低合金高温高压管道焊接施工工法

青建集团股份公司企业工法 CNQC-GF18004 低合金高温高压管道焊接施工工法 Construction Method of Welding on Low-Alloyed high temperature and high pressure pipeline 2009 年 5 月 26 日发布 2009 年 6 月 1 日实施 青 建 集 团 股 份 公 司 发 选择焊接 焊前准备 管道焊接 焊后检验 焊前预热 确定焊接工艺参数 焊后热处理 合格 不合格 原因分析 返修措施 1 前言 低合金耐热钢管主要用于输送高温高压流体介质，由于受输送介质参数的影响，其长期运行的安 全性差，所以对它的焊接质量要求非常高。在施工过程中，焊接工序不同于一般碳素钢管，低合金耐 热钢管焊接工序复杂，为防止焊接后出现冷裂纹以及高温高压长期运行产生的应力裂纹，热影响区的 硬化等，需进行焊接前预热和焊后热处理。为了解决低合金耐热钢管焊接存在的问题，青岛安装建设 股份有限公司结合青岛东亿热电厂 75T/h蒸汽锅炉和青岛双星轮胎工业有限公司 135T/h蒸汽锅炉的主 蒸汽管道，研究形成了本工法。 2 工法特点 2.0.1 采用氩弧焊打底，焊条电弧焊盖面的焊接方法，增强焊接穿透力，减小焊接变形，焊缝成形美观， 焊接质量高、速度快。 2.0.2 采取合理的焊前预热、焊后热处理方法，可有效避免焊后冷裂纹及高温长期运行产生的应力裂纹， 降低热影响区的硬化。 3 适用范围 本工法适用于输送高温高压流体介质的低合金钢管道施工的焊接作业。 4 工艺原理 利用钨极氩弧焊具有良好的热影响区小、变形小、焊缝成形美观、焊接穿透力强、焊缝质量较高 及易于实现单面焊双面成形的优点进行打底焊接；利用焊条电弧焊机动、灵活，能全位置施焊、且焊 接速度和焊接成本低于钨极氩弧焊的优点，进行填充和盖面焊接。采取焊前对焊缝区域预热和焊后热 处理的方法，防止焊缝因其温度急剧升高或冷却而产生裂纹，保证施工质量和长期运行的安全。 5 工艺流程及操作流程要点 5.1 工艺流程 5.2 操作要点 5.2.1 焊接工艺参数的确定。影响焊接工艺参数确定的各种因素见表 5.2.1-1，根据以上影响因素，进 行试件模拟实验、理化试验以确定具体的焊接工艺参数，见表 5.2.1-2。 表 5.2.1-1 焊接工艺参数的影响因素 表 5.2.1-2 焊接工艺参数 焊接方法 工艺参数 GTAW SMAW 焊接材料 母材、使用性能、工艺性能、施工条件、经济效益 焊材规格 焊接厚度、焊接位置、接头形式、焊接层数 焊接电流 焊材类型、焊材直径、焊接厚度、接头形式、焊缝位置、焊接层数 电弧电压 电弧长度 焊接速度 钢材的淬硬倾向、热输入量 电源极性 焊接方法、焊接材料 喷嘴直径 保护范围 / 气体流量 保护范围、焊枪喷嘴尺寸、焊接电流 / 钨极直径 焊接电流和极性 / 钨极伸出长度 保护效果、操作性 / 焊接方 法 电源极性 喷嘴直径 气体流量 焊接材料 焊材 规格 焊接电流 电压 焊接速度 GTAW 直流正接 13～15mm 10L/min H08CrMoV φ2.5 130～140 A 13～15V 4～4.5cm/min SMAW 直流反接 / / R317 φ3.2 110～120A 20～25V 3～7cm/min 5.2.2 焊前准备包括： 1 坡口形式应按图纸规定进行加工。如无规定，坡口 的型式和尺寸应按能保证焊接质量、填充金属少、改善劳动条 件、便于操作、减少焊接应力和变形、适应探伤要求等在 60°±5°范围内选择，见图 5.2.2。 2 焊件下料，坡口制备采用机械加工方法。加工后坡口处 母材无裂纹、重皮，坡口损伤及毛刺等缺陷，坡口加工尺寸符 合要求方可进行组对。如用氧乙炔焰切割，切口部分应留有机 械加工余量，用砂轮打磨掉淬硬层及过热金属，露出金属光泽。 3 焊件在组装前应将焊口表面附近母材内、外壁的油、漆、 垢、锈等清理干净，直至发出金属光泽。清理范围为每侧不小 于 20mm。 4 对接管口端面应与管子中心线垂直，其偏斜度应符合《火力发电厂焊接技术规程》的要求。 5 焊件对口时一般应做到内壁齐平。如有错口，其错口值应不超过壁厚的 10%且不大于 1mm。 6 焊口的局部间隙过大时，应重新下料对口，严禁在间隙内加填塞物。 7 焊接组装时应将待焊工件垫置牢固，以防止在焊接和热处理过程中产生变形和附加应力。 8 除设计规定的冷拉口外，其余焊口应禁止用强力对口，更不允许利用膨胀法对口，以防引起附 加应力。 9 焊接前焊条应在 350℃下烘干，并保温 1～2小时。焊丝使用前应清除锈垢和油污。 5.2.3 焊前预热包括： 1 常用的加热方法有电加热（如电阻加热、柔性陶瓷电阻加热、远红外加热、工频感应加热、中 频感应加热）和火焰加热（如氧-乙炔、高压煤气、天然气、液化石油气等）。当管子外径大于 219mm 图 5.2.2 焊接接头示意 或壁厚大于等于 20mm时，应采用电加热进行预热，其余可以采用电加热或者火焰加热。预热升温速 度为 6250/δ（单位为℃/h，其中 δ为焊件厚度 mm）且不大于 300℃/h。具体加热方法根据现场条件确 定。 2 预热时，应使焊口两侧及内外管壁的温度均匀，防止局部过热，加热区附近应予保温，以减少 无为损失。 3 焊前预热的加热范围，以焊口中心为基础，每侧不小于壁厚的 3倍，且不小于 100mm。 4 预热参数的确定。根据不同的环境温度和壁厚采取不同的预热温度，具体见表 5.2.3。 表 5.2.3 焊前预热温度 环境温度 壁厚 mm 预热温度（℃） 0℃以上 ≥6 200-300 0℃及以下 ≥6 230-350 -10℃及以下 ＜6 100-150 6 根据加热方法，可以选用接触法或非接触法测定焊件温度。柔性陶瓷电阻加热、电阻炉加热一 般采用接触法测温；感应加热可以采用接触法测温，也可以采用非接触法测温；火焰加热一般采用非 接触法测温。接触法测温一般采用热电偶、测温笔、接触式表面温度计等；非接触法测温一般采用红 外测温仪。 7 预热完成后，焊口两侧要用无碱超细玻璃棉进行保温，厚度不小于 50mm。 5.2.4 管道焊接。管道壁厚为 8～10mm的焊口，采用氩弧打底焊一层，焊条电弧焊填充二层，焊条电 弧焊盖面一层。管道壁厚为 11～13mm的焊口，采用氩弧打底焊一层，焊条电弧焊填充三层，焊条电 弧焊盖面一层。每层由两名焊工对称同时施焊，焊完后施焊焊工应进行自检，自检合格后方可焊接次 层次焊缝。当层间需要打磨时采用角向砂轮进行打磨。层间温度不得低于预热温度，当低于预热温度 时，应重新预热。施焊时，应注意接头和收弧质量，收弧时应填满熔池。多层多道焊接头应错开。 5.2.5 焊后热处理包括： 1 焊缝热处理的加热方法与焊前预热的方法相同，具体见 5.2.3第一条。 2 焊后热处理应按规定进行，管道焊接接头的焊后热处理，一般应在焊后及时进行。 3 焊后热处理的升、降温速率应符合下列规定：焊缝热处理升、降温速度为 6250/δ（单位为℃/h， 其中 δ为焊件厚度 mm）且不大于 300℃/h。降温时，300℃以下可不控制。对主管道与接管的支管道， 应按主管道的壁厚计算焊接热处理的升、降温速度；对返修焊件其恒温时间按焊件的名义厚度计算。 4 热处理温度及恒温时间见表 5.2.5。 表 5.2.6 热处理温度及恒温时间 焊件厚度 δ（mm） δ≤12.5 12.5＜δ≤25 25＜δ≤37.5 37.5＜δ≤50 热处理温度℃ 恒温时间(h) 720-750 0.5 1 1.5 2 5 异种金属焊接接头的焊后热处理要求，应按合金成分较低一侧的钢材品种确定。 5.2.6 焊后检验包括： 1 焊后外观检查。焊工本人自检合格后，焊接质量检查人员再按规定比例进行检查，必要时使用 焊缝检测尺或 5倍放大镜。焊缝边缘应圆滑过渡到母材，焊缝外型尺寸、焊接变形、错变量和焊缝表 露缺陷应符合《火力发电厂技术规程》的要求。 2 焊接接头无损检测。采用 X射线探伤机，按照规范要求进行 100%射线检测，I级底片为合格。 3 焊缝金属光谱分析。采用光谱分析仪，按照规范要求进行 100%光谱分析。 4 焊接接头的硬度试验。因现场进行焊接，应采用里氏硬度计，其硬度符合规范要求。 5.2.7 不合格焊口的处理包括： 1 当探伤底片不合格时，应查明不合格焊口的原因，并进行原因分析，同时提出返修措施。返修 后还应按原来检验方法进行检验。 2 表面缺陷应采取机械法清除。 3 需要补焊消除的缺陷应该按照焊缝返修工艺的规定进行缺陷的消除，返修工艺应有焊接工程师 编制。 4 焊后热处理温度或热处理时间不够而导致的硬度值超标的焊口，应重新进行热处理；焊后热处 理温度超标而导致焊接接头部位材料过热的焊口，除非可以实施正火热处理，否则应割掉该焊口及过 热区的材料，重新焊接。 6 材料、机具设备 6.1 材料 本工法采用的主要材料见表 6.1.1。 表 6.1.1 主要材料 序号 材料名称 规格 1 12CrMoV钢管 Φ273×9 Φ325×11 2 H08CrMoV焊丝 Φ2.5 3 R317耐热钢焊条 Φ3.2 4 氩气 纯度大于 99.95% 5 无碱超细玻璃面 厚度不小于 50mm 6.2 机具设备 本工法采用的主要机具设备见表 6.2.1。 表 6.2.1 主要机具设备 序号 设备名称 型号 用途 1 氩弧焊机 WS-315 氩弧焊焊接 2 直流焊机 AX4-300 焊条电弧焊焊接 3 焊条烘干箱 ZYHC-30 烘干焊条 4 焊条保温桶 5Kg 保温焊条 5 光谱分析仪 WX-5 光谱分析 6 风速计 ZRQF 测量风速 7 X射线探伤机 XXQ2505 无损检测 8 便携式热处理设备 DJK-30B 预热和热处理 9 角向砂轮 Φ125 打磨 10 便携式里氏硬度计 HLN-11A 硬度试验 11 焊缝检测尺 焊缝外观检查 12 接触式表面温度计 测温 7 质量控制 7.1 标准及规范 7.1.1 《工业锅炉安装工程施工及验收规范》GB50273-98 7.1.2 《火力发电厂焊接技术规程》DL/T869-2004 7.1.3 《蒸汽锅炉安全技术监察规程》劳部发[1996]276号 7.1.4 《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》GB50236-98 7.2 质量控制措施 7.2.1 焊接质量的检查和检验，实行三级检查验收，采用自检与专业检验相结合的方法，进行验评 工作。 7.2.2 焊接质量检查包括焊接前、焊接过程中和焊接结束后三个阶段，均应按检验项目和程序进行。 7.2.3 对于不合格的焊接接头，应查明原因制定出切实可行的焊缝返修工艺，由持证的合格焊工进行返 修，返修后还应重新进行检验。 7.2.4 所有焊条、焊丝等均应有制造厂的质量合格证，凡无质量合格证或对其质量有怀疑时，应按批号 抽查检验，合格者方可使用。 7.2.5 焊条、焊丝和焊剂应存放于干燥通风良好,温度大于 5℃,且相对空气温度小于 60%的库房内。并 在使用时做好发放与回收记录。 7.2.6 焊条采用焊条烘干箱进行烘干，烘干好的焊条存放于恒温箱内，焊工现场焊接时采用焊条保温桶 储存烘干合格的焊条。 7.2.7 所有焊工必须持证上岗，且严格按照编制的焊接工艺卡和技术交底进行焊接。 7.2.8 焊接场所应采取防风、防雨、防雪措施。 7.2.9 测量用仪器、仪表必须是检验合格件，未经检验的禁止使用。 7.2.10 每个焊口均应打上施焊焊工的钢印，其钢印应能在探伤底片上显示。 8 安全措施 8.0.1 施工前，应做安全技术交底，且必须交底到每一个人，并严格执行。 8.0.2 无损检测要做好防护工作，设立警戒区域，并有专人看护，无关人员不得靠近。 8.0.3 焊钳与把线必须绝缘良好，连接牢固，更换焊条应戴手套。在潮湿的地点工作，应站在绝缘胶板 或木板上。 8.0.4 把线、地线，禁止与钢丝绳接触，更不用钢丝绳或机电设备代替零线。所有地线接头必须连接牢 固。更换场地转动把线时，应切断电源，并不得手持把线爬梯登高。 8.0.5 清除焊渣，应戴防护眼镜或面罩，防止铁渣飞溅伤人。多台焊机在一起集中施焊时，焊接平台或 焊件必须接地，并应有隔光板。 8.0.6 铈钨极要放置在密闭铅盒内，磨削铈钨极时，必须戴手套、口罩，并将粉尘及时排除。 8.0.7 施焊场地周围应清易燃易爆物品，或进行覆盖、隔离。工作结束，应切断电源并检查操作地点， 确认无起火危险后，方可离开。 8.0.8 焊前预热和焊后热处理时应设警示标志，防止误灼伤。 9 环保措施 9.0.1 合理安排作业时间，尽量避免夜间作业，以减少施工时机具噪声污染；避免影响施工现场内或附 近居民的休息。 9.0.2 完成每项工序后，应及时清理施工后滞留的垃圾，如：焊条头、焊渣、包装材料等，保证施工现 场的清洁。 9.0.3 对于焊接时产生的有害物质或气体，应适当加强焊接作业点周围的通风，以免对环境造成影响。 9.0.4 焊接产生的弧光应采取遮挡措施，防止光污染危害环境及伤人。 10 效益分析 10.1 经济效益 10.1.1 本工法能够提高工程质量，并可节省返修成本。 1 以青岛高新区热电厂 75t/h 锅炉安装工程为例，采用全电焊的焊接方法一次探伤合格率只有 85%，而采用本工法进行焊接后，132道焊口的一次探伤合格了 128个，一次探伤合格率上升到了 97%， 一次合格率提高了 12%，故比原来方法多合格 16道焊口，节约焊口的返修及二次探伤费用为： （180+75）元/道×16=4080元 2 青岛双星轮胎工业有限公司 130 t/h锅炉安装工程，共计 190道焊口，比全电焊方法减少一次探 伤不合格的返修焊口 24道，节约的焊口的返修及二次探伤费用为： （180+75）元/道×24道=6120元。 10.2.2 本工法可减少焊口返修的数量，加快施工速度。 10.2 社会与环保效益 采用本工法施工的低合金耐热钢的焊接质量、焊缝成形好、探伤一次合格率高，能够有效的保证 高温、高压流体输送管道的安全。由于我国基础设施投资巨大，因此，本工法具有较高的推广应用价 值。 11 工程实例 11.1 青岛高新区热电厂 75t/h 锅炉安装工程 11.1.1 工程概况。青岛高新区热电厂锅炉安装工程是青岛市崂山区和青岛东亿实业总公司的重点工程 项目，该工程共有两台 75t/h 循环流化床锅炉，其工艺管道系统的主蒸汽及导汽系统管道材质为 12CrMoV，管道总长 640m，规格为 Φ325×11㎜和 Φ273×9㎜，探伤比例为 100%。该系统的工作压力 为 5.29Mpa，工作温度为 450℃。 11.1.2 施工情况。本工程根据低合金高压高温管道焊接技术要求，进行环境条件的试件试验，制定了 焊接工艺及其作业指导书，由项目部工程技术人员组织实施，工序检验到位，采取措施得当，焊缝探 伤一次合格率达到 97%，减少了维修，降低返修成本，提高了工效和工期。施工于 2004年 5月开工， 2006年 8月完工。 11.1.3 应用效果。该工程由特种设备监检所检验合格并投入使用。近三年运行正常，无返修和故障停 产现象，得到业主的好评，2007年度荣获“青岛杯”奖。 11.2 青岛双星轮胎工业有限公司 130 t/h 锅炉安装工程 11.2.1 工程概况。青岛双星轮胎工业有限公司 130 t/h锅炉安装工程，该项目位于胶南市经济技术开发 区，该系统额定蒸汽压力 5.29MPa，额定蒸汽温度 450℃，额定蒸发量为 130t/h 的循环流化床锅炉， 其工艺管道系统的主蒸汽及导汽系统管道材质为 12CrMoV，管道总长 980m，探伤比例为 100%。 11.2.2 施工情况。该工程在东亿 75T/h 锅炉施工经验的基础上，结合施工环境进一步完善各项施工和 质量控制措施，保证了工程质量，焊缝一次探伤合格率达到了 98%，使焊缝返修成本进一步降低。施 工于 2006年 3月开工，2007年 6月竣工。 11.2.3 应用效果。该工程经当地特种设备监督部门检验合格投入使用，近二年运行正常，无返修和故 障停产情况，得到了业主的好评。 编写：王栋、徐志庆、杨孟伟 审核：秦贵平 批准：张同波 图11.1.0 青岛高新区热电厂75t/h锅炉 图 11.2.0 青岛双星轮胎 130 t/h 锅炉