双相不锈钢薄壁管的现场焊接
发布于:2016-10-08 09:11  浏览:

近几年在石油化工装置的施工过程中,会经常遇到双相不锈钢Φ57mm×3.9mm薄壁管的焊接,保证其焊接接头力学性能和耐腐蚀性能是焊接施工的关键。本文针对双相不锈钢薄壁管现场施焊过程中的工艺特点进行了总结和分析,重点介绍了其焊接工艺和现场施焊的操作要点。

前    言
近几年,在石油化工装置中一种新型钢材-双相不锈钢的应用越来越多。因为双相不锈钢的屈服强度是普通不锈钢的2倍,抗腐蚀性能(特别是在腐蚀性介质中)明显优于普通不锈钢,在石油化工装置施工中多用在很重要的位置。因此,一般双相不锈钢的焊缝要求100%RT检验,对其焊接接头的综合性能的要求也高于一般奥氏体不锈钢。所以,必须选派焊接经验丰富的奥氏体不锈钢焊工,经培训和考试合格后,才能持证上岗进行焊接作业。

1    焊接性分析
1.1    化学成分(见表1)
1.2    焊接时易出现的问题
双相不锈钢焊接时,焊接热影响区(HAZ) 存在高温区和低温区,低温区基本处于δ+γ(铁素体+奥氏体)平衡组织,而高温区几乎为单相δ组织,因为焊缝根部和表面N的扩散,导致靠近焊缝表面的部位,由于N的损失,铁素体增加,从而促进氮化物的产生,使焊接接头性能恶化,焊接采用高线能量时,可以得到较多的γ相,铁素体含量低会促进δ相产生,所以容易产生δ相和粗晶组织;线能量较低时,得不到足够的γ相。如果焊接金属中δ相过多,N很容易与cγ形成化合物,而且析出二次γ变为针状和羽毛状,具有魏氏体组织特性,导致焊接接头力学性能和耐腐蚀性下降。双相钢一般不会产生δ相,但如果焊接线能量较高,导致使焊接头塑性大幅度下降。


2    焊接工艺
2.1    工艺参数及电特性(见表2)
2.2    焊接方法
双相不锈钢薄壁管全部采用GTAW焊接,直流正极性。



2.3    焊接设备
焊机采用高频引弧焊机,直流正极性,钨极直径Φ2.5mm,钨极端头用磨光机磨出锥形,采用大喷嘴。

2.4    气体保护
焊接保护气体采用混合气体Ar97.5%+N2.5% 进行保护,保护气采用成品混合气,要求生产的成品混合比为Ar97.5%+N2.5%,由于混合气体中Ar比N多,放置一段时间后将会产生分层,影响气体保护效果,现场所采用摇勺或加气体分配器进行配比,确保气体保护质量。

2.5    环境要求
双相不锈钢焊接要求环境清洁。无铁离子污染,预置工作将在室内进行,地面采用胶皮隔离、安装必须做好环境保护。采用防风防尘设施,环境温度70℃,相对温度≤90%,所有与双相钢焊接坡口相接触的,如:焊材、工具、手套等,都必须无铁锈污染。坡口均采用坡口机加工,坡口角度为单边30°±2.5°,钝边0~ 0.5mm,单面坡口(见附图),加工坡口不允许母材产生过烧变色;其两侧各50mm以内的内外表面要进行严格清理,清理程序是磨光机打磨、丙酮(或无水乙醇)清洗,清洗后不能直接进行焊接作业,待坡口端面晾干后方可焊接作业;焊丝也用沾丙酮(或无水乙醇)的海绵擦拭干净。对铁离子、水锈、油、灰尘、油漆、记号笔印都必须清理干净,防止其影响化学成份和机械性能。另外,还要注意坡口形状必须无凹凸和划痕,这样焊接时电弧在焊道的每一点上都能保证停留相同的时间,焊接线能量才能确保一致。



2.6    焊接措施
尽量采用多层焊,因为后续焊道对前层焊道有热处理作用,焊缝中的δ相进一步转化为γ相,使焊接接头的组织和性能显著改善,而最后一道焊缝处于非工作介质面,因为对焊接接头影响不大,保护气采用Ar97.5%+N2.5%。因为焊接根部保护气体中加氮气增加焊缝金属氮量,由于采用多层焊工艺,焊接材料中含N量与母材相当,而最后一道焊缝处于非工作介质面,因为对焊接接头影响不大,采用合适的线能量焊接,使焊接接头得到足够的γ相,使Cγ、N1 和M有足够的时间扩散。

2.7    坡口的组对及点焊
坡口组对前应仔细检查坡口管径是否相同,错边应控制在0.5~1mm之间,并用磨光机打磨清理坡口及坡口正反面两侧50mm以内的表面,并用丙酮擦试干净,坡口打磨时不允许使母材产生过热变色。点焊时,应采用与正式的焊接工艺相同的参数,点焊长度为7~8mm,高度为2~ 3mm,点焊点应为过桥型式,不应焊透,以防内部氧化,点焊电流不宜过大,点焊点位置应在组对管子的上部及两侧,点固三点,从第四点起焊,当焊到点焊时,将点固点打磨清理干净,焊缝组对间隙应控制在2~2.5mm,间隙不应过大,并留有0~0.5mm的钝边。

2.8    双相不锈钢的焊接操作
双相不锈钢焊接时,应采用正反面气体保护焊,正面背面都应采用混合气体Ar97.5%+N2.5% 进行保护,焊接前不得在焊件表面引弧和试验电流,焊接时应按指定的焊接作业指导书进行施焊。在焊接前,管子两端用布或胶皮封好,并留有进气孔和排气孔,焊缝间隙用胶布贴好,并留有20~30mm的长度,使管子内部的空气能够排出,确保焊缝内部的气体保护效果。焊接时,焊枪不宜摆动,手法要稳,严格控制线能量,尽量采用小焊丝,严格控制电流,弧长尽量压低控制电压,尽量用大喷嘴,提高气体保护效果,降底O、H污染;引、收弧避开点焊点,防止产生二次γ和δ相,引弧点必须在焊道内进行,不能在母材表面引弧,防止F量超标;点焊点打磨后,封底焊焊接过程中通过观察焊道颜色来确定焊接气体保护效果,采用混合气体施焊时焊道最好为金黄色,稍差一些为黄铜色,尽量减少焊缝发蓝,杜绝焊道发灰和发黑,并严格控制层间温度,控制熔池在红热状态下停留时间。一般来讲,只要保证在5~15s时间内熔池由红转至常规颜色,就能达到要求。打底焊的层间温度≤100℃,可用远红外激光测温仪测量。当层间温度<100℃时,才能进行下一层焊接,焊接电流不能超过打底焊的电流,焊第二层必须认真清理前一层焊道,除消除杂质外,连氧化色也需磨去,焊缝内部余高应控制在0.5 ~1mm;焊缝收弧时应将弧坑填满,多层焊的层间接头应相互错开,如果焊接作业时不慎出现夹钨时,应停止焊接作业,用磨光机消除钨点,钨极端部重新磨尖,达到要求后方可重新进行焊接作业,要求与开始焊接作业相同。

2.9    焊后清理和焊接检验
双相不锈钢的焊后清理也很重要,氧化色必须清除,因为氧化色下面就是贫铬层,若不去除将会导致耐蚀性能下降,去除氧化色可用专用不锈钢丝刷趁热擦刷;也可用酸或酸洗膏清洗。去除焊接飞溅,打磨收起弧点,去除咬边和粗毛刺。可用较细的砂轮片或抛光砂轮片研磨,杜绝粗糙打磨痕迹,否则易造成缝隙腐蚀;油污、着色剂、色笔印、灰尘均有可能成为孔腐蚀和缝隙腐蚀的起始点,可用硝酸+氢氟酸清洗,然后清水冲洗干净;焊工应对焊道表面进行清理,要求外观良好,宽度以每边盖过坡口边缘2mm为宜,角焊缝的焊脚高度符合设计规定外形平稳过渡,焊缝不允许咬边、裂纹、未焊透、气孔、夹杂存在。射线探伤方法按《压力容器无损检测》JB4730-g4执行,所有焊道必须进行硬度测定,测定母材-HAZ-焊道-HAZ-母材。

3    结束语
采用上述焊接工艺和焊接操作要领,在仪征化纤45万吨/年PTA装置施工过程中进行双相不锈钢薄壁管现场施焊,取得了焊缝连续5个月RT100%合格,年度双相不锈钢焊接接头综合合格率达到99%以上的施焊业绩。