尿素级不锈钢(25Cr22Ni2MoN)管道(1)

尿素级不锈钢(25Cr22Ni2MoN)管道(1) 尿素级不锈钢(25Cr22Ni2MoN)管道 焊接方法初探 安装二公司 李静国 摘要:本文以海南化肥项目尿素装置的尿素级不锈钢,25Cr22Ni2MoN,管道焊接施工为例～简要介 绍了尿素级不锈钢材料的技术要求及选用、焊接特点及注意事项、焊接方法的选择及工艺参数的确 定等～并通过焊接工艺试验和评定～以及尿素装置焊接施工实践的结果～证明此次尿素级不锈钢的 焊接是成功的。 关键词:尿素级不锈钢,铁素体,焊接,休氏试验 1 前言 中海石油海南化肥项目由2700t/d尿素和1700t/d合成氨两套装置组成，其中尿素装置中的介质有甲胺液、尿液等强腐蚀性物质，这些物质对材料的腐蚀主要 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现为整体腐蚀和选择性腐蚀，因此对母材和焊缝质量及焊缝铁素体的含量控制要求很高，要求铁素体含量?0.6%。 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 选用材料为尿素级不锈钢(25Cr22Ni2MoN，以下简称25.22.2)。这就涉及到尿素级不锈钢的焊接，需要进行焊接工艺试验和评定。 2 材料的技术要求及选用 2.1母材技术要求及选用 2.1.1材料必须能耐强腐蚀介质甲胺液、尿液的腐蚀要求，腐蚀能通过休氏试验进行评定; (1)2.1.2实践证明,材料在含碳量小于0.030%时,就可以防止因析出碳化铬而造成的晶间腐蚀;当含钼(Mo)2%,3%时，能比较明显地改善其在各类酸中的耐腐蚀性能;铬(Cr)的含量只有在?12.0%时才能有效抵抗腐蚀和提高材料在高温环境下的使用性能;而硫、磷(S、P)的含量在?0.03%时，可有效控制热裂纹。因此，材料的化学成分应限制在表1的规定值内: 表1 母材化学成分的限定范围 元素 C Cr Ni Mo S P 其他 含量(%) ?0.030 ?12.0 ?17.0 ?2.0 ?0.030 ?0.030 ?0.20 2.1.3其中奥氏体形成元素(Ni、C、N、Mn)和铁素体形成元素(Cr、Mo、Si)的平衡应最终为全部奥氏体组织，使得铁素体含量?0.6%。 2.1.4根据强腐蚀性介质甲胺液、尿液的使用要求，设计选用25.22.2作为母材。此次焊接工艺试验及评定选用的母材尺寸为:Ø219.1×12.7，其化学成分见表2: 表2 25Cr22Ni2MoN钢化学成分 元素 C Cr Ni Mo Si Mn S P N 含量% 0.011 24.69 22.19 2.1 0.35 1.69 0.001 0.013 0.123 2.2焊材的技术要求及选用 第 1 页 共 9 页 2.2.1焊材的熔敷金属应满足母材的所有技术要求 根据以上要求，并考虑合金元素的烧损以及焊缝冷却方式的复杂性，为了控制焊后焊缝熔敷金属的铁素体含量，必须使奥氏体等温转变C-曲线右移。由于合金元素含量越高，特别是Ni含量的提高，可使奥氏体等温转变C-曲线右移，使奥氏体组织更加稳定，在焊缝冷却过程中，奥氏体组织转变成铁素体组织的几率降低。所以我们选择与母材合金含量相应的焊材，焊丝选用25.22.2LMN，焊条选用25.22.2LMNB。其化学成分见表3、表4。 表3 焊丝25.22.2LMN化学成分 元素 C Cr Ni Mo Si Mn S Cu Co P N 含量% 0.01 24.9 21.86 2.04 0.1 4.41 0.0009 0.044 0.019 0.011 0.125 表4 焊条25.22.2LMNB化学成分 元素 C Cr Ni Mo Si Mn S Cu Co P N 含量% 0.01 24.8 21.9 2.06 0.1 4.2 0.001 0.046 0.02 0.01 0.13 3 焊接性分析 3.1防止渗碳而降低抗腐蚀性 室温下碳元素在奥氏体中的溶解度约为0.02%,0.03%，当奥氏体碳含量超过它在室温的溶解度时，碳就不断地向奥氏体晶粒边界扩散，并和铬结合，析出碳化铬CrC，造成奥氏体边界贫铬，236 在腐蚀介质作用下，即可能产生晶间腐蚀，从而降低了抗腐蚀性。 因此，必须严格控制碳的来源。焊接时，由于高温作用，焊件及焊材表面的油污均可能产生大量的碳而渗入到焊缝中，故焊前必须进行严格的除油污工作，采用丙酮去油污。焊接过程中，必须用专用的碳化硅砂轮片进行打磨。 3.2防止焊接热裂纹 热裂纹是奥氏体不锈钢焊接时比较容易产生的一种缺陷，特别是单相奥氏体不锈钢更易产生。奥氏体产生热裂纹的倾向要比低碳钢大得多，因为它们易在熔池中形成低熔点共晶。硫和镍形成NiS，熔点为645?，共晶的熔点只有625?。因此，必须严格控制焊件及焊材中硫、磷等的含量。32 选用合格的焊丝和焊条，注意保证其清洁度是有效控制硫、磷含量的办法。 3.3控制铁素体含量 对于甲胺液、尿液等强腐蚀介质来说，一旦母材选定，其主要表现应是选择性腐蚀了，而铁素体组织的存在有利于选择性腐蚀的发展，所以纯奥氏体组织抗甲胺液、尿液的腐蚀性能最好，故应严格控制铁素体含量。 因此应严禁将尿素级不锈钢焊件、焊材与碳钢接触;由于不锈钢材料的电阻较大，焊接时应采用较小的焊接线能量，并控制层间温度不得超过149?;减少焊接过程高温停留时间，避免奥氏体连 第 2 页 共 9 页 续冷却C-曲线与奥氏体等温转变C-曲线相交，保证焊缝熔敷金属最终为全部的均匀的奥氏体组织。 (2)经实验，焊接线能量一般应小于25KJ/cm。这主要是根据奥氏体连续冷却C-曲线与奥氏体等温转变C-曲线相交而判定的。图1中，奥氏体连续冷却C-曲线1为较小焊接线能量所获得的曲线，而奥氏体连续冷却C-曲线2为过大焊接线能量所获得的曲线。 等温转变C-曲线 温度 连续冷却C-曲线2 铁素体区 连续冷却C-曲线1 时间 图1 奥氏体转变C-曲线图 从上图可以看出，当焊接线能量加大时，焊缝冷却时间加长，奥氏体连续冷却 C-曲线右移，在 奥氏体连续冷却C-曲线未与奥氏体等温转变C-曲线相交之前，焊缝熔敷金属最终为全部奥氏体组织。继续增大焊接线能量，奥氏体连续转变C-曲线继续右移，当奥氏体连续转变C-曲线碰到奥氏体等温转变C-曲线时，焊缝熔敷金属最终组织就有铁素体组织。 4 焊接工艺 4.1焊接方法的选择 由于尿素级不锈钢合金元素含量较高，所以与介质接触的一侧应采用惰性气体保护的TIG焊接方法。因为氩弧的温度高，热量集中，而且有氩气流的保护作用，所以焊缝的冷却速度较快，热影响区小，应力小，合金元素的烧损也较少，故能避免奥氏体连续冷却C-曲线与奥氏体等温转变C-曲线相交。采用电弧焊时，只要选择合适的焊接工艺参数，也能获得全部的奥氏体组织。所以对于厚壁材料，为了能同时获得较高的生产效率和经济效益，采用氩弧焊打底、电焊盖面的焊接方法。 4.2坡口制作 用镗床或车床等机械方法制备坡口，如果使用了切削油，用干净的布和丙酮或类似的不含卤素的清洁剂进行擦干。当现场组对可以使用等离子电弧，需要通过打磨去除切口处2.4mm的母材。坡口形式符合KBR规范的要求，参见图2。 第 3 页 共 9 页 00?1 100 当t,22mm时改为10 0+3 30 -0 t +0 1.6?0.8mm 19mm -3 相同厚度管道对接口 0010?1 0当t,22mm时改为10 +3 030-0 t +0 19-3 mm 1.6?0.8mm 不同厚度管道对接口 斜率3:1 图2 KBR规范中坡口形式 4.3焊前准备 4.3.1焊前尿素级不锈钢管道应保持清洁、干燥，没有机油、油脂和灰尘等。清理坡口及其内外100mm范围内的油污、油脂、水质等污物，并用丙酮清洗干净;焊丝也同样的方法清洗干净。施工中应确保避免与碳钢接触。 4.3.2清理坡口、修磨焊缝等应用不锈钢丝刷、碳化硅砂轮片等不锈钢专用工具，焊条应摆放在专用烘干箱中烘干。 4.3.3管子支架、定位装置及焊接工作台应用木头或其他覆盖物，当必须与管内壁接触时，要采用25.22.2材质材料，以最大限度减少铁素体污染。 4.3.4在尿素管道预制区域附近不允许进行涂漆、喷砂以及保温工作。 4.3.5焊工应穿戴干净的劳保服、焊工手套等，以防止污染。 4.4焊接参数选择 4.4.1采用较大的线能量焊接时，晶粒易粗大，残余应力较大，同时奥氏体连续冷却C-曲线右移，会使铁素体含量增加，最终使焊接接头抗腐蚀性能降低，直接影响产品抗甲胺液、尿液的腐蚀性能，故电流选择应偏下限。 4.4.2焊接时，为了保证焊接质量，确保背面熔敷金属不被氧化，背面用氩气始终保护，打底层及 第 4 页 共 9 页 第2层的焊接均采用氩弧焊焊接方法。 4.4.3焊接过程中，应采用窄焊道、短弧焊、快速焊的方法。焊接工艺参数见表5。 表5 焊接工艺参数 焊接层焊接方电源 焊接 焊接 焊接速度氩气流量焊材牌号、规格 次 法 极性 电流(A) 电压(V) (cm/min) (L/min) 1-2 GTAW 25.22.2LMN Ø2.4 DC EN. 90-110 12-14 5-7 10-12 3 SMAW 25.22.2LMNBØ3.2 DC EP. 70-90 18-22 6-8 / 4-5 SMAW 25.22.2LMNBØ3.2 DC EP. 70-90 23-26 6-8 / 6 SMAW 25.22.2LMNBØ3.2 DC EP. 65-75 21-24 7-9 / 5 一般焊接要求 5.1禁止在母材上引弧;最大限度地减少弧长，除最后一层焊道外，禁止焊条横向摆动;氩弧焊焊接设备应包括一台高频装置和电流遥控器。气体流速要尽可能的小。焊接时使用2%的钍钨电极。只能用碳化硅砂轮磨尖钨极。 5.2用做背面保护气的胶带不得含氯。使用氩气纯度在99.95%以上，氩弧打底前应提前通氩，焊接过程中填充焊丝不可从氩气保护区域移开。如果焊丝从保护区域移开，并使其在空气中冷却，那么继续焊接前，受影响的端部应切掉。 5.3打磨和刷除用的砂轮和不锈钢钢丝刷必须专用，其只能使用于尿素级不锈钢材料上，而且以前未在其他材料上使用过。在打磨过程中尽量减少热能量，设法不使母材变色。 5.4下雨时，若无有保护措施，不可进行焊接;对SMAW而言，风速超过3.1m/s，对GTAW 超过1英里/小时，不可进行焊接。 6 焊接检验 6.1外观检查、液体渗透检查、铁素体检查和射线检测应分别在2遍打底焊和盖面焊完成后进行。管道内壁氧化程度检验应按下列程序进行:根部焊道焊接时，在直径相对的两个地方，留下6mm长不焊。用1个直径3mm的小灯从每个孔塞入，通过对面的孔从内部进行外观检查。检验后应按要求将预留孔焊好。 6.2RT检测时，大于0.8mm的机械缺陷则评为不合格。 6.3铁素体含量检查结果应小于0.6%。 6.4焊工考试时应对环焊缝试件做抛光和蚀刻，并在放大20倍的情况下做宏观试验。试件不得显示有裂纹、未焊透、未熔合或气孔等缺陷。 7 试样制取 7.1侧弯试样、拉伸试样的制取按KBR规范《P类-管道技术规范》的有关规定进行。 7.2金相试样(铁素体测定试样)制取 第 5 页 共 9 页 金相试样应包括焊缝、热影响区、母材三个区域。金相试样的制取见图3。 16 (20+hw) 图3 金相试样图 7.3休氏试样制取 由于采用了两种焊接方法，即氩弧焊打底、电焊盖面，故制取试样时应包括两种焊接方法的熔20 敷金属，另外，休氏试样应从与介质接触一侧取起，故管子应从内壁取起，这样更能检验它的耐腐蚀性能。试样的预加工应用锯、剪的方法，然后用机械刨或铣;而磨光是不允许的。预加工应使加工后的变形尽可能小，所以切削量为小于2mm，走刀量为0.10.3mm。试样的精加工应保证切削工具~ 材质为高速钢，试样最后1mm的加工量应该分别为0.6mm、0.3mm和0.1mm的刨削深度，走刀量应为 20.050.1mm，切削速率为410m/min。试样表面积为2030cm，休氏试样的制取见图4。 ~~~ 2 0 6 5 0 图4休氏试样图 8 评定结果 8.1焊接接头经100%RT检测，AB级照相质量，II级缺陷 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 检验合格。 8.2焊接工艺评定力学性能试验按KBR规范《P类-管道技术规范》的有关规定进行，检验结果均符合要求，详见表6。 第 6 页 共 9 页 表6 焊接接头机械性能试验结果 项目 б(Mpa) 断裂位置 结果 b 660 断焊缝 拉伸试样 合格 675 断焊缝 侧弯试样 / / 合格 8.3金相组织试验评定结果如下: (1)母材组织为单相奥氏体组织，沿轧制方向呈带状分布。晶粒均匀、细小，局部呈孪晶状态，晶粒度7-8级。 (2)焊缝组织为奥氏体基体+少量树枝状铁素体，经测定，铁素体含量小于0.6%。 (3)热影响区组织与母材相同，略有长大。 结论:各处均无不良组织，评定结果合格。 8.4铁素体测定结果见表7。 表7 铁素体测定结果 试验部位 标准 试验结果 母材 ?0.6% 合格 热影响区 ?0.6% 合格 焊缝 ?0.6% 合格 8.5休氏试验结果 经过五个周期，每周期48h的沸腾硝酸腐蚀试验(休氏试验)，试验结果，各种性能均合格，详见表8。 表8 沸腾硝酸腐蚀试验(休氏试验)结果 每周期腐蚀速率μm/48h 周期 1 2 3 4 5 平均 标准 <1 <1 <1 <1 <1 <1 实测 0.081 0.053 0.057 0.045 0.057 0.059 表9 选择性腐蚀试验结果(各边最大腐蚀深度μm) 位置 1 2 3 4 5 6 7 8 标准 <70 <200 <70 <200 <70 <200 <70 <200 实测 <40 <40 <40 <40 <40 <40 <40 <40 备注:1、3、5、7为垂直于母材轧制方向的部位，6、8为沿着母材轧制方向的部位，2、4为焊缝。 9 结论 9.1尿素级不锈钢25Cr22Ni2MoN焊接时，选用25.22.2LMN焊丝、 25.22.2LMNB焊条，采用氩弧焊打底，电焊盖面的焊接方法，在工艺上是可行的。 9.2尿素装置共焊接施工25.22.2材质焊口767个，所有焊缝经100%PT、RT及铁素体含量测定均一 第 7 页 共 9 页 次通过。尿素装置25.22.2管道现已试压完成90%，焊接接头未出现过问题。 参考文献 1(《工程焊接冶金学》杜则裕主编 机械工业出版社出版 1993.10 2(《化工建设工程》邱武汉 2002.5 -管道技术规范》KBR规范 3(《P类 4(《金属学与热处理》 5(《尿素高压设备制造检验方法》KBR规范 6(2700吨/日尿素装置设计采购说明书工程标准 第 8 页 共 9 页 书中横卧着整个过去的灵魂——卡莱尔 人的影响短暂而微弱，书的影响则广泛而深远——普希金 人离开了书，如同离开空气一样不能生活——科洛廖夫 书不仅是生活，而且是现在、过去和未来文化生活的源泉 ——库法耶夫 书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者———史美尔斯 书籍便是这种改造灵魂的工具。人类所需要的，是富有启发性的养料。而阅读，则正是这种养料———雨果