厚壁雙相不銹鋼埋弧焊接工藝應(yīng)用

馬麗 馬洪偉 段英新 劉夢(mèng)雨 胡衛(wèi)震 王偉

本文基于海洋石油平臺(tái)工藝管線厚壁雙相不銹鋼管線進(jìn)行焊接工藝開發(fā)，用于焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)的母材為ASTM A 928 CL1 S31803，尺寸為φ323.9mm×17.48mm，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為ASME Ⅸ、ASME B31.3，試驗(yàn)結(jié)果需要同時(shí)滿足上述標(biāo)準(zhǔn)以及業(yè)主規(guī)格書要求，通過合理選用焊接材料、科學(xué)控制焊接過程，所得的焊接接頭成功通過了各項(xiàng)無損檢測(cè)以及理化性能試驗(yàn)，成功應(yīng)用于項(xiàng)目中，并取得了良好效果。

1. 雙相不銹鋼焊接的冶金特性

雙相不銹鋼從液相凝固后都是完全的鐵素體組織，這種組織一直保留至鐵素體溶解度曲線的溫度，只有在更低的溫度下部分鐵素體才轉(zhuǎn)變成奧氏體，形成奧氏體-鐵素體雙相組織。雙相不銹鋼焊接的特點(diǎn)是焊接熱循環(huán)對(duì)焊接接頭組織的影響，無論焊縫或是熱影響區(qū)都會(huì)有相變化，因此，焊接的關(guān)鍵是要使焊縫金屬和熱影響區(qū)均保持有適當(dāng)比例的鐵素體和奧氏體組織。

2. 母材以及焊接材料、保護(hù)氣體選擇

用于焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)的母材為ASTM A 928 CL1 S31803，標(biāo)準(zhǔn)成分范圍以及試驗(yàn)用管材成分如表1所示。

為保證焊縫組織中能有適當(dāng)比例的鐵素體以及奧氏體，焊縫應(yīng)當(dāng)用奧氏體元素（Ni、N）進(jìn)行“超合金化”，焊縫中的Ni元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）從5.5%~6.5%提高到7.0%~8.5%，則焊縫中的鐵素體相可以由30%左右提高到40%~60%。因此，選用牌號(hào)為SANDVIK 22.8.3.L的埋弧焊絲，標(biāo)準(zhǔn)分類號(hào)為AWS A5.9 ER2209，φ2.4mm。焊絲化學(xué)成分如表2所示。

焊接過程需采用惰性氣體對(duì)焊縫進(jìn)行保護(hù)。背面保護(hù)氣體可采用純N2或Ar+N2混合氣體，正面保護(hù)氣體可采用純Ar或Ar+2%N2。本項(xiàng)目正、背面保護(hù)氣體均采用純度99.99%以上Ar氣。

3. 焊接工藝

（1）焊接坡口設(shè)計(jì) 采用V形坡口，根部間隙2~4mm，鈍邊尺寸1~2mm，坡口角度60°。坡口形式及尺寸如附圖所示。

坡口形式及尺寸

表1 ASTM A 928 CL1 S31803雙相不銹鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）焊接方法及參數(shù) 為適應(yīng)厚壁、大管徑雙相不銹鋼焊接需求，選用埋弧焊為主焊接工藝，鎢極氬弧焊作為定位焊接以及封底焊接工藝。為保證焊接接頭性能的一致性，選用與埋弧焊絲同廠家、同標(biāo)準(zhǔn)、同成分，φ2.4mm焊絲。具體的焊接參數(shù)如表3所示。

4. 焊接質(zhì)量控制

（1）組對(duì)與清理 采用不銹鋼絲刷、砂輪等專用工具打磨管端≥25mm范圍內(nèi)的油污、銹垢等雜物，直至露出金屬光澤；用與根焊工藝相同的焊接方法及參數(shù)等進(jìn)行定位焊，保證組對(duì)間隙符合預(yù)先設(shè)計(jì)的坡口形式，可以采用橋式定位焊。

（2）背面保護(hù)氣體 定位焊完成后用專用的膠帶將焊縫以及兩個(gè)管端進(jìn)行封堵，在焊縫根部形成氣腔。通氬氣并監(jiān)控氬氣濃度，氧含量＜70ppm（1ppm=10-6）時(shí)開始進(jìn)行焊接。由于氬氣密度比空氣密度大，因此充氣管應(yīng)位于氣腔底部，排氣口應(yīng)位于氣腔頂部，氬氣濃度監(jiān)測(cè)儀器的測(cè)試端也應(yīng)位于氣腔頂部。在封底焊以及后續(xù)熱焊時(shí)，焊縫背面持續(xù)通氣保護(hù)，完成熱焊后停止背面充氣保護(hù)。

（3）焊接過程質(zhì)量控制 為了形成比例適宜的鐵素體-奧氏體雙相組織，應(yīng)嚴(yán)格控制施工過程：一方面是要避免焊后由于冷卻速度過快而在熱影響區(qū)產(chǎn)生過多的鐵素體；另一方面要避免因冷卻速度過慢在熱影響區(qū)形成過多粗大的晶粒和氮化鉻沉淀。由于焊材已經(jīng)選定，焊縫金屬的基礎(chǔ)成分已經(jīng)基本定型，為了控制焊縫組織，在焊接過程中需要從層間溫度、焊接參數(shù)、人員資質(zhì)及操作技能等方面采取措施。

具體措施如下：

第一，嚴(yán)格控制熱輸入以及與之相關(guān)的電流、電壓、焊接速度等參數(shù)，熱輸入應(yīng)控制在1.5kJ/mm以下。

第二，焊接前不需要刻意預(yù)熱，焊接過程中層間溫度應(yīng)控制在150℃以下。

第三，背部保護(hù)氣體氧含量＜70ppm時(shí)方可進(jìn)行焊接，在完成焊接之后可撤出背部保護(hù)氣體。

第四，焊前距離焊縫端部20mm范圍內(nèi)應(yīng)當(dāng)清理油污、銹跡等，焊接過程中的焊渣應(yīng)及時(shí)清理，避免形成夾渣等缺陷；采用不銹鋼專用的砂輪、鋼絲刷進(jìn)行清理。

第五，焊接操作工（包括定位焊、焊接及返修）必須經(jīng)過焊工評(píng)定并合格才能從事焊接工作。

5. 焊接接頭性能檢測(cè)

焊接質(zhì)量按照ASME IX標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行外觀（VI）、滲透（PT）以及射線（RT）等檢測(cè)，合格后進(jìn)行多項(xiàng)理化性能測(cè)試，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果如下：①根據(jù)ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行減截面拉伸、側(cè)向彎曲、夏比V形沖擊（-46℃）以及硬度測(cè)試，結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)格書要求。②根據(jù)ASTM E562標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鐵素體含量測(cè)試，測(cè)試部位包括焊縫中心、熱影響區(qū)以及母材區(qū)域，結(jié)果顯示三個(gè)區(qū)域鐵素體含量（體積分?jǐn)?shù)）分別為43.11%、46.9%、44.55%，均滿足標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)格書40%~60%的要求。③根據(jù)ASTM A923標(biāo)準(zhǔn)方法C進(jìn)行腐蝕介質(zhì)中的腐蝕速率測(cè)試，測(cè)試溫度22℃，時(shí)間24h，結(jié)果顯示試驗(yàn)件無點(diǎn)蝕現(xiàn)象，且三件樣品的腐蝕速率均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)果良好。

表3 焊接參數(shù)

6. 結(jié)語

上述工藝已經(jīng)成功應(yīng)用于樂東氣田項(xiàng)目、GORGON項(xiàng)目等，效率提升效果十分顯著，比按照鎢極氬弧焊預(yù)計(jì)的工期縮短了近一半，且管壁越厚管徑越大，效率提升效果越顯著。通過對(duì)人員資質(zhì)、焊接過程的合理控制，焊接一次合格率達(dá)到97%以上。

[1]杜則裕.材料焊接科學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：315-322.