(中石化第五建設(shè)有限公司，廣州 510145)

Cr22型S31803雙相不銹鋼的TIG焊接工藝應(yīng)用

孫萬田

(中石化第五建設(shè)有限公司，廣州 510145)

為滿足某石化裝置中雙相不銹鋼管道的焊接任務(wù)，采用TIG焊工藝對該材料進(jìn)行了焊接工藝研究，在分析材料焊接性和反復(fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，擬定了合理的焊接材料、焊接方法、焊接工藝參數(shù)以及焊接過程中的操作技巧和操作要點(diǎn)并對焊接接頭進(jìn)行理化試驗(yàn)。結(jié)果表明，擬定的焊接工藝是可行的，焊接接頭性能得到保證，可以為制定類似材料的焊接工藝作參考。

雙相不銹鋼焊接材料焊接工藝鐵素體含量

0 序 言

由中石化第五建設(shè)有限公司承建的某石化裝置共有180 m雙相不銹鋼管道，材質(zhì)S31803，規(guī)格φ168 mm×3.5 mm，共有15道焊口。針對母材使用的實(shí)際工況，擬定出焊接工藝及理化試驗(yàn)方案。通過焊后無損檢測、力學(xué)性能、晶間腐蝕、鐵素體含量檢測等方法驗(yàn)證，總結(jié)出該材料的焊接工藝并應(yīng)用于某石化裝置實(shí)際現(xiàn)場焊接作業(yè)，順利完成了管道焊接任務(wù)。

1 焊接性能分析[1-3]

Cr22型S31803是一種鐵素體與奧氏體各占約50%的雙相不銹鋼，該材料具有較高的屈服強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性能。屈服強(qiáng)度可達(dá)400～550 MPa，是普通不銹鋼的2倍。在聚苯類、辛酸類等氯離子含量較高的工況中表現(xiàn)良好，耐腐蝕性能明顯優(yōu)于普通的奧氏體不銹鋼。化學(xué)成分中Cr含量較高，Si含量較低，而且N含量的提高，使其具有良好的耐腐蝕、耐點(diǎn)蝕以及耐應(yīng)力腐蝕的特點(diǎn)。因此，基于雙相不銹鋼優(yōu)良的綜合性能，已在各個(gè)焊接制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，尤其在石化行業(yè)設(shè)備、輸油輸氣管線等領(lǐng)域，成為一種不可或缺的生產(chǎn)材料。

該材料具有良好的焊接性，焊接冷裂紋及熱裂紋的敏感性較小。通常焊前不需要預(yù)熱，焊后不進(jìn)行熱處理，由于N含量較高，熱影響區(qū)的單相鐵素體化傾向較小。當(dāng)焊接材料選擇合理，層間溫度控制在100 ℃以下，焊接熱輸入控制在10～18 kJ/cm之間，可獲得具有良好性能的焊接接頭。

焊接接頭的性能與焊縫中奧氏體和鐵素體所占比例大小有關(guān)，理想狀態(tài)是當(dāng)兩種組織的比例各約占50%時(shí)，焊縫性能與母材基本相同。由于焊縫熔池在快速加熱和快速冷卻的熱循環(huán)作用下，當(dāng)熱影響區(qū)的溫度在1 150 ℃左右時(shí)，會發(fā)生奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變，使該區(qū)域奧氏體含量降低，鐵素體含量增加。而焊后冷卻速度過快時(shí)，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變會由于溫度原因受到抑制，從而導(dǎo)致熱影響區(qū)鐵素體含量過大。如果冷卻速度過慢，有可能產(chǎn)生鐵素體晶粒粗大和δ相析出，使焊接接頭力學(xué)性能和耐腐蝕性能下降。

因此，要保證良好的焊接接頭性能，應(yīng)重點(diǎn)對層間溫度、熱輸入、焊縫冷卻速度等方面進(jìn)行有效控制。

2 試驗(yàn)材料[1,4]

2.1 保護(hù)氣體

為保證焊接質(zhì)量，采用高純度氬氣作為保護(hù)氣體，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.999%，正面氬氣流量12～18 L/min，背面氬氣流量10～16 L/min。

2.2 鎢極

選用鈰鎢極，規(guī)格φ2.5 mm，使用前將鎢極端部磨成錐形，尖端磨平。噴嘴直徑φ10 mm。

2.3 焊接材料

根據(jù)S31803雙相不銹鋼焊接特性，打底焊、填充及蓋面焊均采用TIG焊接工藝。焊絲選用瑞典SANDVIK公司生產(chǎn)的ER2209實(shí)心焊絲，規(guī)格φ2.0 mm。焊接材料化學(xué)成分見表1，S31803雙相不銹鋼力學(xué)性能見表2。

表1 S31803雙相不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 S31803雙相不銹鋼力學(xué)性能

3 焊接工藝[2]

3.1 母材切割

切割前，首先應(yīng)注意將母材與碳鋼類胎具進(jìn)行有效隔離。切割時(shí)，運(yùn)用等離子或無碳砂輪片進(jìn)行切割。完成后，用不銹鋼絲刷和干抹布對打磨后的金屬粉末進(jìn)行徹底清理。

3.2 加工坡口

焊縫坡口采用管道坡口機(jī)進(jìn)行加工。加工后坡口的表面硬化層采用無碳砂輪片進(jìn)行打磨清理，打磨時(shí)母材溫度不宜過高，并對打磨后的金屬粉末進(jìn)行徹底清理。圖1為坡口加工簡圖。

圖1 坡口加工組對圖

3.3 坡口組對及定位焊

組對前，將母材表面及內(nèi)、外兩側(cè)80 mm范圍內(nèi)采用無碳砂輪片打磨直至露出金屬光澤，再用有機(jī)溶劑對打磨部分進(jìn)行擦拭。擦拭完成后，用不銹鋼絲刷去除母材表面殘存的污物。

組對時(shí)，要保證管道內(nèi)壁平齊，嚴(yán)格控制錯(cuò)邊量，在焊接時(shí)可有效預(yù)防未焊透、裂紋、氣孔等缺陷。

定位焊應(yīng)與根部焊道的正式焊接工藝相同，管道內(nèi)部需進(jìn)行充氬保護(hù)。定位焊以管道圓心為準(zhǔn)呈60°均布3點(diǎn)，焊縫長度30 mm，定位焊縫不得有裂紋及其它缺陷。定位焊縫的兩端宜磨成緩坡形狀，以便打底焊時(shí)接頭部位能充分熔合。

3.4 焊接

管道焊接時(shí)需采用單面焊雙面成形工藝。焊接時(shí)，為保證焊縫根部熔合良好，對管內(nèi)空氣進(jìn)行置換。焊接前通入氬氣3～5 min，流量為5～6 L/min，置換干凈管內(nèi)空氣，如圖2所示。

圖2 管道內(nèi)部充氬保護(hù)

打底焊時(shí)，焊槍端部距離坡口處1～2 mm，使用高頻引弧。正面保護(hù)氬氣流量為12～18 L/min，背面保護(hù)氬氣流量為10～16 L/min。焊絲送進(jìn)端要一直處于保護(hù)氣體中，防止氧化產(chǎn)生雜質(zhì)。選用小電流、快速焊的操作方法，防止熱輸入過高產(chǎn)生裂紋缺陷。焊槍根據(jù)熔池變化進(jìn)行擺動，擺幅不大于焊絲直徑的2.5倍為宜。施焊過程中焊槍盡量與焊件垂直，這樣不僅能控制好熔池大小，還能使焊槍噴出的氬氣均勻的保護(hù)熔池而不產(chǎn)生氧化現(xiàn)象。打底完成后仔細(xì)觀察焊縫根部是否熔合良好，若出現(xiàn)縮孔應(yīng)及時(shí)采用無碳砂輪片進(jìn)行清理。

填充焊、蓋面焊時(shí)，層間溫度控制在小于100 ℃之內(nèi)。焊槍在坡口兩側(cè)稍作停留，確保熔池與坡口熔合良好。焊縫應(yīng)一次性連續(xù)焊完，如出現(xiàn)熄弧，需將熄弧處進(jìn)行打磨。收尾處打磨成斜坡狀，先用電弧的熱量把斜坡處預(yù)熱并熔化成熔孔時(shí)，快速將焊絲送入熔池，收弧時(shí)注意填滿弧坑。焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 S31803(φ168 mm×3.5 mm)焊接工藝參數(shù)

4 檢測結(jié)果與分析

焊接完成后，對焊縫外觀質(zhì)量進(jìn)行檢查。焊縫與母材圓滑過渡，表面不存在明顯裂紋、未熔合、氣孔等缺陷[3]。試樣按照NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》采用射線檢測均為I級合格。

4.1 拉伸與彎曲測試結(jié)果

按照GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》以及GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能檢測，抗拉強(qiáng)度平均值792 MPa，檢測結(jié)果與母材力學(xué)性能匹配。彎曲試樣經(jīng)180°彎曲后，未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，說明焊接接頭塑性良好，抗彎能力較強(qiáng)。

4.2 晶間腐蝕與鐵素體檢測結(jié)果

按照GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》采用E法檢測，試樣在硫酸-硫酸銅溶液中沸煮16 h，腐蝕后彎曲180°未出現(xiàn)晶間腐蝕裂紋。結(jié)果證明，焊接接頭有較強(qiáng)的抗晶間腐蝕能力。

按照GB/T 1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測量方法》采用金相法對焊縫截面進(jìn)行鐵素體含量測試。結(jié)果顯示焊縫區(qū)鐵素體含量54.2%，熱影響區(qū)鐵素體含量51.8%，如圖3所示。

圖3 微觀組織

試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接雙相不銹鋼時(shí)，采用手工鎢極氬弧焊焊接，可保證焊接接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。

5 應(yīng)用實(shí)例

按照上述工藝，對現(xiàn)場15道焊縫進(jìn)行施焊，焊縫外觀質(zhì)量符合規(guī)范要求。經(jīng)射線檢測焊接一次合格率100%。鐵素體含量檢測由現(xiàn)場第三方檢測公司進(jìn)行，測試結(jié)果鐵素體含量在45%～65%之間?，F(xiàn)場系統(tǒng)水壓試驗(yàn)一次通過。截至目前為止，該管線運(yùn)行良好。

6 結(jié) 論

(1)通過擬定合理的焊接工藝參數(shù)，采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┖附拥脑嚰?，?jīng)過拉伸、彎曲、晶間腐蝕和鐵素體檢測，焊接接頭性能良好，焊縫內(nèi)部無缺陷，符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，可用于雙相不銹鋼管道的焊接。

(2)按上述方法和工藝對承攬的管道進(jìn)行焊接，焊后按規(guī)范要求進(jìn)行射線檢測，合格率100%。該管線現(xiàn)已投產(chǎn)使用，運(yùn)行穩(wěn)定。

[1] 中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊第二卷 材料的焊接(第3版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2] 郭新芳，萬夫偉. 2205雙相不銹鋼小徑管GTAW焊接工藝[J].焊接技術(shù)，2016，45(10):44-47.

[3] 國家能源局.NB/T 47014—2011 承壓設(shè)備焊接工藝評定[S].北京：新華出版社，2011.

[4] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.SH 3501—2011石油化工有毒、可燃介質(zhì)鋼制管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].北京：中國石化出版社，2011.

2017-03-15

TG444

孫萬田，1983年出生，大學(xué)本科，工程師。主要從事石油化工設(shè)備及管道焊接技術(shù)管理工作，已發(fā)表論文4篇。