碳钢和奥氏体不锈钢管道焊接焊材选用分析

钟文彬

（上海华谊建设有限公司)

化机制造

碳钢和奥氏体不锈钢管道焊接焊材选用分析

钟文彬*

（上海华谊建设有限公司)

对某管道在安装监督检验中发现的异种钢焊接焊材选用问题进行了讨论和分析，提出了合理的异种钢焊材选用方法。碳钢与奥氏体不锈钢焊接选用25-13型焊材是比较适宜的。建议作出规定，在氧气管道异种钢焊接时不得选用18-8型焊材；对采用18-8型焊材焊接的在用氧气管道异种钢焊接接头加强在用监检力度，以保证氧气管道的安全运行。

碳钢 奥氏体不锈钢 焊接 焊材 氧气管道

0 前言

GB 16912—1997《氧气及相关气体安全技术规程》对各种材质管道中不同工作压力下的氧气最高允许流速进行了限定。目前我国冶金行业钢铁企业中氧气管道的工作压力普遍在0.1～3.0 MPa范围内，其碳钢管道最高允许流速规定为15m/s，不锈钢管道最高允许流速规定为25 m/s。氧气管道是钢铁企业最重要的压力管道之一，危险性较大，曾发生因各种原因导致氧气管道瞬间烧损的重大事故。因此，我国各大钢铁设计研究院对于最高流速接近15m/s的氧气管道，在变径、三通、弯头处均采用不锈钢管件，而直管段则仍为碳钢无缝管。这样在投资费用增加不多的情况下，安全系数可大大提高，取得事半功倍的效果。但氧气管道采用碳钢与不锈钢材料，随之而来就产生了异种钢焊接的问题。

近年来，在冶金行业钢铁企业压力管道安装监督检验中，就发现对于异种钢的焊接施工图纸及其技术说明都存在一些问题。例如，某钢铁设计研究院规范性文件 《氧气管道施工说明》规定，碳钢与不锈钢焊接采用氩弧焊，焊丝材料采用H0Cr19Ni9或308等，这种选材显然是不合适的。本文对氧气管道异种钢焊接材料的选用进行讨论和分析，以期引起各钢铁设计研究院、安装单位和监督检验单位的重视，做到合理选用焊材，保证氧气管道的安全运行。

1 焊接特点和焊材选用原则

1.1 碳钢与奥氏体不锈钢的焊接特点

由于两种材料在化学成分、金相组织、物理性能及力学性能等方面有较大差异，因此在焊接时会产生一系列困难。为保证焊接质量，必须考虑以下一些问题。

1.1.1 稀释和熔合区的塑性降低问题

（1）焊缝金属的稀释

在异种钢的焊接过程中,由于基体金属的熔化而使焊缝金属受到稀释。

（2）熔合区的塑性降低

异种钢焊接时奥氏体焊缝金属中靠近熔合线存在一个窄的低塑性带，低塑性带的化学成分和组织均不同于焊缝的其它部分，宽度一般为 0.2～0.6 mm，位置在熔合区中靠近熔合线的边缘。熔合区的宽度随使用的焊条种类不同而异。用0Cr19Ni9焊条焊接低碳钢时,熔合区的宽度马氏体区为50 μm，马氏体+奥氏体区为100μm。用Cr25Ni20焊条时，马氏体区为10μm，马氏体+奥氏体区为25 μm[1]。用Cr25Ni13焊条时，马氏体区和马氏体+奥氏体区宽度均介于上述二者之间。熔合区中低塑性马氏体组织的存在会明显地降低接头的冲击韧性。

1.1.2 碳的扩散迁移

在焊接、热处理过程中，或长期处于高温环境中，碳钢与奥氏体不锈钢界面附近会发生反应、扩散而使碳迁移，结果在碳钢一侧形成脱碳层发生软化，奥化体不锈钢一侧形成增碳层发生硬化。

1.1.3 接头残余应力

焊接时除因局部加热引起焊接应力外，还由于两种材料的线胀系数不同和奥氏体钢的导热性差等原因，产生较大的焊接残余应力。当接头处于交变温度下时，由于形成热应力或热疲劳，因此沿着碳钢与奥氏体不锈钢的焊接界面会产生裂纹。

1.2 焊材选用原则

选择焊接材料时，必须充分考虑异种钢焊接接头的使用性能、稀释作用、碳迁移、热物理性能、焊接应力和抗热裂性能等一系列问题。

一般情况下，选择焊接材料时可以根据舍夫勒组织图按熔合比估算纯奥氏体或奥氏体加少量一次铁素体组织的焊缝成分。由于碳钢母材的稀释作用，18-8型焊接材料不可能满足要求，25-20型焊接材料又可能因单相奥氏体组织而容易产生热裂纹，所以采用25-13型焊接材料通常是比较合适的[2]。

2 异种钢焊接工艺评定

现将部分冶金安装单位的碳钢与奥氏体不锈钢焊接工艺评定有关数据作一简要汇总，如表1所示。

3 讨论和分析

以上仅随机罗列了一小部分冶金安装单位的碳钢与奥氏体不锈钢焊接工艺评定简要数据。根据这些数据，可以就以下一些问题展开讨论和分析。

表1 部分冶金安装单位的碳钢与奥氏体不锈钢焊接工艺评定数据

3.1 焊接工艺评定的局限性

焊接工艺评定仅反映了异种钢焊接接头的力学性能数据。因此，粗略地来看以上焊接工艺评定均是合格的。但实际上，对于异种金属焊接接头深入研究的方法还有很多种，常用的方法还有金相分析和电子显微镜分析、显微硬度测定、高温和低温下的力学性能测定等，如果采用两种或两种以上测定方法结合起来，才能较全面地判定接头的疲劳强度和蠕变性能。

（1）由于氧气管道是在常温状态下运行的，20钢+0Cr19Ni9的焊接工艺评定无冲击韧性考核要求，因此掩盖了采用0Cr21Ni10(308)18-8型焊丝焊接接头熔合区的马氏体区和马氏体+奥氏体区宽度明显大于采用1Cr24Ni13(309)25-13型焊丝焊接接头熔合区的弱点。熔合区的宽度越宽，冲击韧性就越低。

（2）焊接工艺评定不要求金相分析和电子显微镜分析。 如经金相分析， 采用 1Cr24Ni13和0Cr21Ni10焊丝焊接接头熔合区的马氏体区和马氏体+奥氏体区谁宽谁窄将一览无遗。

（3）焊接工艺评定不要求显微硬度测定，因此采用 1Cr24Ni13焊丝焊接接头熔合区硬度低于0Cr21Ni10焊丝焊接接头熔合区硬度的优点也不能显现。

3.2 焊材的选用

从表1可以看到，焊条牌号选用基本一致，且是合适的25-13型A302焊条；焊丝选用有所不同，部分选用不合适的18-8型0Cr21Ni10焊丝，这是一个必须注意的严重问题。

通常，碳钢与奥氏体不锈钢的焊接应注意选用熔合比小、稀释率低的焊接方法。手工焊条电弧焊(SMAW)的熔合比为15%～30%，手工钨极氩弧焊(GTAW)的稀释率受有无填充金属及焊接工艺条件的影响很大，熔合比可在10%～100%之间波动。过度稀释时焊缝金属中将形成脆性马氏体组织，并有出现裂纹的可能[1]。因此在控制熔合比的同时，选用 Cr-Ni含量高的 25-13型 1Cr24Ni13焊丝比18-8型0Cr21Ni10焊丝来得更为合适。

3.3 压力管道监检中应加强相关检测抽查比例

近年来，压力管道的管理工作逐步走上正轨，设计、制造、安装、检验等各环节的管理得到加强，实行了许可证制度，各个单位和个人水平参差不齐的局面有所改变，压力管道的安全状况得到改善，促进了新建管道的 “优生优育”。表1从一个侧面反映出大多数安装单位已在氧气管道异种钢焊接中选用合适的25-13型焊材,个别安装单位不适宜的选用情况正逐步得到扭转和制止。但是，我国冶金行业钢铁企业在用氧气管道异种钢焊接接头遗留下的先天焊材选用不当的情况，应该引起有关方面足够的重视。

（1）对于新安装氧气管道，在开工资料审定阶段，监检人员应审核图纸、材料一览表中是否有异种钢焊接接头存在，图纸技术说明、施工技术说明、施工方案中选用的焊材是否合适。在焊接施工阶段，如果是奥氏体不锈钢同种材料焊接，宜采用18-8型焊丝；与异种钢焊接，应采用25-13型焊丝，同时要采取交叉立体施工，防止焊材混用。目前，一般在焊丝一端注明钢号，如未注明应要求安装单位设法予以区分，可在焊丝一端涂色标加以区别。施焊时要控制好熔合比。

（2）对于采用18-8型焊材的在用氧气管道异种钢焊接接头应加强在用监检力度，全面检验时应增加射线探伤抽查比例；必要时应割管进行各种性能测试，以保证氧气管道的安全运行。

4 结语

（1）氧气管道异种钢焊接焊材宜采用25-13型1Cr24Ni13(或309)焊丝和A302焊条；施焊时要防止焊材混用，并控制好熔合比。

（2）氧气管道异种钢焊接时，焊材不宜采用18-8型0Cr21Ni10(或308)焊丝；其焊接接头熔合区的马氏体区和马氏体+奥氏体区较宽，冲击韧性较低，如控制不当，过度稀释，焊缝金属中将形成脆性马氏体组织，并有出现裂纹的可能。

（3）采用18-8型焊材的在用氧气管道异种钢焊接接头应加强在用监检力度，全面检验时应增加射线探伤抽查比例；必要时应割管进行性能测试，以保证氧气管道的安全运行。

[1]何康生，曹雄夫.异种金属焊接 [M].北京：机械工业出版社，1986.

[2]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册（第 2卷）[M].第3版.北京：机械工业出版社，2008.

Analysis on M aterial Selection of Carbon Steel and Austenitic Stainless Steel PipelineWelding

ZhongWenbin

Discussed and analyzed the material selection issue of dissimilar steel welding that found in a pipeline installation inspection,and gave a reasonable method for dissimilar steel welding material selection.The 25-13materialwasmore suitable for carbon steel and austenitic stainless steelwelding.The 18-8material shouldn't be used for oxygen pipeline dissimilar steel welding,and in service inspection for dissimilar steel welding joint that used 18-8material should be enhanced to ensure the safe operation of oxygen pipeline.

Carbon steel;Austenitic stainless steel;Welding;Weldingmaterial;Oxygen pipeline

TG 42

2013-01-15）

*钟文彬，男，1969年生，工程师。上海市，200232。