LNG用奥氏体不锈钢氩弧对接焊缝铁素体超标问题解决对策

范仲辉，顾艳，丁玉芳

（张家港中集圣达因低温装备有限公司，江苏张家港215600）

近年来，随着全球天然气等清洁能源需求量的快速增加，中国对外出口LNG设备的贸易发展迅速。部分项目中，国外客户对奥氏体不锈钢氩弧对接焊缝（以下简称焊缝）铁素体含量的超高要求，曾给项目制造带来一定困扰。

从某种意义上说，过程控制也是事前控制的验证及调整过程，而结果的检查是对事前控制的复核和总结。严格来说，在事前控制完成后，事后质量控制的目的就是评定操作过程中的不确定因素所产生影响和造成偏差的数据是否在允许范围内。关于焊接工艺参数对焊缝金属铁素体数的影响，国内学者已开展了一些工作。王恒等采用铁素体测试仪、Schaeffler图及WRC-1992图三种测试方法，研究了不同焊接工艺参数对E309L药芯焊丝焊缝金属铁素体数(Ferrite Number,FN)的影响。刘飞等对核电厂稳压器用不锈钢焊条E308L在开展复验时出现的铁素体含量超标问题进行了原因分析，并制订相应的处理和预防措施。

本文以出口欧洲的LNG加气站全套设备项目为例，从焊接前控制的角度进行分析和论述。项目中，客户对焊缝铁素体含量原来要求是4%～9%，但从第二套设备开始，客户临时把要求提高至FN 3～8，导致制造过程中，产品焊缝铁素体超标问题突出，造成大量返修，这对产品质量及生产进度产生较大影响。

本文所述铁素体值均由铁素体测试仪测量得到。本文描述并分析了焊缝铁素体超标问题，论述了解决对策，但未列出焊接电流、电压、保护气体、化学成分、道间温度等详细焊接条件。

1 问题描述

客户临时提高焊缝铁素体含量要求后，焊缝铁素体含量不稳定且检测一次合格率逐步下降，10月份一次合格率为76.3%，见图1。

图1 焊缝铁素体检测一次合格率趋势图

2 对策分析

根据图2 WRC-1992图，决定焊缝组织内铁素体含量的重要因素是焊缝组织中的铬当量Cr与镍当量Ni的比值，即焊材本身的化学成份。在选定焊材后，根据其焊缝组织FA凝固模式、焊缝的冷却速度最终决定了焊缝中的铁素体含量。焊缝的冷却速度与焊件的规格、焊接环境、预热及层间温度、焊接电流、焊接速度以及焊工技能息息相关。

图2 WRC-1992图

3 对策

从焊接前控制的角度，以全面质量管理理论——人机料法环的五个方面分析对策。

3.1 料——优化材料

3.1.1 焊材

当前，《ER308L的氩弧焊丝采购技术要求》中对其铁素体含量的要求为FN 3～8。实际到货的部分批次焊材铁素体含量偏上限，接近FN 7，使用焊接后出现焊缝铁素体超标。

对策：更改《ER308L的氩弧焊丝采购技术要求》，对其铁素体含量要求由原来的FN 3～8提高为FN 4～6。

3.1.2 耗材

当前，焊缝清理使用的不锈钢丝刷实际为201铁素体不锈钢材质，经PMI和FN检测，Cr、Ni含量较低，FN含量极高，使用清理焊接后的焊缝表面，可能会对焊缝及母材造成污染。

对策：定制304材料的不锈钢丝刷，替代原201材料的不锈钢丝刷。

3.1.3 对策效果

焊缝铁素体平均值下降明显，焊缝铁素体检测一次合格率上升到95.02%，见图3。

图3 焊缝铁素体检测一次合格率趋势图

3.2 人——焊工技能培养

（1）当前，根据试验，在同样的焊接工艺参数、焊材、母材的条件下，持证焊工的实际施焊手法有较大差别，个别焊工的试样焊缝铁素体超差明显，有个别点甚至低于FN 3。

对策：对焊缝焊后铁素体超差的焊工，由焊接工程师现场辅导培训，并且安排有经验的老师傅以“帮”“带”形式传授实际操作经验。

（2）对策效果

通过指导、培训及实践，原本焊缝铁素体超差的焊工焊接水平有较高提升，测得他们焊接的产品焊缝铁素体含量较为稳定，平均值维持在FN 4～7之间。焊缝铁素体检测一次合格率上升至98.69%，见图4。

图4 焊缝铁素体检测一次合格率趋势图

3.3 环——过程防护改善

（1）当前，个别焊缝仍有局部铁素体超标的情况，但通过焊缝表面打磨可以降低铁素体含量。经分析，车间现场环境铁离子污染严重，过程防护不及时造成焊缝表面污染。

对策：编写《清洗防护作业要领书》，在制造过程中对不锈钢焊接零部件及时使用塑料薄膜进行覆盖，防止铁离子污染。

（2）对策效果

通过编写《清洗防护作业要领书》，对工人定期宣贯，焊缝表面铁素体污染情况有所好转。

3.4 法——细化检验程序

（1）当前，没有针对焊缝铁素体检测的专用程序文件，没有权威的法规支撑，且没有与客户达成共识，制造厂家、第三方检测机构、客户各自解读，对实际测量的结果存在分歧，造成过度、重复检验。制造厂家的检测点为每条焊缝4～6个点，记录平均值。客户方工程师对每条焊缝检测近几十甚至上百个点，有一个超标就认为不合格。

对策：通过研究并引用ISO 8249，GB/T 1954等法规、标准，编制《奥氏体不锈钢焊缝铁素体检测程序》，详细规定铁素体的检测方法、检测点数量、检测时机、评判标准，并报客户审批达成统一意见，规避过度检测。

（2）对策效果

焊缝铁素体检测一次合格率上升。

4 效果量化

焊缝铁素体一次合格率从10月底的76.3%，上升到目前的98.69%，解决对策成果明显。

在此过程中，优化更新了《ER308L的氩弧焊丝采购技术要求》，新形成了《清洗防护作业要领书》《奥氏体不锈钢焊缝铁素体检测程序》。

5 结束语

从焊接前控制的角度，以全面质量管理理论——人机料法环的五个方面，针对LNG用奥氏体不锈钢氩弧对接焊缝铁素体超标问题，进行分析并形成对策，在此过程中优化并且新形成了一些过程控制文件。按照这个思路和方法，在项目实践中，对不良结果产生前的各项环节、条件及检测程序进行分析和查验，最大程度减小不确定性，从而保证项目产品质量。