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需做焊后熱處理的奧氏體不銹鋼接管分析與設計

文檔作者：楊福昌文檔來源：海工英派爾工程有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年10月20日
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上一篇：一種雙相不銹鋼的埋弧焊工藝研究

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第45卷第2期
2Ol6年3月
石油化工設備
PETR0一CHEMICAL EQUIPMENT
Vo1．45 No．2
Mar．2O16
文章編號：1000 7466(2016)02—0036 0004
[1 3]
[14]
[15]
需做焊后熱處理的奧氏體不銹鋼接管
分析與設計
楊福昌
(海工英派爾工程有限公司，山東青島 266061)
摘要：對需做焊后熱處理的低合金鋼設備由于-7-藝要求帶有焊接連接的奧氏體不銹鋼接管的情
況，從理論上分析了奧氏體不銹鋼管在隨設備焊后熱處理時會產(chǎn)生晶間腐蝕傾向的問題，并從工程
實際方面提出了解決辦法。
關鍵詞：低合金鋼設備；接管；奧氏體不銹鋼；焊后熱處理；晶間腐蝕
中圖分類號：TE969；TQ050．2 文獻標志碼：B doi：10．3969／j．issn．1000—7466．2016．02．008
Analysis and Design of Austenitic Stainless Steel Pipe with Post W eld Heat Treatm ent
YANG Fu—chang
(Cooec—Enpal Engineering Co．Ltd．，Qingdao 266061，China)
Abstract：In the petrotchemical industry，some austenitic stainless steel pipes are often welded
on the low alloy steel pressure vessels with post weld heat treatment in order to meet process．
This analysis of the austenitic stainless steel pipes will have a tendency to intergranular corrosion
in the process of post weld heat treatment from the aspects of theory． At last，some solutions
from engineering practice are proposed．
Key words： tow alloy steel equipment；pipe；austenitic stainless steel；post weld heat treat—
ment；intergranular corrosion
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(杜編)
收稿日期：201 5-¨一22
作者簡介：楊福昌(1981一)，男，山東泰安人，工程師，碩士，現(xiàn)從事壓力容器設計工作。
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第2期 楊福昌：需做焊后熱處理的奧氏體不銹鋼接管分析與設計
某項目溶劑再生裝置中有1臺富胺液閃蒸罐，
工作壓力0．15 MPa，安全閥開啟壓力0．5 MPa，最
高工作溫度55℃ ，介質(zhì)為富胺液、閃蒸氣，介質(zhì)特性
為易爆。
經(jīng)過分析，設計壓力取0．5 MPa，設計溫度取
8O℃ ，筒體、封頭等主要受壓元件材料取Q245R(正
火板)。根據(jù)TSG R0004 2009《固定式壓力容器
安全技術監(jiān)察規(guī)程》[1 和GB 150．1～150．4 2ol1
《壓力容器》¨2]，設備需要做整體焊后熱處理。為了
滿足工藝性能，需要在該富胺液閃蒸罐內(nèi)設置一集
油箱(圖1)，考慮到介質(zhì)腐蝕因素，集油箱的材質(zhì)取
$30408，在集油箱輸出管(圖1中管1)初始設計階
段材質(zhì)取$30408。
圖1 富胺液閃蒸罐簡圖
在富胺液閃蒸罐進行焊后熱處理的同時，接管
1有發(fā)生晶間腐蝕的傾向，存在安全隱患。
1 理論分析
1．1 焊后熱處理及焊后熱處理溫度
焊后熱處理是為改善焊接接頭組織和性能或者
消除殘余應力而進行的一種熱處理方法，屬于去應
力退火。鋼制壓力容器的焊后熱處理是將壓力容器
零部件或者產(chǎn)品緩慢加熱到5O0～650℃ ，保溫一定
時間，然后隨爐均勻冷卻。焊后熱處理的主要目的
是消除壓力容器內(nèi)的殘余應力，焊后熱處理有以下
作用。
(1)改善焊接接頭的塑性和韌性，提高抗應力腐
蝕能力。
(2)消除焊接接頭中的內(nèi)應力和冷作硬化，提高
接頭抗脆斷能力。
(3)促使焊縫中的氫向外擴散。
(4)穩(wěn)定焊接構件形狀，避免在焊后機加工和使
用過程中變形。
(5)有些壓力容器對安全性能有較高的要求(如
盛裝極度或高度危害介質(zhì))，進行焊后熱處理可以提
高其安全裕度。
焊后熱處理具有多種作用，有時可以與消氫處
理、恢復或改善材料性能熱處理合并進行，也可以用
于消除封頭、筒體等零部件冷成型及中溫成型后的
殘余應力。
按照文獻[1]的要求，焊后熱處理應優(yōu)先采用在
爐內(nèi)加熱的方法，其熱處理爐應滿足GB／T 9452—
2012(熱處理爐有效加熱區(qū)測定方法》 的有關規(guī)
定。在積累了爐溫與被加熱件的對應關系值的情況
下，爐內(nèi)熱處理時，一般允許利用爐溫推算被加熱件
的溫度，但對特殊或重要的焊接產(chǎn)品，溫度測量應以
安置在被加熱件上的熱電偶為準。
加熱爐應有良好的控制和自動檢測并記錄各處
溫度的技術保證。工件不能直接受火焰加熱，以避
免其過度氧化。為了防止拘束應力及變形的產(chǎn)生，
應合理安置被加熱件的支座，對大型薄壁件和結構、
幾何尺寸變化懸殊者應附加必要的支撐或特殊工裝
以增加剛性和平衡穩(wěn)定性。要使工件表面受熱均
勻，入爐爐溫一般不超過300℃ ，以避免產(chǎn)生過大的
熱應力。
1．2 晶間腐蝕 ， ]
奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的首要原因是晶間貧
鉻，其次是冶金因素，三是工藝因素。
在室溫下，c在奧氏體不銹鋼中的溶解度約為
0．02 ～0．03 (質(zhì)量分數(shù))，而不銹鋼中C的質(zhì)量
分數(shù)為0．08 ～0．12 。因此，只有在淬火狀態(tài)下
C才能固溶在奧氏體中，以保證其具有較高的化學
穩(wěn)定性。此種狀態(tài)下的奧氏體不銹鋼在450～
850℃(敏化溫度)時，c在奧氏體中的擴散速度明
顯大于Cr在奧氏體中的擴散速度。由于晶界處晶
格的不完整性，促使c向晶界處擴散，與Cr形成復
雜的不穩(wěn)定的間隙碳化物Cr23C6并析出。然而原
子半徑較大的cr擴散較慢而得不到及時補充。故
Cr23C6中的cr大部分來自晶界附近的奧氏體基
體。當晶界處的Cr質(zhì)量分數(shù)小于鈍化所需的臨界
質(zhì)量分數(shù)11．7 時，就形成了由處于活化態(tài)的晶界
貧鉻區(qū)與處于鈍態(tài)的中心富鉻區(qū)組成的具有較大電
位差的活化一鈍化電池，從而使基體失去了抗腐蝕
能力。
奧氏體不銹鋼敏化狀態(tài)下Cr23C6相沿晶界析
出及晶間腐蝕電池的示意圖見圖2。
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石油化工設備 2Ol6年 第45卷
貧鉻區(qū)
化態(tài)，陽極)
圖2 敏化態(tài)晶界析出及腐蝕電池不恿圖
1．3 案例分析
由于設備焊后熱處理溫度(500～650。C)正好
處在奧氏體不銹鋼敏化溫度(450～850℃)范圍之
內(nèi)，在本文實例中，集油箱輸出管1采用奧氏體不銹
鋼$30408，如果在設備進行焊后熱處理之前將接管
焊接完畢，并且隨設備進行焊后熱處理，管1必然有
晶間腐蝕的可能性，這會給設備安全帶來隱患。
2 解決方法
鑒于這種需做焊后熱處理的低合金鋼設備由于
工藝要求帶有焊接連接的奧氏體不銹鋼接管的情況
會經(jīng)常發(fā)生在石油化工行業(yè)設備的設計和制造過程
中，筆者根據(jù)理論分析和工程經(jīng)驗提出以下幾種解
決方案。
2．1 材料代用l6 J。。 ]
利用$30403或S31603代用$30408。
從公式C f一硼(Cr)一0．18叫(Ni)一100×
叫(C)和大量的實驗結果可知，C質(zhì)量分數(shù)是影響
奧氏體不銹鋼晶問腐蝕最主要的因素。18—8型試
驗鋼的抗晶間腐蝕的能力隨著C質(zhì)量分數(shù)的降低
而提高，防止18—8鋼焊接接頭在稀鹽酸中晶間腐蝕
的最好方法是控制焊縫的C質(zhì)量分數(shù)，如使C質(zhì)量
分數(shù)低于0．08 ，最好采用c質(zhì)量分數(shù)低于0．03Vo
的奧氏體不銹鋼。阮於珍、張振燦等研究了316型
不銹鋼的晶間腐蝕性能，試樣的熱處理制度為：
1 1()()℃固溶處理2 h，水冷；300 C回火2 h，空冷；
650。C敏化處理2 h，空冷。其晶間腐蝕試驗采用
GB 4334-2008~金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐
蝕試驗方法》規(guī)范，實驗時間為20 h，得出的結論
為：c質(zhì)量分數(shù)為0．006 的316L不銹鋼的抗晶問
腐蝕性優(yōu)于316Ti(C質(zhì)量分數(shù)0．036 )，316Ti優(yōu)
于316(C質(zhì)量分數(shù)0．042 )，可見，隨著C質(zhì)量分
數(shù)的降低，奧氏體不銹鋼晶間腐蝕性能得到提高。
根據(jù)GB／T 12771—20O8《流體輸送用不銹鋼
焊接接管》 。 可得到$30403和$31603的C質(zhì)量分
數(shù)均不大于0．03 0 o，$3O408的C質(zhì)量分數(shù)不大于
0．08 。
基于前文C質(zhì)量分數(shù)對于奧氏體抗晶間腐蝕
影響的分析結果，本文實例中簡體主體材質(zhì)為
Q245R，可將接管1材質(zhì)由原材質(zhì)$30408替換為
$30403或s31603，碳鋼設備上焊接不銹鋼接管屬
于異種鋼材問的焊接，如果筒體壁厚較小，焊接應力
相對較小時，直接用A3O2焊條焊接，焊后隨筒體進
行熱處理，熱處理后對不銹鋼鋼管和不銹鋼與低合
金鋼簡體焊縫處進行晶間腐蝕試驗(650℃敏化處
理2 h)，根據(jù)GB／T 4334?2008~金屬和合金的腐
蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》ll ，結論為合格。
2．2 加強焊接工藝管理
奧氏體不銹鋼接管焊接時，應減小線能量，通過
提高焊接速度來降低電流，以維持較低的線能量。
對于填充量較大的焊縫，可采用小電流、快速焊、多
層、多道的方法，每焊接完一(道)層都要加強冷卻，
一般控制層問溫度在150。C左右。
焊接方法采用手工電弧焊。手工電弧焊具有熱
影響區(qū)小、易于保證質(zhì)量，適應各種焊接位置及不同
壁厚工藝要求的優(yōu)點。為避免焊接時c和雜質(zhì)混
入焊縫，焊前應將焊縫兩側20~30 mm用不銹鋼絲
刷或銅絲刷清理干凈，并涂白堊粉，以避免表面被飛
濺金屬損傷，影響耐腐蝕性。不得在焊件上隨意引
弧、熄弧，地線應與焊件緊密接觸，以免損傷焊件表
面，影響耐腐蝕性能。
由于奧氏體不銹鋼的電阻率為低碳鋼的4倍以
上，焊接時產(chǎn)生的電阻熱較大，藥皮容易發(fā)紅和開
裂，所以同樣直徑的焊條電流值應比低碳鋼降低
20 左右，一般是焊條直徑的25～30倍。焊條長度
亦比同直徑的碳鋼焊條短，否則焊接時由于藥皮迅
速發(fā)紅、開裂會失去保護而無法焊接。
施焊時，焊條不應作橫向擺動，采用小電流、快
速焊，一次焊成的焊縫不宜過寬，最好不超過焊條直
徑的3倍。多層焊時，每焊完一層要徹底清除焊渣，
層間溫度應低于60-C。為防止由于重復加熱而降
低耐腐蝕性，與腐蝕介質(zhì)接觸的焊縫應最后焊接。
焊后可采取強制冷卻措施，加快接頭冷卻速度。
2．3 厚壁碳鋼管代用奧氏體不銹鋼鋼管
為了避免奧氏體不銹鋼鋼管和低合金鋼簡體焊
接后熱處理引起的晶間腐蝕傾向，工程上可以設置
如圖3所示結構，將集油箱出口接管1與筒體相焊
處采用厚壁管來替代原奧氏體不銹鋼鋼管$30408。
原設計采用奧氏體不銹鋼主要考慮了介質(zhì)的均勻腐
蝕性，但是如果碳鋼厚壁管考慮了腐蝕裕量和強度
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第2期 楊福昌：需做焊后熱處理的奧氏體不銹鋼接管分析與設計 · 39 ·
的雙重約束，那么就可以用其替代奧氏體不銹鋼管。
本例中接管l與筒體相焊處采用長高頸法蘭，材質(zhì)
為20Ⅱ，伸入簡體內(nèi)200 mii1，然后在經(jīng)過削邊處理
的法蘭端部焊接一帶頸平焊法蘭，材質(zhì)為2O II；與
集油箱相連接管材質(zhì)采用$30408，在接管端部焊接
一帶頸平焊法蘭，材質(zhì)為$3O408II，用于和20Ⅱ材
質(zhì)的帶頸平焊法蘭連接。
L J
＼
$30408 <
l ≤
：。Ⅱ
接管1
圖3 厚壁管替代原奧氏體不銹鋼鋼管處理方案
3 結語
由于工藝要求帶有與低合金鋼焊接連接的奧氏
體不銹鋼接管的低合金鋼設備在進行焊后熱處理
時，含碳量較高的奧氏體不銹鋼鋼管可能發(fā)生晶間
腐蝕。為防止晶間腐蝕的發(fā)生，在工程上可以通過
材料代用、加強焊接工藝管理和厚壁碳鋼管代用等
方式來解決部分奧氏體不銹鋼管不能進行焊后熱處
理的問題。
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