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SHT355435333613宣贯稿
《石油化工钢制管道焊接热处理》SH/T3554-2013
《石油化工给水排水管道工程施工及验收规范》SH/T3533-2013和《石油化工非金属管道工程施工技术规程》SH/T3613-2013
宣贯资料
中国石化集团施工技术淄博站
二〇一四年十月
石油化工钢制管道焊接热处理规范
(SH/T3554—2013)
一.前言
随着石油化工装置大量的炼制高含硫原油以及运行条件苛刻度越来越高,对焊接接头的性能也提出了更高的要求,往往需要通过热处理以消除焊后应力、改善焊缝金属的组织和性能,所以规范热处理操作程序已显得十分迫切。
但在石油化工行业标准中有关焊接接头的热处理内容是分散在SH3501、SH/T3520、SH/T3525、SH/T3526等几个标准中,而这些标准仅提出了焊后热处理的一些技术要求,对热处理人员、具体操作没有专门的要求,所以有必要编制一个系统的热处理专业技术规程,为石油化工行业焊接热处理工作及质量监督提供依据。
在此背景下,《石油化工钢制管道焊接热处理规范》编制要求应运而出。
本规范由中石化宁波工程有限公司主编、石油化工工程质量监督总站镇海炼化分站等单位参编,中国石油化工集团公司施工技术淄博站等多家单位共同参与完成。
2009年提出编制申请后,编制组2011年前形成初稿,2011年5月完成了意见征集,经修改形成了送审稿,其后分别于2012年7月、2013年6月组织召开送审稿和报批稿的审查会,经设计、施工、质量监督等单位的各位专家代表审查讨论,截止到2013年7月最终定稿报批。
本规范共分11章和4个附录。
主要技术内容是:
基本规定,焊接热处理方案,设备和材料,工艺要求、技术措施、检查和检验、安全要求等。
本规范制订过程中,编制组进行了大量的调查研究,总结了我国石油化工工程建设中钢制管道焊接过热处理的实践经验,同时参考了国外技术法规、技术标准(如ASMEB31.3工艺管道、AWSD10.10管道焊接局部加热推荐规程、AWSD10.8铬钼钢焊接规程等规范),通过试验(如测温点的布置试验等等),取得规范编制依据,更加直观说明焊接热处理中使用设备材料、工艺要求和技术措施,明确了检查、检验和安全要求,能够更加规范石化工程焊接热处理的施工和管理。
本规编制过程,解决的主要问题如下:
a)从焊接热处理原理角度,参考国外标准,首次引入了均温带等热处理新概念,并使之与现行技术要求等结合。
b)明确了焊接热处理方案中的基本内容,统一了焊后热处理工艺卡格式。
c)首次系统描述了石油化工钢制管道焊接热处理使用设备和材料。
d)对焊接热处理工艺要求进行了详细要求,在引入均温带、加热带、保温宽度概念基础上,针对预热、后热和焊后热处理过程工艺要求进行了分别说明,更新了常用管道材料焊后热处理温度和保温时间,与最新ASME等标准保持一致。
e)结合实际经验,在目前国内规范中首次对焊接热处理技术措施进行要求,分为温度测量、测温点布置、热电偶固定、加热器安装等内容。
f)对与焊接热处理的有关的检查和检验进行了规定和系统性描述。
g)首次在国内规范中对奥氏体不锈钢稳定化热处理和热电偶固定中电容放电焊接程序进行了描述。
h)对焊接热处理安全环保要求进行了要求。
二.宣贯内容
3术语和定义
3.2
保温宽度gradientcontrolband(GCB)
为控制管道热处理部位的轴向温度梯度符合要求而规定的保温材料覆盖最小宽度。
[释义]依据热处理原理,参考AWSD10.10《管道焊接局部加热推荐规程》等规范内容,在焊接热处理的的预热、后热和焊后热处理中引入,加强大家对相关过程了解。
4基本规定
4.1焊接热处理操作人员应经过专项培训并取得相应的资格证书。
[释义]对热处理机操作人员要求经过培训考核取得相应资格证书,但相关行政许可规定出台前,资格证书可由企业或行业协会发放。
专项培训内容包括了解热处理的工艺过程,掌握常用钢种的热处理工艺及要求,熟悉所使用的热处理设备构造,异常问题处理。
4.2焊接热处理施工前应编制热处理施工方案或在焊接方案中体现相关内容,并进行技术交底。
[释义]焊接热处理相关要求,可在施工前编制的热处理方案或在其他焊接等施工方案中体现,“热处理方案”是基于SH/T3550中4.3.3条“对大于等于5%铬钼钢等材料焊接及热处理编制重大施工技术方案”规定,同时要对相关焊接热处理操作人员、焊工等进行技术交底。
4.3焊接热处理操作人员应按焊接工艺卡或焊后热处理工艺卡要求进行焊接热处理。
焊后热处理工艺卡格式参见附录A。
[释义]“焊接工艺卡”指现场焊接作业指导书。
4.4焊接热处理应在上道工序检查合格后进行,焊接热处理完成后应有清晰的可追溯标识。
[释义]为强调热处理过程控制重要性,要保证每道工序都得到有效控制,预热、后热、焊后热处理均要在各自上道工序完成并符合要求后进行。
管道标识在焊接热处理过程中破坏的,要及时移植,保证可追溯性。
4.4焊接热处理应在上道工序检查合格后进行,焊接热处理完成后应有清晰的可追溯标识。
4.5焊接热处理作业时应根据环境条件采取防风、防雨水等措施,否则应停止作业。
[释义]当风、雨等气象因素或者水等不利因素可能对焊接热处理产生不利影响时,要采取防护措施,影响无法避免时,停止施工,比如现场垂直固定管道焊接接头,不易防护且雨水会顺管道流淌,影响处理效果。
5焊接热处理方案
5.1焊接热处理方案应有预热、后热和焊后热处理的内容及要求。
5.2焊接热处理方案应包括以下内容:
A)管道工程概况;
B)编制依据(设计文件、标准规范、合同等);
C)热处理设备名称、型号;
D)加热器放置及测温点布置;
E)保温材料品种、规格及铺设;
F)热处理工艺参数:
加热速度、保温温度、保温时间与冷却速度;
G)必要的管道加固措施和其他技术要求;
H)质量管理措施和质量检验要求;
I)安全技术措施及专项应急预案。
[释义]必要的管道加固措施指本规范中7.1.2条要求加固措施。
质量管理措施包括质量保证体系、组织机构和责任人员等内容。
专项应急预案是针对热处理施工中具体的事故类别(如触电等事故)、危险源和应急保障而制定的计划或方案,工程整体综合应急预案中能够体现此部分内容的,允许不在焊接热处理方案中具体体现,但要有指引。
6焊接热处理设备和材料
6.1焊接热处理设备和保温材料应有产品质量证明文件。
6.2焊接热处理电加热设备系统应包括控制系统、电加热器、温度测量设备以及辅助设备、材料。
[释义]辅助设备、材料主要是指热电偶点焊机、保温材料(如硅酸铝纤维毯、纤维布)、线缆、插座(头)等。
6.3控制系统应采用程序控制器或计算机等自动化方式控制电加热过程,显示装置宜有冷端温度自动补偿装置。
[释义]控制系统控制过程直观可视,具有操作提示和运行状态显示功能,有曲线、表格、动态显示图和声光报警等多种输出方式,控制温度精度允许在±5℃以内,可外接加热器、测温仪器和自动温度记录仪等设备,能对热处理过程中温度连续测量和记录,形成温度-时间自动记录曲线。
补偿导线要根据热电偶的型号和使用温度选择,与K分度热电偶相匹配的补偿导线型号参见表1。
补偿导线的布置不要与供电线路缠绕在一起,与热电偶丝连接时要采用接线座,不要将两根导线直接拧接在一起。
使用补偿导线后,若冷端温度仍不稳定,要采取冷端温度补偿措施。
表1推荐使用的补偿导线
补偿导线型号
补偿导线名称
代号
温度范围
℃
允许误差
℃
KX
铬镍10-铬硅3延长型导线
KX-GS
-20~100
±1.5
KCB
铜-铜镍40
/
0~100
/
KCA
铁-铁镍22
/
0~100
/
6.4电加热器可采用履带式、绳状、指状和抱合式陶瓷电阻加热器,电阻加热器技术条件参见附录B。
[释义]电阻加热器由基体、发热体及引出线、承插式接插件等附件组成,可根据被加热管道的规格和加热面积大小,组成相应的电加热器,常见有绳状加热器、履带式加热器等。
当同炉控制多根(片)电加热器时,其电阻的偏差值不超过5%。
6.5温度测量设备可采用热电偶、接触式测温仪、非接触式光学或电子测温仪器,测量范围、精度均应满足工艺要求,并在检定有效期内使用。
[释义]常用热电偶参数参见表2。
表2常用热电偶参数
名称
分度号
等级
使用温度
℃
允许偏差
℃
镍铬-镍硅
K
Ⅰ
-40~1100
±1.5℃或±0.4%tu
Ⅱ
-40~1300
±2.5℃或±0.75%tu
镍铬-铜镍(康铜)
E
Ⅰ
-40~800
±1.5℃或±0.4%tu
Ⅱ
-40~900
±2.5℃或±0.75%tu
注:
tu为测量温度,℃。
6.7保温材料性能应满足工艺和环保要求,不得含有对管道有害的元素与杂质。
[释义]本条规定中不得含有对管道有害的元素和杂质目前主要针对奥氏体不锈钢要求,具体控制时可参照GB/T17393执行。
7工艺要求
7.1一般要求
7.1.2当焊后热处理对管道的稳定性产生影响时,应采取临时支、吊架等加固措施。
[释义]编制焊接热处理方案或者工艺卡时要考虑焊后热处理过程中风力、震动、自重等因素对管道的稳定性产生影响。
确定有影响时要在工艺中明确加固措施,临时支、吊架等加固措施按照正式制造要求执行。
7.1.3管道预拉伸或者预压缩时,焊接接头组对所用的工具、卡具,应待焊接热处理完成并经检验合格后,方可拆除。
7.1.4在对管道进行焊后热处理时,管道两端应处于封闭状态。
奥氏体不锈钢焊后热处理冷却过程中,管道两端封闭应去除。
[释义]管道两端应处于封闭状态是为避免穿堂风对焊后热处理过程影响,但特殊情况下例外,如奥氏体不锈钢焊后热处理冷却过程中常采用吹风加速冷却过程。
7.1.5焊后热处理过程中管道上的焊接阀门应处于适度开启状态,法兰连接的管道应在法兰侧焊接接头焊后热处理合格后安装。
[释义]适度开启状态能有效减少焊接阀门焊后热处理后内部易变形、胀紧情况。
现场预组装法兰,应拆除后进行焊后热处理,既是保证法兰侧焊接接头热处理效果,也是防止某些管道组成件、仪表设备一起进行焊后热处理而损坏(如塑料材质内衬的流量计等)。
7.2预热
7.2.2管道材料有特殊要求时,应在设计文件中明确预热温度和道间温度。
常用管道材料的预热温度应符合表7.2.2中的规定。
表7.2.2常用管道材料的预热温度
母材类别
名义厚度
mm
母材最小规定抗拉强度MPa
预热温度
℃
碳钢
≥25
全部
≥80
全部
>490
碳锰钢
≥15
全部
≥80
全部
>490
Cr≤0.5%的铬钼合金钢
≥13
全部
≥80
全部
>490
0.5%<Cr≤2%的铬钼合金钢
全部
全部
≥150
2.25%≤Cr≤10%的铬钼合金钢
全部
全部
≥180
[释义]预热主要目的之一是防止焊缝和热影响区产生的氢致裂纹,后热主要目的也是防止氢致裂纹,因此最小的预热温度要保持到后热开始。
而通常最大预热和道间温度限制要求主要用于达到特殊的性能目的,如保证低温冲击韧性或奥氏体不锈钢和非铁基合金抗腐蚀性能,同时也出于保护焊工的健康和效率考虑。
7.2.3异种钢预热温度应按淬硬倾向较大的母材要求确定,且不低于该母材要求预热温度的下限值。
7.2.4预热可采用火焰加热、电阻加热。
公称直径150mm或名义壁厚20mm以上管道预热宜采用电阻加热法。
加热应在坡口两侧均匀进行。
[释义]考虑到目前行业现状,本规范推荐了火焰加热、电阻加热两种方法,但不限制同时也鼓励使用其他加热方法。
7.2.5预热加热带宽度最小范围宜为坡口中心两侧各不小于壁厚的5倍,且不应小于100mm。
[释义]预热时,尤其使用火焰加热时不仅可能在厚度方向,也可能在圆周上产生过大的温度梯度。
因此要注意沿圆周方向缓慢加热,保证均匀受热,同时结合温度监测保证预热效果。
当安全及现场条件允许,外部焊接时管内预热效果更好。
7.2.6电阻加热时,加热宽度及以外100mm范围应保温,持续加热时,加热器距坡口边缘距离宜为25mm。
预热时均温带、加热带和保温宽度示意见图7.2.6。
[释义]消氢、预热、道间加热及后热的温度相对焊后热处理温度较低,保温宽度不是影响加热效果关键因素,实际使用电阻加热器进行预热或道间加热时,使用保温材料的主要目的是出于保护焊工考虑,因此,保温宽度与预热效果好坏关系不大。
t—管道名义壁厚;W—焊缝宽度;SB—均温带;HB—加热带;GCB—保温宽度
图7.2.6预热时均温带、加热带和保温宽度示意
7.2.7有预热要求的管道焊接接头,中断焊接后恢复焊接前应按相同工艺要求进行重新预热。
[释义]所有铬钼钢推荐预热,包括点焊。
焊接过程中要保持预热温度不低于工艺要求,直到后热或者焊后热处理开始。
7.2.8有预热要求的多道焊焊接接头焊接时,其道间温度不得低于预热温度,否则应采取持续加热措施。
7.3后热
7.3.1后热应在焊接完成后立即进行,管道焊接完成后能立即进行焊后热处理时可不进行后热。
[释义]本条中“立即进行”是指焊接完成后,焊缝温度降至规定的最低预热温度前进行。
焊接接头后热主要目的是消除氢,防止氢致裂纹,在焊接高强钢和合金钢时(奥氏体不锈钢除外),焊材、母材使用不当或者预热(道间)温度未起到效果时,极易存在潜伏氢。
但对P91管道,为保证马氏体生成,焊后不要立即进行焊后热处理,待接头温度降至80℃~120℃,保温时间1h~2h后立即进行。
7.3.2后热应采用电阻加热法,均匀加热到300℃~350℃后保温缓冷,保温时间不应小于0.5h。
[释义]根据多个国外标准,后热是在较低温度(如149℃~316℃)下的加热处理。
AWS10.8中明确,当Cr-Mo钢焊接接头中断焊接或焊接完成时,将后热温度提高到预热温度加50℃至少保持15min,甚至到4小时,让氢溢出以减少氢致裂纹的风险。
这种加热工艺温度(后热温度)要随材料合金含量、淬硬倾向和接头拘束度的提高而提高。
当材料厚度较大或预热温度较低时,要考虑延长保温时间和采取较高的温度,建议谨慎选择高于316℃以上温度,故后热需要对温度进行限制。
本条规定后热温度和时间,是为与现行国家或行业标准保持一致。
7.4焊后热处理
7.4.2常用管道材料焊后热处理温度和保温时间,应按表7.4.2中规定确定:
表7.4.2常用管道材料焊后热处理温度和保温时间
母材类别
名义厚度
mm
母材最小规定抗拉强度
MPa
金属热处理温度
℃
保温时间
布氏硬度
公称壁厚
min/mm
最短保温时间
h
碳钢、碳锰钢
>20a
全部
600~650
2.4
1
≤200b
Cr≤0.5%的铬钼合金钢
>20
全部
600~720
2.4
1
≤225
全部
﹥490
0.5%<Cr≤2%的铬钼合金钢
>13
全部
700~750
2.4
2
≤225
全部
﹥490
2.25%≤Cr≤3%的铬钼合金钢
C≤0.15%
>13
全部
700~760
2.4
2
≤241
C>0.15%
全部
全部
700~760
2.4
2
≤241
3%<Cr≤10%的铬钼合金钢
全部
全部
700~760
2.4
2
≤241
注a对于特定腐蚀介质的管道,全部厚度应根据设计要求进行热处理。
注b当设计对碳钢热处理后的硬度试验有规定时,其硬度可按本表取值。
[释义]焊后热处理是通过加热、保温等方式使均温带在一定时间内保持所要求的温度范围,从而保证特定金属部分达到期望的效果。
焊后热处理(不包括稳定化热处理)主要目的有两个,一个是消除残余应力,另外一个是改善焊接接头组织,既常称的焊后回火处理。
7.4.3对接焊缝的焊后热处理厚度为焊接接头处较厚的工件厚度,支管连接的焊后热处理厚度为主管或支管厚度的较大值。
[释义]本条明确了焊后热处理计算中,焊后热处理厚度选取要求。
7.4.8保温宽度宜不小于加热带宽度加200mm。
[释义]加热带宽度选择,AWS和ASME规范均有不同描述,主要考虑应力和温度梯度影响。
一般首先考虑厚度方向的温度梯度,加热宽度要保证在均温带内所需温度延伸到整个厚度,再就是局部加热将产生弯矩和剪切应力,加热宽度和温度分布影响这些应力分布和位置。
尽管考虑这些计算公式各不相同,但最终都是保证能达到所需求的均温带的温度。
为简化计算,本规范中对均温带、加热带和保温宽度进行了统一规定。
在AWSD10.10《管道焊接局部加热推荐规程》中列出了基于ASMEⅢ、B31.3、B31.1等多个规范要求分别计算出的均温带、加热带和保温宽度值供选择使用。
表3列出了基于B31.3要求计算出的部分规格管道焊后热处理各带最小值以及要求设置热电偶数量,供大家参考。
表3部分规格管道焊后热处理各带参考值(部分)
管道公称直径DN
管道外径D
mm
壁厚T
mm
均温带SB
mm
加热带HB
mm
HB之外保温宽度GCB
mm
热电偶个数
200
219.08
8.18
58
211
114
2
200
219.08
12.7
64
241
140
2
200
219.08
18.26
69
274
163
2
200
219.08
23.
500
508
9.53
61
254
193
4
500
508
26.19
79
386
310
4
500
508
38.1
114
452
363
4
500
508
50.
4
800
812.8
7.92
58
285
224
5
800
812.8
9.53
61
307
246
5
800
812.8
12.7
64
345
282
5
800
812.8
15.88
66
381
315
5
7.4.11焊接接头返修后进行焊后热处理时,均温带应环绕包括返修部位在内的全周长焊接接头。
[释义]若焊接接头焊后热处理完成后又进行了返修,则要重新进行焊后热处理。
本条是对返修部位进行处理时的要求。
7.5异常情况处理
7.5.1热处理自动记录曲线异常时,应分析查明原因。
[释义]焊接热处理过程中影响因素很多,自动记录曲线不完整或局部异常时,在决定是否重新进行焊后热处理前需慎重,要认真分析查明原因,避免不必要多次处理。
7.5.2保温过程中温度小于热处理规定温度范围值时,应重新加热至规定值,累计有效保温时间不得低于工艺要求的保温时间。
[释义]原则上保温过程中最低至最高保温温度区间要在规定的热处理温度范围内,累计有效保温时间是指保温过程中温度停留在规定热处理温度范围内的时间之和。
7.5.3保温过程中温度超过热处理规定温度范围值且小于材料的下临界温度时,应冷却至规定值,累计有效保温时间不得低于工艺要求的保温时间。
焊后热处理完成后应对此部位增加金相检验。
部分材料下限临界温度近似值见表7.5.3。
[释义]出现此类异常情况时,需要委托检测单位对热处理后接头进行现场金相检测,观察组织变化。
表7.5.3部分材料下限临界温度近似值
材料
下限临界温度近似值
℃
碳钢
725
碳钼钢
730
1Cr–0.5Mo
745
1.25Cr–0.5Mo
775
2.25Cr–1Mo、3Cr–1Mo
805
5Cr–0.5Mo
820
9Cr
800
7.5.4保温过程中温度超过材料的下临界温度时,此管段应报废。
[释义]本规范仅列举了部分材料下限临界温度近似值,焊后热处理过程中保温温度超过材料下限临界温度近似值时,材料组织机械性能均发生变化,要避免这种情况出现。
7.5.5冷却速度大于规定要求时,应重新进行热处理。
[释义]足够慢的冷却速度可以避免由于快速冷却而产生新的残余应力。
7.5.6热电偶失效时,应及时切换备用热电偶或停止焊后热处理作业更换热电偶。
8技术措施
8.1温度测量
8.1.1焊接热处理的温度测量可采用符合本规范6.5条规定的合适测量设备进行。
[释义]热电偶根据焊件的大小、测量温度范围等选择。
红外测温仪等使用时注意其温度测量范围。
8.1.2管道名义厚度小于或等于50mm时,预热温度可在正对焊接的工件表面,距坡口边缘4倍工件厚度且不超过50mm的距离处测量。
名义厚度大于50mm时,参见GB/T18591相关规定。
[释义]测量火焰加热的预热温度时,为了确认热透而不是表面加热,要待加热源离开后一分钟再进行温度测量比较合理,外侧加热且进行双面焊时,建议在内测进行测温。
8.1.3道间温度应在焊缝金属或相邻母材金属处测量,并在电弧经过之前的焊接区域内测得。
8.1.4焊后热处理的加热、保温、冷却温度应采用热电偶进行连续测量,自动温度记录仪记录。
热电偶测温应采用补偿导线引出。
热电偶、补偿导线、测温仪表型号、极性和精度应相匹配。
[释义]多个热电偶要避免采用“并线”连接方式,实际检查中,常发现即将指示不正确的热电偶线与指示正确的热电偶补偿导线并联情况,无论哪种原因“并线”连接,记录显示温度均非需要测量的温度。
8.1.5热处理曲线应清晰,曲线图应包括以下内容:
a)曲线记录编号;
b)热处理起始时间;
c)热处理设备编号;
d)焊缝编号与曲线的对应关系;
e)管道编号、材质和规格;
f)刻度代表的时间和温度;
g)热处理操作工和热处理责任工程师签字。
[释义]热处理设备,可采用设备的出厂编号或与其保持一致的现场设备管理自编号,保证可追溯性。
记录纸上生成温度—时间自动记录曲线时,原则上要求一个热电偶对应一条曲线,同一记录纸上曲线要用不同颜色区分。
8.2焊后热处理测温点布置
8.2.1焊后热处理的测温点不得少于表8.2.1规定。
表8.2.1焊后热处理测温点数量
管道公称直径
测温点数量
DN<300
1
300≤DN<500
2
500≤DN<750
3
DN≥750
4
[释义]一般情况下一个测温点对应一个热电偶。
对重要管道,为避免处理过程中热电偶失效时造成不必要的重新热处理,建议在测温点上增加备用热电偶。
8.2.2测温点沿焊缝圆周均匀分布。
水平放置的管道应在焊缝的底部优先布置1个测温点。
垂直放置的管道宜在焊缝的下侧布置测温点,测温点布置示意见图8.2.2。
图8.2.2测温点布置示意
[释义]水平位置管道对接焊缝,由于空气自然热对流,12点位置可能比6点位置温度高,特别是6点钟内表面可能是热处理过程中温度最低点,这两个位置温度需要被控制和监测,尤其是6点钟位置。
当管径增大时,为保证焊后热处理效果,可采用多种方式改善这种情况。
如增加周向控制加热区,控制12点位置的温度为允许温度范围的上限;在6点钟位置外表面增加保温层厚度;使用偏心加热器布置(6点位置加热器宽度比12点位置宽);管道内表面保温等。
垂直放置管道,空气的自然热对流也会使焊缝下侧温度低于上侧温度。
不等厚的焊接接头,为了监测温度较低部位,要至少有1个测温点布置在焊接接头较厚侧。
8.2.3当采用多个回路加热同一焊接接头时,每个回路加热器应至少布置1个测温点,多回路加热测温点布置示意见图8.2.3。
图8.2.
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