双相不锈钢管道焊接质量控制

2020-03-06杨小波赵峥王永锋

中国金属通报 2020年19期

杨小波，赵峥，王永锋

（天津大港油田集团工程建设有限责任公司，天津 300280）

笔者在天津大港油田集团工程建设有限责任公司三分公司长期从事技术质量管理工作。双相不锈钢管道焊接质量控制是一项复杂且对专业知识有严格要求的工作，在开展郝滩采出水处理站工程高压注水管线的双相不锈钢管道焊接质量控制工作过程中，时刻秉承质量至上的原则，对自己所负责的工作区域严格负责，在郝滩采出水处理站改造工程开工前根据工程施工焊接工艺评定编制相对应的焊接工艺规程及焊接工艺指导卡，编制正确的施工工序技术质量交底，对焊接材料及施工材料进行检验与报验，保证工程在质量受控的条件下开工。施工过程中对施工现场进行及时的质量检查，对于存在的质量隐患及时予以解决，积极开展自检、互检、专检环节，质量控制通过率均达到100%，期间并未出现任何的质量事故，得到了业主、监理和公司的一致认可。现将笔者在双相不锈钢管道焊接质量控制工作中的要点与策略作如下的分析论述。

1 双相不锈钢管道焊接前的质量控制要点

在双相不锈钢管道焊接前的质量控制中，笔者重点从焊接材料选择、焊接材料保护及坡口加工及焊接前组对与预热三方面着手，可以取得良好的质量控制效果。具体的质量控制要点分析如下：

（1）焊接材料选择：2205双相不锈钢管具有良好的力学性能和耐腐蚀性能，在炼油工业和石油化工工业中的应用尤为广泛，笔者所在单位目前所应用的也是2205双相不锈钢管。2205双相不锈钢管的元素以Cr、Ni、Si、N、Mo、Mn为主，表1是2205双相不锈钢管主要化学成分。其中的Cr、Si及Mo均是铁素体形成元素，Ni、Mn及N是奥氏体形成元素[1]。焊丝与焊条的化学成分种类和母材是一样或近似于一样，但是通常情况下会因为焊接热循环作用而导致焊材中所含有的合金元素含量高于母材。实践应用发现，只需要将双相不锈钢的焊接接头两相中单相比例控制在30%～60%即可有效满足接头的力学性能要求，而奥氏体的含量则需要控制为60%～65%即可满足接头的力学性能要求，同时有效提升双相不锈钢管的耐腐蚀性能[2]。因此，笔者在焊接材料选择时严格保证Ni与Mn的含量稍微高于母材，焊材中的氮元素则稍微低于母材。除此之外，笔者考虑到双相不锈钢管现场焊接条件，为有效提升焊接效率与质量，通过与项目部的其他技术人员商议决定采用氩弧打底加焊条电弧焊填充盖面的焊接方法，为了更有效确保焊接结构不会出现氧化的情况，在焊接头根部特别采用了充氩保护，应用效果十分显著。

表1 2205双相不锈钢管主要化学成分（%）

（2）焊接材料保护及坡口加工：长期的实践工作发现，2205双相不锈钢管接头抗腐蚀性能和力学性能极易受到任何形式的油污、水分污染及油脂污染的影响。因此，在实际焊接工作过程中，笔者常驻焊接现场，严格控制好2205双相不锈钢管的成品保护，严禁出现与碳钢、低熔点金属或其他的杂质接触的情况。在坡口加工中，优先选用机械加工法，在加工过程中务必保护好坡口，避免出现坡口氧化的情况。需要特别注意的一点是，2205双相不锈钢管因为含有铁素体，所以磁性较弱，在焊口打磨时笔者指导操作人员切勿在同一个方向长时间进行打磨处理，未出现焊缝金属融合不佳的现象，最终保证了2205双相不锈钢管的切口加工质量。

（3）焊接前组对与预热：2205双相不锈钢管材质强度较高，且延伸性较小，因而实际开展焊接工作时笔者对组对质量进行严格的控制，严禁存在带强力组对，以此避免焊接完成后出现残余应力较大的现象。另外，在长期的工作中笔者发现，一旦焊接过程中存在焊接变形的情况，后期无法得到有效的矫正，因而极易导致2205双相不锈钢管的焊接质量受到较大的影响。针对这种情况，笔者在完成管线的组对工作后立即用锡箔纸对坡口进行密封，管道内部制作过程中全程采用充氩保护装置，可以对焊接背面起到良好的保护作用。除此之外，在2205双相不锈钢管焊接前不进行预热处理，如果发现管线壁厚较大或焊接现场的温度较低，必要时可以采取预热处理。

2 双相不锈钢管道焊接时的质量控制要点

在开展双相不锈钢管道焊接时，笔者认为要想实现预期的质量控制目标，必须重点做好定位焊、焊接线能量与层间温度控制及其他的注意事项。焊接时的质量控制要点分析如下。

（1）定位焊：待管线组对工作完成后即可以开展定位焊，定位焊时优先选用较大的焊接热输入，并对定位焊缝长度作严格的控制，以此避免在焊接过程中因为焊缝冷却速度过大而对焊缝的耐腐蚀性产生影响。

（2）焊接线能量与层间温度控制：2205双相不锈钢管的优势在于具有良好导热性和较小的热膨胀系数，这为焊接工艺的有效使用提供了条件。为了有效提升焊接效率焊接时采用较大线能量，所采用的线能量不会对接头产生热裂纹和残余应力。但是需要注意的一点是，在应用较大线能量时务必合理安排焊接顺序依次确保焊缝有足够的冷却时间。笔者在进行焊接时严格将层间温度控制在150℃以内，但实际焊接过程中发现，随着线能量的不断增大，冷却速度会逐渐降低，导致奥氏体析出时间有所延长，最终出现了一系列的质量问题，比如焊缝组织变得粗大，焊缝和热影响区之间的铁素体含量有所减少，均对接头的韧性和耐腐蚀性有所影响。因此，在后续开展此项工作时笔者严格将焊接线能量控制在适当范围内，保证焊接的两相组织区域保持在平衡状态内。除此之外，在焊接过程中残余应力和轴向应力均会随着管线壁厚的增加而发生变化，具体表现为残余应力和轴向应力有所增加[3]。为避免出现这种情况，笔者采用窄焊缝多次焊接，在焊接过程中尽量保证焊条不出现横向摆动，可以有效降低焊接的残余应力，同时也可以保证层间温度不会出现太高的情况。如图1，这是笔者2205双相不锈钢管焊接现场试样。

图1 焊接现场试样

（3）焊接过程中的其他注意事项：在焊接过程中务必严格遵循2205双相不锈钢管焊接相关规范标准，为有效确保焊缝有良好的成型，一方面严格按照相关的焊接工艺评定执行，另一方面对层间上出现的熔渣及时进行打磨。待焊接完成后对2205双相不锈钢管冷却温度进行观察，重点观察其在350℃～280℃和800℃～475℃下的停留时间。之所以在这两个温度节点进行观察，原因在于2205双相不锈钢管极易在475℃～800℃下产生碳化物和氮化物，而在280℃～350℃下极易出现过渡时效，不论是哪一种情况均会导致焊接接头出现质量问题，尤其是会对其接头的韧性产生影响[4]。

3 双相不锈钢管道焊接后的质量控制要点

对双相不锈钢管道焊接后的质量控制应重点放在焊缝缺陷检查、两相比例均衡性测定及焊缝硬度的测定三方面，以此确保双相不锈钢管道焊接后的质量。具体的控制要点分析如下：

（1）焊缝缺陷检查：通过无损检测单位对本次2205双相不锈钢管焊缝质量进行检查后发现，焊口一次探伤合格率达到97.8%，可以满足预先设定的质量目标，由此也表明2205双相不锈钢管焊接前和焊接时的质量控制工作有效，整个质量控制方案有较强的可行性和科学性。

（2）两相比例均衡性测定：专业的质检单位通过随机抽取50道已经完成的焊口，通过铁素体检测仪器对焊缝的相比例进行测定，发现50道焊口所含有的铁素体比例均可以达到30-45%。总体而言，焊口的铁素体和奥氏体相比例有良好的均衡性，可以很好的满足2205双相不锈钢管接头各方面的性能需求，焊接质量良好。

（3）焊缝硬度测定：专业质检团队从质量良好的焊接作业探伤合格焊口中随机抽取了50道焊口，选用HV-30铁素体检测仪，重点对焊缝热影响区的硬度进行测定。测定结果显示焊缝的硬度与母材的硬度几乎不存在差异，焊道和母材之间并没有出现较为明显的硬度起伏，同时热影响区的硬度稍微高于母材。对本次的测定结果进行综合分析后可以得出，此次2205双相不锈钢管焊接的各项力学性能均可以满足预先的质量控制目标，且未出现焊接作业过程的中的风险事件，整个焊接工作顺利完成。

总的来说，在开展双相不锈钢管道焊接质量控制工作过程中，要做到焊接质量的全过程监管和动态监管，一方面，在双相不锈钢管道焊接前，要合理选用焊接材料，确保管线正确组对，以此为2205双相不锈钢管焊接质量控制奠定坚实的基础。另一方面，焊接过程中要选择合适的焊接工艺，尤其是要控制好焊接线能量和层间温度，确保两相均衡性和综合力学性能满足2205双相不锈钢管焊接质量要求。除此之外，在整个焊接过程中均要严格遵循相关的焊接原则，贯彻和落实2205双相不锈钢管焊接要点。