设备法兰与管线管组对焊接材料试验研究.pdf

通过对比不同标准和用户技术协议的要求，认为应当依据用户订货技术协议要求评价选择适合设备的法兰和管线管组对焊接材料。为保证产品质量，满足用户要求，对 14Cr1MoIII 和 ASTM A694 F52 材料法兰分别与 2 种钢级管线管组对焊接质量进行评价试验，最终找到适合设备的法兰材料和管线管材料，并为该设备选择更好更经济的焊接法兰材料提供了建议。关键词：设备 法兰 管线管 组对焊接 材料 冲击功Study on Welding Materials Tested and Investigated for Flange and Line Pipe Group Used in EquipmentLv Shuanlu Huang Fengchao Niu Yibing Huang Fei Wang Tete(Xian Maurer Petroleum Engineering Laboratory Co.,Ltd.Xian 710065)Abstract By comparing the requirements of different standards and user technical agreements,it is considered that the flange and line pipe group pair welding materials suitable for the equipment should be selected according to the requirements of the user ordering technical agreement.In order to ensure the product quality and meet user requirements,the welding quality of 14Cr1MoIII and ASTM A694 F52 material flange and two steel grade line pipe groups were evaluated and tested respectively,and finally the flange materials and line pipe materials suitable for skid-mounted equipment were found out,and the suggestions for choosing better and more economical welding flange materials for this equipment were provided.Keywords Equipment Flange Line pipe Group welding Material Impact absorption energy中图分类号：TB497 文献标志码：B文章编号：2095-2465(2023)08-0046-04 DOI:10.19919/j.issn.2095-2465.2023.08.011作者简介：吕拴录（1957 )，男，本科，教授级高级工程师，从事石油管材失效分析、技术监督和科研工作。通讯作者：黄飞，E-mail：。（收稿日期：2023-03-25）标准既注重工程互换，保证不同生产厂家按标准制造的产品都能互换和配合，方便用户采购与现场管理和使用；又不限制生产厂家采用新技术、新工艺，提高产品质量和安全可靠性，以满足用户的各种需要。标准虽有技术要求、试验方法和检验规则等，但要求均为基本要求、最低要求，内容比较宽泛，适用性也未能清楚界定。因此，仅依靠标准并不能满足所有用户的工程需要1。大量失效分析认为，产品失效原因与订货标准有关，也与使用操作有关。订货标准要求的技术条款不能满足实际使用工况，最终在使用过程中发生了大量失效事故2-3。由于设计不合理和使用操作不规范导致产品非正常损坏，发生的失效事故更多。为了保证产品满足用户使用工况要求，防止失效事故发生，用户订货技术协议在标准的基础上会增加订货补充技术条款。订货技术协议是用户依据工况条件而制定的产品技术要求，并征得生产厂同意，双方签字确认后生效。订货技术协议是工厂生产的依据。工厂生产用户需要的产品，首先应当制定生产技术规范。生产技术规范一般由了解产品使用工况条件，熟悉产品制造工艺流程的技术专家等依据订货技术协议编写，并依据技术协议要求进行试验和检验。生产技术规范和试验方案应广泛听取工厂各个生产技术部门的意见，经过工厂有关部门和专家审批才能实施。工厂在生产技术规范中对技术协议中用户的特殊要求应专门列出，并说明遇到订货技术协议与工厂相关技术规范和标准不一致的情况，应当以技术协议为PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2023.0447检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y准。如果将标准当成技术协议执行，不能保证产品质量，容易发生失效事故4-9。在对某设备驻厂监造过程中监理人员发现，在监理入厂之前工厂已经完成了焊接工艺评定报告和预焊接工艺规程，并已经生产了部分工件，但法兰材料与L245N 和 L360N 管线管焊接评价试验冲击试验温度分别为 0 和 20，不符合用户技术协议规定的设备使用环境最低温度为-19 的要求。监理判定焊接评价试验结果无效，已经焊接的工件全部报废。为了满足用户要求，保证产品质量，本文对该设备法兰与管线管组对焊接材料焊缝质量进行了试验研究。1 焊接工艺试验方案1.1 试样依据 NB/T 470142011承压设备焊接工艺评 定10选择组对焊接材料，试样材料组对及标准见表1。注：试样没有经过焊后热处理。试样编号材料法兰管线管材料牌号执行标准钢级执行标准114Cr1MoIIINB/T 47008201711L245NGB/T 97112017132L360N3ASTM A694 F52ASTM A694200012L245N4L360N表 1 试样材料组对标准1.2 焊接工艺法兰与管线管组对焊接，试样组对及焊接方法见图 1 和表 2。图 1 试样示意图?试样编号材料法兰执行标准管线管型号执行标准焊接方法114Cr1MoIIINB/T 470082017 219.08 mm14.20 mm L245N PSL2GB/T 97112017氩弧焊+药芯焊丝电弧焊2273.05 mm14.20 mm L360N PSL23ASTM A694 F52ASTM A6942000 和技术协议219.08 mm14.20 mm L245N PSL2氩弧焊+手工电弧焊4273.05 mm14.20 mm L360N PSL25219.08 mm14.20 mm L245N PSL2氩弧焊+CO2气保焊6273.05 mm14.20 mm L360N PSL2表 2 不同材料法兰与不同管线管试件组对焊接方法2 焊接工艺试验评定结果2.1 化学成分分析法兰和管线管原材料化学成分分析结果见表 3。元素CSiMnPSCrMoNiCu14Cr1MoIII0.1400.5250.4510.0090.0081.2430.5180.0110.008ASTM A694 F520.1500.2401.2200.0080.0040.0250.0120.006L245N0.1600.2201.1500.0150.0040.0170.0040.0050.002L360N0.1400.3901.3600.0190.0040.0820.0800.0250.058w%表 3 法兰和管线管原材料化学成分分析结果 2.2 拉伸试验采用板状试样进行拉伸试验，拉伸试验结果见 表 4。试样编号试样尺寸抗拉强度Rm/MPa断裂部位及缺陷检查厚度/mm宽度/mm18.0820.27499 断在 L245N 侧母材；断口距焊缝中心 19 mm7.9920.30500 断在 L245N 侧母材；断口距焊缝中心 18 mm214.1020.23614 断在 L360N 侧母材；断口距焊缝中心 24 mm14.1720.44625 断在 L360N 侧母材；断口距焊缝中心 23 mm314.2520.38492 断在 L245N 侧母材；断口距焊缝中心 24 mm14.3320.33488 断在 L245N 侧母材；断口距焊缝中心 21 mm414.9920.36561 断在 A694 F52 侧母材；断口距焊缝中心 15 mm15.0620.29551 断在焊缝；未见缺陷513.9020.37490 断在 L245N 侧母材；断口距焊缝中心 20 mm13.9020.40487 断在 L245N 侧母材；断口距焊缝中心 24 mm614.9220.47529 断在焊缝；未见缺陷14.8620.45530 断在焊缝；未见缺陷GB/T 97112017L245N 415 L360N 460表 4 拉伸试验结果2023.04 设备监理48检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y2.3 弯曲试验1 号弯曲试样厚度为 8 mm，宽度为 38 mm；2 6号试样厚度为 10 mm，宽度为 38 mm。1 号弯曲试样弯曲试验压头直径为 32 mm，2 6 号试样弯曲试验压头直径为 40 mm，所有试样弯曲试验没有裂纹。2.4 冲击试验夏比 V 型缺口试样冲击试验结果见表 5。组别试样尺寸/mmV 型缺口位置试验温度/冲击吸收能量KV2/J17.51055焊缝中心020L245N 侧热影响区16514Cr1Mo 侧热影响区12（1）（按照 GB/T 97112017 规定的 0.8 系数换算为101055 试样）(焊缝中心)(25)(L245N 侧热影响区)(206)(14Cr1Mo 侧热影响区)(15)2101055焊缝中心0194L360N 侧热影响区204614Cr1Mo 侧热影响区213焊缝中心-20130A694 F52 侧热影响区219L245N 侧热影响区2124焊缝中心109A694 F52 侧热影响区174L360N 侧热影响区1975焊缝中心77A694 F52 侧热影响区143L245N 侧热影响区2176焊缝中心87A694 F52 侧热影响区188L360N 侧热影响区226协议及GB/T 97112017101055-19 27注：1）1 6 号试样均未进行焊后热处理。对1号和 2号试样补做 62020 焊后热处理之后，冲击功更差。2）KV2中 K 是冲击吸收能量，V 是缺口类型，下标 2 是摆锤刀刃半径。表 5 冲击试验结果3 分析讨论3.1 试验结果判定订货技术协议规定，该产品使用最低环境温度为-19。NB/T 470142011 中规定，冲击试验温度应不高于钢材标准规定的冲击试验温度。钢材标准抗拉强度（Rm）下限值 450 MPa 时，3 个标准试样冲击功平均值 20 J；钢材标准抗拉强度（Rm）下限值450510 MPa时，3个标准试样冲击功平均值24 J。且最多允许 1 个试样冲击功低于平均值，但不得低于规定最小平均值的 70%。GB/T 97112017石油天然气工业 管线输送系统用钢管中规定，材料外径 508.00 mm，钢级 415 MPa，0 冲击功平均值 27 J，至多允许 1 个试样的冲击功低于最小平均值的 75%。GB/T 20801.22020压力管道规范 工业管道 第 2 部分：材料中规定的冲击功与 GB/T 97112017 中的要求相同。NB/T 470082017 承 压 设 备 用 碳 素 钢 和 合金 钢 锻 件 中 规 定，14Cr1Mo 材 料 在 20 冲 击 功 47 J。冲击试验温度越低，材料的冲击功越低。产品材料韧性必须依据产品的使用环境最低温度来进行评价试验。该项目设备使用环境最低温度为-19，应当在-19 的条件下进行冲击试验。本项目涉及了多个标准，有些标准之间存在差异。当标准与技术协议不一致时，应当以技术协议为准。试 验 结 果 表 明，14Cr1MoIII 材 料 法 兰 分 别 与L245N 和 L360N 钢级管线管组对焊接，按照 GB/T 97112017，在 0 评价焊缝冲击韧性，结果不合格；按照 NB/T 470082017，在 20 评价焊缝冲击韧性，结果也不合格。假设在以上 2 种试验温度条件下，冲击试验结果符合 GB/T 97112017 和 NB/T 470082017 中的规定，但只要不符合技术协议要求，均为不合格。最终由于焊接工艺评定试验温度不符合用户技术协议规定的设备使用环境最低温度（-19），监理判定焊接工艺评价试验报告无效，已经焊接的工件全部报废，直接损失近百万元。3.2 法兰材料选择 3.2.1 14Cr1MoIII 与 ASTM A694 F52 法兰材料选择本次试验采用了 14Cr1MoIII 与 ASTM A694 F52 2 种材料法兰分别与 2 种钢级管线管组对焊接。14Cr1MoIII 材料法兰分别与 2 种钢级管线管组对焊接，在 0 和 20 焊缝冲击试验结果，冲击功不满足技术协议要求。依据金属材料特性，应在订货技PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2023.0449检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y术协议要求的-19 进行焊缝冲击试验，实际冲击试验结果不满足技术协议要求。考虑到采用 14Cr1MoIII 材料法兰分别与管线管焊接的试样，没有经过焊后热处理，焊缝在 0 和 20 冲击试验不合格。本文又对 14Cr1MoIII 材料法兰与管线管焊接试样经过 62020 焊后热处理之后进行冲击试验，试验结果冲击功更低。这进一步说明14Cr1MoIII 材料对焊法兰与管线管焊接后焊缝质量无法满足用户要求。依据试验结果，ASTM A694 F52 材料法兰分别与2 种钢级管线管组对焊接，其焊缝质量完全符合标准和技术协议要求。因此，ASTM A694 F52 材料法兰分别与 2 种钢级管线管组对焊接适用于本产品。3.2.2 法兰选材优化标准对不同法兰材料冲击功要求见表 6。从表 6可知，ASME SA-350 LF6 CL2 和 ASME SA-350 LF6 CL3 材料是 ASME SA-350 SA-350M2019要求缺口韧性试验的管道零部件用碳钢和低合金钢锻件规定的材料，而 ASTM A694 F52 材料不是该标准规定的材料。ASME SA-350 LF6 CL2 比 ASME SA-350 LF6 CL3材料冲击韧性高。因此，相较ASTM A694 F52材料，ASME SA-350 LF6 CL2 和 ASME SA-350 LF6 CL3 法兰材料焊接性能更好，应当进一步分别对 ASME SA-350 LF6 CL2 和 ASME SA-350 LF6 CL3 法兰材料与管线管的焊接特性进行工艺评定试验，以便为该设备选择更好、更经济的焊接法兰材料。序号法兰材料牌号标准名称温度/冲击功/J1ASTM A694 F52ASTM A694/A694M2016 高压传输用管法兰、管件、阀门和零件用碳钢和合金钢锻件标准规范无要求2ASME SA-350 LF6(级)CL2（CLASS 2）ASME SA-350 SA-350M2019要求缺口韧性试验的管道零部件用碳钢和低合金钢锻件-51 273ASME SA-350 LF6(级)CL3（CLASS 3）-18 27表 6 标准对不同法兰材料冲击功要求4 结论与建议1）应当依据技术协议要求评价选择适合本项目的法兰材料和管线管材料。2）14Cr1MoIII 材料法兰分别与 L245N 和 L360N管线管组对焊接，其焊缝拉伸性能和弯曲性能符合技术协议要求，但焊缝冲击功不符合技术协议要求。3）ASTM A694 F52 材料法兰分别与 L245N 和L360N 管线管组对焊接，其焊缝拉伸性能、弯曲性能和冲击功均符合技术协议要求。4）建议分别对 ASME SA-350 LF6 CL2 和 ASME SA-350 LF6 CL3 法兰材料与管线管的焊接特性进行工艺评定试验，为该设备选择更好、更经济的焊接法兰材料。参考文献1 李鹤林,张亚平,韩礼红.油井管发展动向及高性能油井管国产化(上)J.钢管,2007(06):1-6.2 吕拴录,李鹤林,藤学清,等.油 套管粘扣和泄漏失效分析综述J.石油矿场机械,2011,40(04):21-25.3 吕拴录,李鹤林,骆发前,等.结合油田需要，搞好油井管标准化工作 C./石油钻采设备标准化论坛论文集，2005:271-279.4 Lu Shuanlu，Han Yong，Qin Changyi.Crack and fitness-for-service assessment of ERW crude oil pipelineJ.Engineering Failure Analysis,2006,13(04)：565-571.5 吕拴录,袁鹏斌,夏锋社,等.输气管道对接焊缝破裂原因分析 J.中国特种设备安全,2006,22(12):32-35.6 吕拴录,韩勇,赵新伟,等.273.1 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