液化天然气低温管道焊接缺陷分析及预防措施_郭宏亮.pdf

应用研究0 引言随着国家低碳环保政策的推广，液化天然气（LNG）已在工业生产和人们的日常生活中被普遍应用1-2，无论是港口大型 LNG 接收站还是内陆小型 LNG 加气站，均采用低温液化技术存储天然气。LNG 主要成分是甲烷及少量乙烷、丙烷，其液化温度为-162，在存储过程中依靠低温工艺管道传送介质，管道的设计压力均在 1.6 MPa 以上。由于 LNG管道长期在低温、高压工况下运行，因此，管道的材质采用 GB/T 149762012流体输送用不锈钢夫缝钢管标准中的奥氏体不锈钢，本文结合压力管道现摘 要 为了防止液化天然气低温管道产生焊接缺陷，提高低温管道焊接质量，通过分析低温管道常用材料奥氏体钢的焊接特性，找出了焊接常见缺陷有晶间腐蚀、应力腐蚀开裂、焊接热裂纹等，进一步分析了各种缺陷的产生原因有晶界贫铬、焊接残余应力、杂质元素偏析等。总结出防止缺陷产生的措施有降低母材含碳量、采用含钛、铌元素的焊剂、控制焊接热输入、进行固溶处理等。工程应用实例表明：采取合理的预防措施可以避免产生焊接缺陷，保证低温管道的焊接质量。关键词 LNG低温管道 奥氏体不锈钢 晶间腐蚀 应力腐蚀开裂 热裂纹 预防措施中图分类号 TG457.6 DOI：10.16759/ki.issn.1007-7251.2023.04.007Analysis and Preventive Measures for Welding Defects of Low Temperature Liquefied Natural Gas PipelineGUO Hongliang LU Junwen ZHAN Lining CHEN Min ZHOU LuluAbstract:In order to prevent welding defects in low-temperature liquefied natural gas pipelines and improve the welding quality of low-temperature pipelines,common welding defects including intergranular corrosion,stress corrosion cracking,and welding thermal cracking were identified by analyzing the welding characteristics of austenitic steel,a commonly used material for low-temperature pipelines.The causes of various defects were further analyzed,such as grain boundary chromium deficiency,welding residual stress,impurity element segregation,etc.The measures to prevent defects were summarized as reducing the carbon content of the base metal,using fluxes containing titanium and niobium,controlling welding heat input,and conducting solution treatment.Key words:LNG low-temperature pipeline;Austenitic stainless steel;Intergranular corrosion;Stress corrosion cracking;Hot cracks;Preventive measure郭宏亮*卢俊文 湛立宁 陈 敏 周璐璐（河北省特种设备监督检验研究院唐山分院）液化天然气低温管道焊接缺陷分析及预防措施*郭宏亮，男，1978年生，本科，工程师。唐山市，06300025化工装备技术第 44 卷第 2 期 2023 年 4 月第 44 卷第 2 期化工装备技术26场监检中常见的奥氏体不锈钢材质，分析了焊接常见缺陷主要有晶间腐蚀、应力腐蚀开裂、热裂纹等，采用合理的焊接措施可以避免产生缺陷，保证液化石油气低温管道焊接质量。1 奥氏体不锈钢的焊接特性由于奥氏体不锈钢材料中的铬、镍元素可形成致密的氧化膜组织，使奥氏体不锈钢具有更优良的低温韧性及耐腐蚀性，常用于低温工况下的管道，其使用量约占不锈钢总用量 70%以上，主要材料牌号包括0Crl8Ni9Ti、1Crl8Ni9Ti、Crl8Nil2Mo2Ti 等。液化天然气管道需要在-162 低温下仍具有良好的低温韧性及耐腐蚀性3-4，同时线膨胀系数还要尽量小，因此输送液化天然气管道常采用双证奥氏体不锈钢（304/304 L）。奥氏体不锈钢的线膨胀系数远高于低碳钢，而导热系数远低于低碳钢，因此在焊接受热及焊后冷却的过程中，焊道在拉伸应力与应变的作用下易产生焊接热裂纹、晶间腐蚀、应力腐蚀开裂等缺陷5。焊接时应选用低氢、低碳焊材，并引入保护气体。焊接时应严格控制层间温度 100，且严禁焊前预热，同时控制有焊道宽度小于 10 mm，焊接热输入 20 kJ/cm，焊接电流 150 A，且应加快焊接速度。焊接过程中要急速冷却到 60 以下才能开始下一层焊接。焊接后观察焊口颜色，银色或灰银色时不处理，出现黄色或更深颜色时要打磨处理至表面露出银色。焊接时先焊接收缩量大的焊缝以减少焊接残余应力，尽量减小焊条摆动幅度，并保持作业区域清洁，防止熔敷金属结晶时渗入其他有害元素。2 奥氏体不锈钢焊接缺陷分析2.1 焊接接头的晶间腐蚀晶间腐蚀的特点是金属表面无腐蚀迹象，只有在受外力时会沿晶间脆性断裂，其腐蚀机理是金相组织的晶界区贫铬 6。在奥氏体不锈钢中，碳原子与铬原子以 Cr23C6固溶态存在，且铬原子分布均匀，确保各部位铬元素的质量分数均在 12%以上，保持钝化状态。但是对于碳质量分数 0.03%的奥氏体不锈钢，当焊接温度达到 450 850 时，Cr23C6会在晶间析出，铬原子及碳原子均从晶界固溶体中逸出，碳原子的逸出速度比铬原子更快，使较早析出的碳原子与晶界处的铬原子重新结合成碳铬化物，造成了晶粒边界处铬原子数量减少。同时电位也低于晶粒其他部位，当有腐蚀介质出现时，贫铬区作为阳极会先被腐蚀。奥氏体钢焊口晶间腐蚀部位如图 1 所示。热影响区腐蚀焊缝晶间腐蚀刀蚀485850 图 1 奥氏体钢焊口晶间腐蚀部位当焊接温度低于 450 时，晶界处无法形成碳铬化合物；当焊接温度高于 850 时，铬原子从晶粒内逸出的速度增大,能够满足碳原子的反应需求，不会造成晶界处贫铬。故晶间腐蚀敏感温度450850,其中 650 最危险。图 2 所示为晶间腐蚀敏感温度-时间曲线。时间 t/s温度 T/10 102 103 104 105 106450850900800700600500400C 0.03%C 0.04%C 0.08%C 0.10%图 2 晶间腐蚀敏感温度-时间曲线2.2 焊接接头的应力腐蚀开裂焊接接头应力腐蚀开裂一般从焊缝表面开始，然后扩展至焊缝深处，裂纹端部呈分散状，大多数裂纹穿过奥氏体晶粒，只有少数裂纹穿过晶界处的铁素体晶粒。这是应力和腐蚀介质共同作用的结果，裂纹发生时无塑性变形前兆，也是奥氏体不锈钢焊接接头较严重的失效形式7。引起焊接接头应力腐蚀开裂的主要原因是焊接2023 年 4 月27区域存在较高的残余拉应力，且管道处于腐蚀性介质中。例如液化石油气中的硫化氢杂质会引起酸性介质腐蚀，在拉应力作用下，氢原子流向裂纹尖端区，同时拉应力引起的位错运动也会携带氢原子，当管道的其他缺陷阻止位错运动时，氢原子将沉积于受阻部位，高浓度的氢原子使钝化膜稳定性下降，在拉应力的共同作用下，使管道发生应力腐蚀开裂。另外含碳量过高也是引起应力腐蚀开裂纹的原因，图 3 所示为碳的质量分数对应力腐蚀开裂的影响。碳的质量分数/%平均断裂时间未断裂纹时间/h断裂循环次数/次5 7144 2862 9571 000571296143715005 0002 0001 00010000.01 0.03 0.05 0.07图 3 含碳量对应力腐蚀开裂的影响从图 3 可以看出，当碳的质量分数低于 0.03%时，管道无应力腐蚀开裂现象，当碳的质量分数大于0.03%时，应力腐蚀开裂倾向随着含碳量增加而增大。2.3 焊接热裂纹奥氏体不锈钢在焊接受热及冷却的过程中极易产生焊接热裂纹，包括根部裂纹、层间裂纹及焊后裂纹等。母材及焊材中合金元素含量越高，越容易引起焊接热裂纹，因为过多的合金元素在焊接时生成柱状晶体组织，且呈一定的方向性，并在结晶结束时以液态夹层状态存在于柱状晶粒之间，在足够的拉应力作用下起裂、扩展形成晶间开裂；同时导致液相线与固相线的间距增大，加大了各元素偏析倾向，尤其是 S、P 等低熔点杂质元素析出易引起热裂纹。奥氏体不锈钢中合金元素对焊接热裂纹的影响，可用奥氏体化元素（镍当量 Nieq），包括 C、N、Ni、Mn、Cu 元素等，铁素体化元素（铬当量 Creq），包括 Cr、Mo、Ti（Nb）、Si、Al 元素等两大类品种来表述，铬当量 Creq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb；镍当量 Nieq=Ni+30C+0.5Mn，Creq/Nieq对热裂纹的影响如图 4 所示。CReq/Nieq1.0 1.2 1.4 1.6 1.8p+S/%0.060.040.020裂区不裂区图 4 Creq/Nieq对热裂纹的影响从图 4 可以看出，当 Creq/Nieq 1.5 且杂质 WP+S 0.01%时，该区域不产生热裂纹；Creq/Nieq处于1.5 2.0 时不会发生热裂纹，Creq/Nieq 1.5 时，Ni含量较高同时具有明显的热裂纹倾向。3 预防产生缺陷的措施3.1 防止晶间腐蚀的措施（1）控制不锈钢的含碳量。碳原子是引起晶间腐蚀的重要元素，当碳原子含量过多时，势必会消耗晶界处的大量铬原子形成碳铬化合物，导致晶界贫铬引起晶间腐蚀。当碳含量较低时，例如 00Cr18Ni10 材质中碳的质量分数小于 0.03%，碳原子全部溶解在奥氏体中不会析出，另外在母材或焊材中适当增加钛、铌等与碳亲和力较强的微量元素，在晶界处碳原子与钛、铌结合形成碳化物，从而减少了铬元素的消耗，例如 2Crl8NilMo2Ti 材料、H0Crl9Ni9Ti 焊材中均含有钛、铌元素。（2）对成型的焊口进行高温热处理，将焊件加热到 1 0501 100，在此高温下碳原子重新回到奥氏体中8，再快速冷却即可获得稳定的奥氏体金相组织，避免出现贫铬区。另外也可以对焊件进均匀化处理，即加热到 850 900 后保温 2 h，促使晶粒内部的铬充分扩散到晶界。（3）减少焊件在 450 850 温度区间的停留时间。含碳量较低是奥氏体钢的最大特性，可以增加冷却速度而不会引起材料淬硬，常见方法是对焊件直接郭宏亮，等：液化天然气低温管道焊接缺陷分析及预防措施第 44 卷第 2 期化工装备技术28浇水冷却或在焊件下垫铜板加快散热，在焊接工艺方面，应当采取提高焊接速度、减小电流、采用多道焊接等措施，均可减弱材料的晶间腐蚀倾向。3.2 防止应力腐蚀开裂的措施（1）合理选用母材料及焊材。根据压力管道运行工况优选管材和焊材是预防应力腐蚀开裂首先需要解决的问题，合理选择管道母材的化学成分，尽量提高铬、镍等微量元素含量可以提高焊口的钝化稳定性及耐应力腐蚀性，焊接时选用 Cr、Mo、Ni 等耐蚀元素含量高于母材的焊条，可以减小焊件的应力腐蚀开裂倾向。（2）通过焊接工艺评定制定合理的焊接工艺参数。在焊接过程中，由于焊件的受热及冷却无法保证完全均匀，导致焊件中存留残余应力，这也是焊接发生应力腐蚀开裂的主要原因。应优化焊接工艺，采用分段焊加退焊的方法合理布置焊接顺序，对焊件的拘束度降到最小，从而降低焊缝的残余应力。（3）消除应力集中情况，保证焊接接头外观质量。应力腐蚀开裂的起点往往源自应力集中部位，因此在管道施工过程中应尽量减少应力集中部位，例如焊接时避免强力组装，防止在不锈钢管道表面造成划痕和灼痕，在焊接完毕后消除咬边、焊瘤、未焊透等易产生应力集中的缺陷。3.3 防止热裂纹产生的措施（1）为了使焊缝金属组织晶粒细化以便降低杂质偏析倾向，应选用低氢碱性焊条，并降低熔敷金属中C、S、P 等有害元素含量，提高 Cr、Mo、Si、Mn 等元素含量，从而提高材料的抗裂性，并参照母材化学成分选用焊条，例如当 1Cr18Ni9Ti 管材用于低温工况时，应选用 A402、A407 等纯奥氏体焊条，或者选用 Mo 含量 9%的镍基合金焊条。（2）控制熔敷金属组织为 奥氏体+铁素体双相组织，在此状态下的晶界处无低熔点杂质偏析现象，可以减少热裂纹倾向，应控制 Cr、Ni 的质量分数比为 Cr/Ni=2.2 2.3，才能获得双相组织，Ni 含量过高易产生热裂纹；双相组织中要保持 相质量分数 5%，否则会造成 相脆化9，铁素体的质量分数 W对热裂倾向的影响如图 5 所示。从图 5 可以看出，随着横坐标 铁素体质量分数不断增大，热裂纹倾向 TCL 与脆性温度区 BTR 大小完全对应，凝固模式 A 及 AF 状态下均生成 奥氏体组织，凝固模式 FA 状态下生成+金相组织，凝固模式 F 状态下生成 金相组织。（3）控制焊缝成形系数。因为焊缝成型系数关系到焊缝金属加热及冷却过程中的热量分布情况，其系数 是指焊缝宽度与焊缝厚度的比值，直接影响熔敷金属结晶时柱状枝晶成长方向，较小时导致枝晶沿对向生成，杂质在此处严重沉积导致热裂纹的形成，因此成型系数 应当大于 1。为了控制成型系数应减少焊接热输入，以便减少熔池金属质量并降低元素偏析量，多层焊时应控制层间温在 100 以下，焊接后层焊道时应在前层焊道冷却至 60 以下再进行。4 工程应用实例唐山某 LNG 加气站在安装过程中进行了监检，工艺管道最高设计压力为 2.5 MPa，最低设计温度为-196，管道最大壁厚为 4.0 mm，安装单位采取了防止低温管道产生焊接缺陷的措施，材质选用06Cr19Ni10（简称 304 不锈钢），采用 Cr、Ni 含量较高的 H0Crl9Ni9Ti 焊条以及钨极氩弧焊方法焊接，焊接时在管道内部充氩气。焊缝成型系数大于 1，焊接坡口形式如图 6 所示。通过焊接工艺评定，采用较小的焊接热输入10，焊接工艺参数为焊接电流 75 90 A，电弧电压为10 13 V，焊接速度为 6 8 cm/min，为了减小焊接应力采用定位焊，定位焊缝长度为 6 8 mm，焊接层间温度控制在 100 以下，采用焊后浇水冷却的0 20 40 60 80 100凝固模式FFAA+AFBTRTCL/%TCL裂纹总长；BTR脆性温度区间图 5 铁素体质量分数对热裂倾向的影响2023 年 4 月29方法冷却到 60 以下再焊接下一层，焊接后经宏观检查及无损探伤检查未见超标缺陷，正常投入使用。5 结语（1）液化石油气低温管道常选用奥氏体不锈钢材料，该材料极易生成焊接缺陷，包括晶间腐蚀、应力腐蚀及焊接热裂纹等，产生缺陷的原因包括熔敷金属含碳量过高，导热系数小、线膨胀系数大引起焊接残余应力过大等。（2）可以采取合理的控制措施防止产生焊接缺陷，包括控制管材中碳质量分数在 0.03%以下、减小在敏化温度区停留时间，选用 Cr、Mo、Ni 等耐蚀元素含量高于母材的焊条，尽量消除应力集中情况，控制熔敷金属为 奥氏体+铁素体双相组织等。（3）通过工程应用实例证明，06Cr19Ni10 不锈钢材质采用 H0Crl9Ni9Ti 焊条氩弧焊接方法，选用热输入值较小焊接参数施焊，焊接过程中采用浇水急冷方法，焊件未出现常见的焊接缺陷，保证了液化石油气低温管的焊接质量。参考文献1 卢玉秀,李强,曹永峰.焊接热输入对承压管道焊接修复的影响J.化工装备技术,2021,42(6):31-34.2 卢俊文,刘景新,齐雪京.涉氨压力管道定期检验案例分析及检验方法探究J.中国标准化,2019(6):172-173.3 卢玉秀,李强,苏光军,等.不同参数对在役焊接修复管道径向变形的影响J.化工装备技术,2021,42(1):23-25.4 贾琦月.LNG用低温管材的关键要求J.化工设备与管道,2020,57(5):71-75.5 于小龙.液化天然气低温管道设计问题探讨J.山东化工,2021,50(10):163-164.6 黄长久.LNG装置低温工艺管道安装技术及工程实践J.中国石油和化工标准与质量,2017,37(18):179-1817 王肖逸,湛立宁,卢俊文.涉氨压力管道常见问题及不停机检测技术J.山东工业技术,2021(1):59-62.8 李群,李丽新,董清坤.低温低应力工况管道的设计浅析J.大氮肥,2019,42(3):164-166,173.9 尉世雄,薛世昌.LNG液化调峰项目低温工艺管道安装技术J.石油化工建设,2020,42(4):64-66.10 卢俊文,刘红星,湛立宁.管道外防腐层检测装置智能化的研究J.中国标准化,2019(8):175-176.（收稿日期：2022-02-15）图 6 焊接坡口示意图（单位：mm）（655）2300.5构合理，内容完整，编写符合GB/T 1.12020标准化工作导则第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则的规定，同意通过，并提出将本标准由指南类标准修改为规范类标准，标准名称由化工行业健康园区建设指南修改为化工行业健康园区建设规范。据介绍，此规范的制定化工行业健康园区建设规范团标通过评审2 月 15 日，上海化工区医疗中心主编的化工行业健康园区建设规范（以下简称 规范）团标送审稿评审会召开。评审会专家组由来自标准规范、健康促进、职业健康安全等领域的 7 位专家组成。专家组对规范团标送审稿进行逐条认真讨论、严格审查，一致认为：团标送审稿结旨在为化工行业开展健康园区建设提供指导和借鉴，并践行责任关怀理念，推动化工行业的可持续发展。该团标于 2022 年7 月 4 日正式立项，由上海化工区医疗中心主编，上海市疾病预防控制中心、上海华谊（集团）公司、上海氯碱化工股份有限公司、上海杭州湾经济技术开发有限公司等单位参编。郭宏亮，等：液化天然气低温管道焊接缺陷分析及预防措施