通过在焊接高度达到壁厚的40～60％时，增加一次稳定化热处理的过程，由此将厚壁钢管的焊接过程分为至少两个焊接步骤，并在每个焊接步骤后都进行稳定化热处理过程，能够减少由于热处理造成的应力集中和产生再热裂纹，提高了厚壁钢管焊接的稳定性，减少了裂纹返修，该方法稳定可靠，且经济性高。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
本公开第一方面提供一种焊接及稳定化热处理钢管的方法，钢管含有稳定化元素，稳定化元素包括铌和/或钛，钢管的壁厚为30～100mm，该方法包括如下步骤：S1，将钢管进行第一焊接得到具有第一焊接连接部的第一焊后钢管，第一焊接连接部的高度为钢管的壁厚的40～60％；S2，对第一焊后钢管进行第一缺陷检测，然后进行第一稳定化热处理，得到第一热处理钢管；S3，将第一热处理钢管进行第二焊接得到具有附加在第一焊接连接部上的第二焊接连接部的第二焊后钢管；第一焊接连接部的高度与第二焊接连接部的高度之和等于或大于钢管的壁厚；S4，对第二焊后钢管进行第二缺陷检测，然后进行第二稳定化热处理，得到第二焊后钢管。
本公开的发明人发现，在对厚壁钢管进行焊接时，通过在焊接高度达到壁厚的40～60％时，增加一次稳定化热处理的过程，然后继续焊接直至完成再进行稳定化热处理，能够将由于热处理造成的再热裂纹的产生降低到最小程度，由于分步焊接及热处理过程中焊接高度控制在适当范围内，所以能够有效控制应力集中情况的发生，从而减少了再热裂纹的生成。该方法能够对厚壁钢管，尤其是壁厚达到50mm以上的钢管进行可靠而稳定的焊接，避免了厚壁钢管焊接中产生裂纹，极大地提高了厚壁钢管的焊接质量也减少了裂纹返修所耗费的时间和成本。
根据本公开，第一焊接连接部和第二焊接连接部分别指焊料在焊缝处形成的连接待焊钢管的焊接部分。其中，焊接连接部的高度是指在钢管的壁厚方向上，焊接连接部的长度，在本公开中，第一焊接连接部是指靠近钢管内表面的焊接部分，第二焊接连接部沿钢管壁厚方向(即第一焊接连接部的高度方向)焊接于上述第一焊接连接部上，且相对靠近钢管的外壁一侧，第一焊接连接部和第二焊接连接部的高度之和可以大于或等于钢管的壁厚，以完成厚壁钢管的整个焊接过程。
根据本公开，稳定化热处理为本领域技术人员所熟知的，即为避免碳与铬形成高铬碳化物,在奥氏体钢中加入稳定化元素(如Ti和Nb)，在加热到875℃以上温度时，能形成稳定的碳化物(由于Ti和Nb能优先与碳结合，形成TiC或NbC)，大大降低了奥氏体中固溶碳的浓度，从而提高铬在奥氏体中的稳定性，避免从晶界析出，确保材料的耐腐蚀性。稳定化热处理可以采用本领域的常规方法。进行第一稳定化热处理和第二稳定化热处理的方法和条件可以相同或不同，优选相同。
为了进一步防止稳定化热处理过程中再热裂纹的产生，优选地，第一稳定化热处理的条件可以包括：温度为890～920℃，更优选为900～920℃，时间为60～120min，更优选为90～120min，加热方式为中频加热或电加热，优选为中频加热。优选地，第二稳定化热处理的条件可以包括：温度为890～920℃，优选为900～920℃，时间为60～120min，优选为90～120min，加热方式为中频加热或电加热，优选为中频加热。
根据本公开，稳定化热处理后进行缺陷检测能够检测处理过程中是否产生裂纹等缺陷，确保焊件质量，在本公开中，进行第一缺陷检测和第二缺陷检测的方法可以为本领域常规的，例如包括荧光检验、着色检验、磁粉检验、超声波检验、X射线检验中的至少一种，进一步优选地，第一缺陷检测和第二缺陷检测检验各自独立地包括超声波衍射时差检测和/或表面渗透检测，采用上述优选的方法检测精度高，且绿色环保、对环境无污染。
根据本公开，进行第一焊接和第二焊接的具体操作方法可以为常规方法，例如采用单面焊双面成型，进一步优选地，为了提高焊接质量，第一焊接可以包括打底焊接和焊条焊接，打底焊接优选采用氩弧焊，以确保第一焊接形成的第一焊接连接部的成型质量。进一步地，为了确保焊缝底部焊接成型的均匀性，打底焊的焊接高度优选为4～10mm，进一步优选为5～8mm，其中打底焊接的高度是指打底焊形成的焊接连接部在钢管壁厚方向上的长度。进一步地，第二焊接可以包括焊条焊接，焊条焊接的焊条直径优选为1.6～3.2mm，进一步优选为2.4～3.2mm，以保证第一焊接连接部的焊接均匀性和焊件的质量。
根据本公开，为了提高焊接质量，保证焊接处焊透，优选地，在步骤S1之前可以在钢管上形成坡口；第一焊接连接部和第二焊接连接部可以分别焊接连接于坡口处；坡口可以包括X形坡口、U型坡口或V型坡口，坡口可以包括常规间隙坡口或窄间隙坡口，其中窄间隙坡口的含义为本领域熟知的，可以包括具有极小坡口面角度(0.50°～70°)的V形、U形或I形坡口。优选地，坡口的根部可以形成为圆角，以便于增大坡口根部空间，便于焊透，圆角的半径可以为2～10mm，优选为5～10mm。
根据本公开，待焊的钢管可以为含有稳定化元素的钢管，优选为321不锈钢管、321H不锈钢管、347不锈钢管、347H不锈钢管和316Ti不锈钢管中的至少一种。
本公开的发明人在进一步的研究中发现，通过对待焊的钢管中的夹杂物的含量进行特别的限定，能够进一步提高焊接质量，减少焊接连接部裂纹的产生，具体地，采用GB/T10561-2005标准测定的钢管中夹杂物含量优选满足：A类夹杂物、B类夹杂物、C类夹杂物和D类夹杂物的粗系和细系含量各自不超过1.5级，DS类夹杂物的含量不超过2.5级，且A类夹杂物、B类夹杂物、C类夹杂物和D类夹杂物的粗系含量之和不超过4.0级，A类夹杂物、B类夹杂物、C类夹杂物和D类夹杂物的细系含量之和不超过4.0级。满足上述优选的夹杂物含量范围时，本公开的方法对厚壁钢管的焊接质量进一步提高，能够确保焊接及稳定化热处理后不产生再热裂纹。
以下通过实施例进一步说明本公开，但是本公开并不因此而受到任何限制。
实施例1
一种厚壁钢管，材料347，规格为Φ457×55，设计温度为450℃，
实测夹杂物含量级别，A类(硫化物类)粗细分别为：1.0、0.8，B类(氧化铝类)粗细分别为：0.8、0.6、C类(硅酸盐类)粗细分别为：0.8、0.7、D类(球状氧化物类)粗细分别为：0.6、0.5，A、B、C、D类粗、细系列之和分别为：3.2、2.6，DS类(单颗粒球状类)为1.8。
打底焊高度6mm，焊条直径Ф3.2mm。
焊到第一焊接连接部高度26.5mm时，实施TOFD检查和PT检查，按照920℃、2小时进行第一稳定化热处理，加热方式为中频加热，两侧适当保温、控制升温速度在60～100℃/h、保温、降温、控制冷却速度在80～100℃/h；
继续焊接直至完成，第一焊接连接部和第二焊接连接部的总高度为55mm，实施TOFD检查和PT检查，按照920℃、2小时进行第二稳定化热处理，加热方式为中频加热，两侧适当保温、控制升温速度、保温、降温、控制冷却速度；
实施TOFD检查和PT检查，均无发现裂纹。
实施例2
采用实施例1的材料和方法，所不同的是，第一稳定化热处理的条件包括：温度为860℃，时间为6小时，加热方式为电加热，过程结束后，实施TOFD检查和PT检查，发现3条裂纹。
实施例3
采用实施例1的材料和方法，所不同的是，打底焊的焊接高度为3mm，过程结束后，实施TOFD检查和PT检查，发现2条裂纹。
实施例4
采用实施例1的材料和方法，所不同的是，待焊件为Φ457×55厚壁钢管，材料316Ti，设计温度为450℃，
实测夹杂物含量级别，A类(硫化物类)粗细分别为：2.5、3.0，B类(氧化铝类)粗细分别为：3.2、3.3，C类(硅酸盐类)粗细分别为：3.5、3.2、D类(球状氧化物类)粗细分别为：3.0、3.6，A、B、C、D类粗、细系列之和分别为：12.2、13.1，DS类(单颗粒球状类)为5.0。过程结束后，实施TOFD检查和PT检查，发现2条裂纹。
对比例1
采用实施例1的材料和方法，所不同的是，一次性焊接至焊接连接部的高度为55mm，不包括第一稳定化热处理，只在焊接完成后进行第二稳定化热处理，加热方式为中频加热。实施TOFD检查和PT检查，发现10条裂纹。
对比例2
采用实施例1的材料和方法，所不同的是，第一焊接连接部的高度为40mm。所有焊接和稳定化热处理过程结束后，实施TOFD检查和PT检查，发现7条裂纹。
对比例3
采用实施例1的材料和方法，所不同的是，第一焊接连接部的高度为20mm。所有焊接和稳定化热处理过程结束后，实施TOFD检查和PT检查，发现5条裂纹。
由实施例1～4和对比例1～3对比可知，本公开的方法能够有效地提高厚壁钢管的焊接质量，减少再热裂纹。从实施例1与实施例2～4对比可知，通过限定打底焊的高度。待焊钢管中夹杂物的含量以及限定第一稳定化热处理的条件，能够进一步提高厚壁钢管的焊接质量。
以上详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。
Claims (10)
1.一种焊接及稳定化热处理钢管的方法，所述钢管含有稳定化元素，所述稳定化元素包括铌和/或钛，其特征在于，所述钢管的壁厚为30～100mm，该方法包括如下步骤：
S1，将所述钢管进行第一焊接得到具有第一焊接连接部的第一焊后钢管，所述第一焊接连接部的高度为所述钢管的壁厚的40～60％；
S2，对所述第一焊后钢管进行第一缺陷检测，然后进行第一稳定化热处理，得到第一热处理钢管；
S3，将所述第一热处理钢管进行第二焊接得到具有附加在所述第一焊接连接部上的第二焊接连接部的第二焊后钢管；所述第一焊接连接部的高度与所述第二焊接连接部的高度之和等于或大于所述钢管的壁厚；
S4，对所述第二焊后钢管进行第二缺陷检测，然后进行第二稳定化热处理，得到第二焊后钢管。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一稳定化热处理的条件包括：温度为890～920℃，时间为60～120min，加热方式为中频加热或电加热。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二稳定化热处理的条件包括：温度为890～920℃，时间为60～120min，加热方式为中频加热或电加热。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一缺陷检测和第二缺陷检测各自独立地包括超声波衍射时差检测和/或表面渗透检测。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一焊接包括打底焊接和焊条焊接，所述打底焊为氩弧焊，所述打底焊的焊接高度为4～10mm；所述第二焊接包括焊条焊接。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述焊条焊接的焊条直径为1.6～3.2mm。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括：在步骤S1之前在所述钢管上形成坡口；所述第一焊接连接部和所述第二焊接连接部分别焊接连接于所述坡口处；
所述坡口包括X形坡口、U型坡口、V型坡口、窄间隙坡口中的一种。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述坡口的根部形成为圆角，所述圆角的半径为5～10mm。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述钢管包括321不锈钢管、321H不锈钢管、347不锈钢管、347H不锈钢管和316Ti不锈钢管中的至少一种。
10.根据权利要求1或9所述的方法，其中，采用GB/T 10561-2005标准测定的所述钢管中夹杂物含量满足：A类夹杂物、B类夹杂物、C类夹杂物和D类夹杂物的粗系和细系含量各自不超过1.5级，DS类夹杂物的含量不超过2.5级，且A类夹杂物、B类夹杂物、C类夹杂物和D类夹杂物的粗系含量之和不超过4.0级，A类夹杂物、B类夹杂物、C类夹杂物和D类夹杂物的细系含量之和不超过4.0级。
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