临氢不锈钢管道焊接裂纹产生原因及预防措施

化工装置临氢条件下不锈钢管道焊接后易产生裂纹,通过分析裂纹产生的原因,并采取针对性的一系列措施,能够有效的避免临氢不锈钢管道焊接裂纹的产生,从而确保工程质量。

临氢条件是指温度>250,氢分压>1.4Mpa的介质环境,化工装置经常存在到这种介质环境,临氢不锈钢管道焊缝易出现裂纹,有些裂纹在返修后还会重复出现。裂纹是一种严重的焊接缺陷,影响管道的安全使用,故需要对其产生原因进行分析,制定有效的预防措施以确保工程质量。

1临氢不锈钢管道裂纹产生的原因

1.1焊接热裂纹的产生

由于奥氏体不锈钢导热系数小,在焊接过程局部加热条件下,温度梯度较大,又因其线膨胀系数较大,在加热和冷却过程中会产生较大的应力和变形。另外,奥氏体不锈钢焊缝结晶时,脆性温度区域较宽,且树枝状结晶方向性明显,使低熔点的杂质或共晶体在晶粒处集中,从而在焊接应力作用下易产生热裂纹。

1.2应力腐蚀断裂的产生

在临氢条件下工艺管道焊缝和影响区部位的腐蚀特别严重,腐蚀的原因主要是由于H 2分解,产生HH原子,渗入金属内部,并在金属晶界部位和焊缝缺陷部位聚集,产生化学反应FeC+2H 2=CH 4+Fe,而CH 4在钢中的扩散能力很小,经长时间的积累,形成局部高压而造成微观裂纹,这些微观裂纹连接起来,便出现较大的裂纹,最终会发展成应力腐蚀断裂。

1.3晶间腐蚀裂纹的产生

450-850℃为不锈钢的敏化温度,不锈钢管道的焊接接头在450-850℃敏化温度区间时,焊接过程的快速连续加热使金属晶粒内部过饱和固溶的碳原子逐步向晶粒边缘扩散,与晶粒边缘层的铬原子结合而成碳化物(Gr.Fe)23 C 6,并沿晶界沉淀析出。由于铬原子的扩散速率比碳原子的扩散慢的多,来不及补充形成碳化物所消耗的铬,于是晶粒边缘贫铬而丧失了耐腐蚀性能,在临氢工况条件下,将产生晶间腐蚀,从而产生晶间腐蚀裂纹。

2临氢不锈钢管道裂纹的预防措施

2.1严格对原材料金属成分进行检验确认

通过降低临氢不锈钢管道焊缝金属中的碳含量,使其低于其在奥氏体钢中室温附近的溶解极限,极大的减少碳的析出及(Gr.Fe)23 C 6的形成,最大限度的减少贫铬区的出现,可以有效的预防晶间腐蚀的出现。同时,严格限制非金属磷、硫、硼的含量,增加与碳形成稳定碳化物的钛、铌及促使钢中产生铁素体的金属元素钼、钒,使焊缝成为铁素体-奥氏体的双向组织,以使铁素体溶解硫、磷等微量元素,最大范围的降低氢气在钢中反应生成CH 4后在非金属部位聚集的空间,可以有效的避免氢腐蚀及焊接热裂纹的出现。故必须严格对原材料进行检验和验收,使用全定量和半定量光谱对进场材料进行复验,保证临氢不锈钢管道材质符合要求。

2.2制定合理的焊接工艺

2.2.1焊接方法的选择

现场焊接采用手工钨极氩弧焊打底,手工电弧焊盖面的方法,对局部多次出现裂纹部位采用全氩的方法进行焊接。手工电弧焊采用较低的焊接线能量,并进行多层多道焊。

2.2.2坡口形式的选择

对于薄壁临氢不锈钢管道坡口采用V型坡口。

对于厚壁的临氢不锈钢管道坡口形式尽量采用U+V型组合坡口;尽可能减少焊接过程中熔敷金属量,使焊接熔池输入的热量减小,缩短焊接接头在敏化温度450-850℃区间停留的时间,减少敏化温度对焊接接头的影响。

2.2.3焊接材料的选择

选用含钼、钛、铌、钽元素的焊接材料,这些元素比铬更容易与碳结合,可消除晶界的贫铬区减少产生晶间腐蚀的倾向;选用超低碳的碱性焊条,降低碳在焊缝熔敷金属中的含量,减少形成碳化铬的几率,提高焊缝的抗晶间腐蚀能力。

2.2.4焊接工艺参数的选择

为防止焊接接头过热,减少焊缝热裂纹倾向,同时提高接头抗腐蚀性,焊接过程中选用小电流、快速焊、多层多道焊、尽量不做横向摆动,多层焊时要严格控制层间温度应<150℃,必要时可采用强制冷措施,以避免焊缝过热而引起严重的变形和产生晶间腐蚀,全程使用红外线测温仪对层间温度进行监控。

2.3临氢TP321不锈钢管道的稳定化热处理

临氢不锈钢管道焊接后,将其加热到900±25℃,并保温1-4小时后再空气中快速冷却,使碳与钛生成更稳定的碳化物,降低碳的活性,同时把铬从碳化物中释放出来,使铬在此温度下,有足够时间向贫铬区进行扩散,使晶界的铬均匀分布,消除贫铬区的出现,避免腐蚀倾向。

3结束语

实践证明,临氢不锈钢管道通过严格控制原材料成分,合理的选择焊接工艺参数以及采取合理的稳定化热处理工艺,能够有效的避免临氢不锈钢管道的裂纹问题,确保工程质量和装置的安全运行。

文章作者:不锈钢管|大口径不锈钢管|不锈钢厚壁管|大口径厚壁钢管|厚壁不锈钢管

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