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(1.大慶油田工程建設有限公司，黑龍江 大慶 163453；2.大慶油田礦區(qū)服務事業(yè)部，黑龍江 大慶 163712)

某集氣站油田伴生氣回收系統(tǒng)工程中多臺容器內(nèi)的介質(zhì)為天然氣、污水、混合烴及CO2，腐蝕性較強。若容器材料選用碳鋼，在長周期運行中介質(zhì)會對容器產(chǎn)生強腐蝕，造成設備提前失效。若容器材料完全采用不銹鋼，同等強度下設備厚度增加，材料成本會大幅提升。因此設計中這些容器的材料選用了不銹鋼復合板，基層為具有良好焊接性能的低合金鋼Q345R[1-3]，以保證設備運行所需的強度指標;覆層為具有良好耐酸抗腐蝕性能的S31603，可以有效降低設備的材料成本。此批次不銹鋼復合板容器厚度(基層+覆層)為(10+3)～(30+3) mm。大慶油田工程建設有限公司以往填充復合層多采用焊條電弧焊方法，焊工操作方便，焊接作業(yè)容易實施。但填充復合層都是在容器內(nèi)部施焊，采用焊條電弧焊焊接時會產(chǎn)生大量的煙塵，工作環(huán)境極其惡劣，勞動強度大，焊縫質(zhì)量不易控制。且此批次所有不銹鋼復合板容器的填充焊縫總長將近300 m，堆焊工作量較大。

筆者在分析材料焊接性和焊接難點的基礎上，采用半自動熔化極氣體保護焊(GMAW)方法進行此批次不銹鋼復合板的覆層堆焊，制訂了更加合理的焊接工藝，在保證不銹鋼復合板焊縫質(zhì)量的同時提高了焊接生產(chǎn)效率[4-9]。

1 不銹鋼復合板焊接性分析

對Q345R的焊接已有成熟的焊接工藝，可根據(jù)設備的直徑、厚度分別采用埋弧焊、焊條電弧焊及鎢極氬弧焊，并根據(jù)其化學成分及力學性能選取相應的焊接材料[10-13]。

不銹鋼復合板焊接的主要難點是由低合金鋼向不銹鋼過渡部分的焊接。焊接過渡層時，基層金屬對填充材料有稀釋作用，極易產(chǎn)生貧鉻區(qū)，過渡稀釋的焊縫金屬極易形成脆硬的馬氏體組織，易產(chǎn)生裂紋。因此過渡層焊接宜選用Cr、Ni元素質(zhì)量分數(shù)相對較高的焊接材料，以抵消基層金屬對填充材料的稀釋作用，防止硬脆組織的產(chǎn)生[12-16]。此外，在不銹鋼復合板焊接過程中還要保證待堆焊工件表面的清潔。

2 不銹鋼復合板焊接坡口設計

2.1 坡口形式

不銹鋼復合板的焊接順序一般是先焊接基層低合金鋼，再焊接復合層[10-16]。因此在焊接中要考慮兩種材料的有效分離，以免焊金屬材料與焊接材料不匹配，直接導致產(chǎn)生焊接缺陷。以往在大直徑不銹鋼復合板焊接結(jié)構(gòu)設計中采用將覆層材料去除，并向基層側(cè)增加1～2 mm余量的坡口結(jié)構(gòu)形式，見圖1。

圖1 常用不銹鋼復合板對接焊縫坡口結(jié)構(gòu)

根據(jù)實際焊接中的經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)坡口尖角處是焊接缺陷，特別是未焊透缺陷的高發(fā)區(qū)，經(jīng)常造成不必要的返修。為此將坡口形式進行了微量調(diào)整，即增大溝槽角度，減緩尖角程度，從而提高了焊接的熔合性，具體結(jié)構(gòu)形式見圖2。

圖2 微調(diào)后不銹鋼復合板對接焊縫坡口結(jié)構(gòu)

對此次不銹鋼復合板容器制造項目中一些直徑小、厚度薄的設備，選用外側(cè)鎢極氬弧焊打底，單面焊雙面成型方式，以減少覆層的填充量，具體坡口結(jié)構(gòu)形式見圖3。

圖3 對接焊縫單面焊雙面成型坡口結(jié)構(gòu)

焊接之前要清除坡口面及其兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)的銹跡、油污以及氧化皮等影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)，尤其是要采用丙酮清理覆層油污。為了防止焊接飛濺物損傷覆層表面，削弱復合層的耐蝕性，焊前在坡口兩側(cè)各150 mm范圍內(nèi)均勻涂刷不含Cl-的焊接防飛濺劑。

2.2 坡口加工

在實際制造過程中一般采用機械冷加工方法進行不銹鋼復合板坡口的制備，即在平板下料時用刨邊機或者帶有成型刀具的銑邊機對鋼板進行坡口加工，加工之后檢查坡口尺寸，各尺寸必須符合相關設計要求。

3 不銹鋼復合板焊接工藝要點

3.1 焊接方法

綜合考慮以往工程經(jīng)驗、公司現(xiàn)有設備資源以及焊接工藝評定儲備情況，依據(jù)設備的直徑、厚度，確定不銹鋼復合板的基層焊接分別采用埋弧焊、焊條電弧焊及鎢極氬弧焊，可機動采用熔化極氣體保護焊。為提高工效和焊接成型質(zhì)量，擬使用福尼斯TIME-5000焊機對覆層內(nèi)側(cè)待堆焊層進行半自動熔化極氣體保護焊。

3.2 焊接材料選用

覆層填充需要進行2層堆焊，根據(jù)覆層材料化學成分及耐腐蝕性能特點，綜合考慮所選用的焊接方法，過渡層焊接采用?1.2 mm的ER309MoL焊絲，面層焊接采用?1.2 mm的ER316L焊絲。焊接材料化學成分見表1。

表1 焊接材料化學成分(質(zhì)量分數(shù)) %

在實際焊接過程中，氫在高溫下滲透性很強，氫的存在會使鋼組織變脆甚至形成微裂紋。同時，氫也是焊縫金屬中產(chǎn)生氣孔的主要因素，它可以從任何氣源進入焊接熔池[4，12-13]。因此在不銹鋼復合板焊接之前一定要將焊絲表面的油、銹、水分及其他雜物清除干凈，焊條、焊劑要嚴格按烘干工藝烘干，隨用隨取。

3.3 焊接工藝評定試驗

按照NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》[14]的要求，在焊接前進行了焊接工藝評定試驗，以驗證所制訂工藝的正確性[12]。選取1塊厚10 mm的Q345R鋼板，規(guī)格為200 mm×200 mm×10 mm。將待堆焊面清理干凈至露出金屬光澤，磁粉檢測合格之后，完全按照所制訂的預焊接工藝規(guī)程進行半自動熔化極氣體保護焊，保護氣體為混合氣體。對每一層堆焊面進行滲透檢測，合格后按照NB/T 47014—2011要求取樣加工試件，對堆焊試件進行側(cè)彎試驗、堆焊層金屬化學成分測定并檢查熔合線及熱影響區(qū)的完好性，試驗結(jié)果全部合格，滿足文獻[14-16]中的要求，驗證了所制訂焊接工藝的正確性。

堆焊層化學成分分析結(jié)果見表2。

表2 堆焊層化學成分分析結(jié)果 %

3.4 焊接工藝參數(shù)確定

該批次不銹鋼復合板的焊接優(yōu)先選用了如圖3所示的單面焊雙面成型的外坡口形式，以盡量縮小內(nèi)側(cè)覆層溝槽的寬度，達到減少覆層堆焊金屬填充量的目的。

覆層焊接采用的是半自動熔化極氣體保護焊。CO2氣體屬于氧化性氣體，高溫易分解，而焊接不銹鋼材料時尤其要注意CO2的滲碳作用，因此采用的保護氣為混合氣體——80%(體積分數(shù))Ar+20%(體積分數(shù))CO2。這樣既利用了惰性氣體不參與化學反應的特點，避免合金元素的燒損，又通過氧化性氣體的加入提高了電弧燃燒的穩(wěn)定性，提升了焊接工藝性[12-16]。

不銹鋼焊接時要注意控制焊接熱輸入，過高的焊接熱輸入會造成焊接接頭組織脆硬，導致焊縫開裂，降低堆焊層耐蝕性能。為此綜合使用了較小的焊接電流、較低的焊接電壓以及多道焊接、快速焊接等多種減少焊接熱輸入的方法，并在面層焊接過程中通過采用背面風冷措施控制層間溫度，使層間溫度低于100 ℃。

不銹鋼復合板焊接時采用的半自動熔化極氣體保護焊焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 半自動熔化極氣體保護焊焊接工藝參數(shù)

4 焊后檢驗

按照制訂的焊接工藝完成試件焊接，焊縫成型良好，外觀檢查合格，覆層經(jīng)滲透檢測合格。應用該焊接工藝進行該批次容器的實際焊接，與傳統(tǒng)使用的焊條電弧焊相比生產(chǎn)效率提高2～3倍。按相應的圖樣及標準要求，基層焊接完成后對焊縫進行100%射線檢測，Ⅱ級一次合格率為100%。對基層待堆焊表面進行磁粉檢測合格后，按制訂的焊接工藝焊接過渡層和面層，焊后進行100%滲透檢測，Ⅰ級合格。最終對堆焊焊縫進行超聲檢測，并檢查堆焊焊縫與基材的貼合度，合格率均為100%[16]。

5 結(jié)語

根據(jù)不銹鋼復合板容器的實際情況，選擇了合理的坡口形式和高效的半自動熔化極氣體保護焊焊接方法，并通過選用化學成分相匹配的焊接材料、確定適宜的焊接工藝參數(shù)和采取合理的焊接層間溫度控制措施，最終保證了不銹鋼復合板覆層堆焊的焊接質(zhì)量及耐蝕性能，同時大幅提高了焊接生產(chǎn)效率。