厚壁双相不锈钢埋弧焊接工艺应用

2015-12-27马丽马洪伟段英新刘梦雨胡卫震王伟

金属加工(热加工) 2015年6期

马丽马洪伟段英新刘梦雨胡卫震王伟

本文基于海洋石油平台工艺管线厚壁双相不锈钢管线进行焊接工艺开发，用于焊接工艺评定试验的母材为ASTM A 928 CL1 S31803，尺寸为φ323.9mm×17.48mm，试验标准为ASME Ⅸ、ASME B31.3，试验结果需要同时满足上述标准以及业主规格书要求，通过合理选用焊接材料、科学控制焊接过程，所得的焊接接头成功通过了各项无损检测以及理化性能试验，成功应用于项目中，并取得了良好效果。

1. 双相不锈钢焊接的冶金特性

双相不锈钢从液相凝固后都是完全的铁素体组织，这种组织一直保留至铁素体溶解度曲线的温度，只有在更低的温度下部分铁素体才转变成奥氏体，形成奥氏体-铁素体双相组织。双相不锈钢焊接的特点是焊接热循环对焊接接头组织的影响，无论焊缝或是热影响区都会有相变化，因此，焊接的关键是要使焊缝金属和热影响区均保持有适当比例的铁素体和奥氏体组织。

2. 母材以及焊接材料、保护气体选择

用于焊接工艺评定试验的母材为ASTM A 928 CL1 S31803，标准成分范围以及试验用管材成分如表1所示。

为保证焊缝组织中能有适当比例的铁素体以及奥氏体，焊缝应当用奥氏体元素（Ni、N）进行“超合金化”，焊缝中的Ni元素含量（质量分数）从5.5%~6.5%提高到7.0%~8.5%，则焊缝中的铁素体相可以由30%左右提高到40%~60%。因此，选用牌号为SANDVIK 22.8.3.L的埋弧焊丝，标准分类号为AWS A5.9 ER2209，φ2.4mm。焊丝化学成分如表2所示。

焊接过程需采用惰性气体对焊缝进行保护。背面保护气体可采用纯N2或Ar+N2混合气体，正面保护气体可采用纯Ar或Ar+2%N2。本项目正、背面保护气体均采用纯度99.99%以上Ar气。

3. 焊接工艺

（1）焊接坡口设计采用V形坡口，根部间隙2~4mm，钝边尺寸1~2mm，坡口角度60°。坡口形式及尺寸如附图所示。

坡口形式及尺寸

表1 ASTM A 928 CL1 S31803双相不锈钢化学成分（质量分数）（%）

表2 焊丝化学成分（质量分数）（%）

（2）焊接方法及参数为适应厚壁、大管径双相不锈钢焊接需求，选用埋弧焊为主焊接工艺，钨极氩弧焊作为定位焊接以及封底焊接工艺。为保证焊接接头性能的一致性，选用与埋弧焊丝同厂家、同标准、同成分，φ2.4mm焊丝。具体的焊接参数如表3所示。

4. 焊接质量控制

（1）组对与清理采用不锈钢丝刷、砂轮等专用工具打磨管端≥25mm范围内的油污、锈垢等杂物，直至露出金属光泽；用与根焊工艺相同的焊接方法及参数等进行定位焊，保证组对间隙符合预先设计的坡口形式，可以采用桥式定位焊。

（2）背面保护气体定位焊完成后用专用的胶带将焊缝以及两个管端进行封堵，在焊缝根部形成气腔。通氩气并监控氩气浓度，氧含量＜70ppm（1ppm=10-6）时开始进行焊接。由于氩气密度比空气密度大，因此充气管应位于气腔底部，排气口应位于气腔顶部，氩气浓度监测仪器的测试端也应位于气腔顶部。在封底焊以及后续热焊时，焊缝背面持续通气保护，完成热焊后停止背面充气保护。

（3）焊接过程质量控制为了形成比例适宜的铁素体-奥氏体双相组织，应严格控制施工过程：一方面是要避免焊后由于冷却速度过快而在热影响区产生过多的铁素体；另一方面要避免因冷却速度过慢在热影响区形成过多粗大的晶粒和氮化铬沉淀。由于焊材已经选定，焊缝金属的基础成分已经基本定型，为了控制焊缝组织，在焊接过程中需要从层间温度、焊接参数、人员资质及操作技能等方面采取措施。

具体措施如下：

第一，严格控制热输入以及与之相关的电流、电压、焊接速度等参数，热输入应控制在1.5kJ/mm以下。

第二，焊接前不需要刻意预热，焊接过程中层间温度应控制在150℃以下。

第三，背部保护气体氧含量＜70ppm时方可进行焊接，在完成焊接之后可撤出背部保护气体。

第四，焊前距离焊缝端部20mm范围内应当清理油污、锈迹等，焊接过程中的焊渣应及时清理，避免形成夹渣等缺陷；采用不锈钢专用的砂轮、钢丝刷进行清理。

第五，焊接操作工（包括定位焊、焊接及返修）必须经过焊工评定并合格才能从事焊接工作。

5. 焊接接头性能检测

焊接质量按照ASME IX标准要求进行外观（VI）、渗透（PT）以及射线（RT）等检测，合格后进行多项理化性能测试，试验标准及结果如下：①根据ASTM A370标准进行减截面拉伸、侧向弯曲、夏比V形冲击（-46℃）以及硬度测试，结果满足标准及规格书要求。②根据ASTM E562标准进行铁素体含量测试，测试部位包括焊缝中心、热影响区以及母材区域，结果显示三个区域铁素体含量（体积分数）分别为43.11%、46.9%、44.55%，均满足标准及规格书40%~60%的要求。③根据ASTM A923标准方法C进行腐蚀介质中的腐蚀速率测试，测试温度22℃，时间24h，结果显示试验件无点蚀现象，且三件样品的腐蚀速率均满足标准要求，结果良好。