奧氏體不銹鋼管膛內(nèi)氮?dú)獗Ｗo(hù)焊接施工方法

摘要：本文重點(diǎn)介紹奧氏體不銹鋼管膛內(nèi)的充氮保護(hù)焊接的工藝原理、操作要點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼 氮?dú)?焊接

1 概述

多年來(lái)在工程施工中奧氏體不銹鋼的焊接一直采用的是管膛內(nèi)充氬保護(hù)焊接，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH 3501-2002《石油化工有毒、可燃介質(zhì)管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》的7.3.7條規(guī)定：奧氏體不銹鋼管道焊接，單面焊焊縫宜用手工鎢極氬弧焊焊接焊縫底層，管內(nèi)應(yīng)充氬氣或氮?dú)獗Ｗo(hù)。SH/T 3523-2009《石油化工鉻鎳不銹鋼、鐵鎳合金和鎳合金焊接規(guī)程》的7.3.4也規(guī)定：采用實(shí)芯焊絲或不填絲的鎢極氣體保護(hù)焊焊接底層焊道時(shí)，焊縫背面應(yīng)采取充氬或充氮保護(hù)措施。保護(hù)措施可采用整體或局部充氬（氮）方法。充氬氣（氮?dú)猓╅_(kāi)始時(shí)宜采用較大的流量，確保管內(nèi)保護(hù)氣濃度滿足要求后方可施焊，焊接時(shí)背面保護(hù)用的氬氣（氮?dú)猓┝髁繎?yīng)適當(dāng)降低，避免出現(xiàn)凹坑。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了還可以采取充氮保護(hù)，從經(jīng)濟(jì)成本上講，氬氣較氮?dú)獗阋恕?011年，我公司對(duì)奧氏體不銹鋼管膛內(nèi)氬氣保護(hù)焊接工藝改為充氮保護(hù)工藝進(jìn)行了系列的實(shí)驗(yàn)，最終通過(guò)了焊接工藝評(píng)定。通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)際操作和運(yùn)行證明，奧氏體不銹鋼管膛內(nèi)的充氮保護(hù)焊接不僅能夠保證焊接質(zhì)量而且經(jīng)濟(jì)可靠，是行之有效的施工工法。

2 工法的特點(diǎn)及適用范圍

2.1 奧氏體不銹鋼管道采用普通鎢極氬弧焊進(jìn)行打底焊接，管膛內(nèi)部焊接保護(hù)采用氮?dú)獗Ｗo(hù)。

2.2 焊接工藝評(píng)定的結(jié)果證明，不銹鋼管膛內(nèi)氮?dú)獗Ｗo(hù)焊接對(duì)奧氏體不銹鋼力學(xué)性能、晶間腐蝕等性能沒(méi)有影響。

2.3 氮?dú)獗戎乇葰鍤狻⒖諝猓ㄑ鯕猓┮p，在管膛內(nèi)保護(hù)時(shí)，控制管膛內(nèi)把空氣（氧氣）置換成氮?dú)獠⑦_(dá)到一定濃度以滿足焊接要求是關(guān)鍵。

2.4 不銹鋼管膛內(nèi)氮?dú)獗Ｗo(hù)焊接和氬氣相同，工藝基本沒(méi)有區(qū)別，焊工能夠正常操作，操作簡(jiǎn)單，勞動(dòng)強(qiáng)度低。

2.5 氮?dú)庵蛔鳛椴讳P鋼管膛內(nèi)保護(hù)焊接使用，但不可以作為鎢極氬弧焊焊槍噴嘴保護(hù)氣使用。

2.6 施工過(guò)程中無(wú)需配備更多的施工機(jī)具，節(jié)約成本，機(jī)動(dòng)靈活。

2.7 本工法適用于各種規(guī)格奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼管道的焊縫組對(duì)、打底焊接，奧氏體不銹鋼設(shè)備的組焊打底焊接可參考使用。

3 工藝原理

3.1 奧氏體不銹鋼管道的焊接一般要求單面焊雙面成型，通常采用GTAW+SMAW、GTAW+GMAW、GTAW+SAW等焊接工藝，由于奧氏體不銹鋼高溫下Cr原子會(huì)急劇氧化，造成背面成型不良，降低使用性能，故焊接時(shí)管膛內(nèi)需惰性氣體保護(hù)。

3.2 使用惰性氣體保護(hù)，是因?yàn)槎栊詺怏w化學(xué)性質(zhì)很不活潑，與其他元素之間幾乎不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。氮?dú)怆m然不是惰性氣體，而純氮?dú)馐遣荒芘c普通金屬產(chǎn)生反應(yīng)的，被稱為“惰性”，就是氮?dú)獾倪@種特性在加熱過(guò)程中，起到了保護(hù)金屬表面，不會(huì)產(chǎn)生氧化，從而起到惰性氣體保護(hù)的作用。

3.3 由于氮?dú)獗戎乇瓤諝猓ㄑ鯕猓┮p，所以，從不銹鋼管膛內(nèi)把空氣（氧氣）排空置換成氮?dú)獠⑦_(dá)到管膛內(nèi)焊接濃度要求，是該工法的試驗(yàn)重點(diǎn)。

3.4 通過(guò)試驗(yàn)證明，焊接時(shí)不銹鋼管膛內(nèi)充氮?dú)馕恢檬欠浅Ｖ匾?。?guī)格小于Φ300mm不銹鋼管道由于管徑小，管膛內(nèi)充氮?dú)馕恢脤?duì)內(nèi)部保護(hù)沒(méi)有多大影響。當(dāng)規(guī)格大于Φ300mm管道管膛內(nèi)充氮?dú)獗Ｗo(hù)焊接時(shí)，水平焊口應(yīng)從管子底部充氮，并在水平位置管的10點(diǎn)、2點(diǎn)位置設(shè)排氣口，盡快把空氣排出去。出氣孔不能放到12點(diǎn)位置，因?yàn)榭諝猓ㄑ鯕猓┍鹊獨(dú)獗戎卮?，很難在高位置把空氣排出去。

3.5 采用海綿封堵，海綿是軟體材料且具有一定的厚度，放置在管內(nèi)非常穩(wěn)定可靠，同時(shí)海綿具有一定的透氣性，隔離段氣室內(nèi)沒(méi)有死角，非常有利于氮?dú)獾闹脫Q。氣帶直接穿過(guò)海綿，進(jìn)氣端使用三通（或用廢海綿的邊角料將氣帶端部包扎），讓氮?dú)鈿饩鶆虻膹暮＞d四周噴出。氣帶端口應(yīng)放置在焊口的下部，提高氣體置換速度和質(zhì)量。小于Φ300mm管子用一根氣帶從一端充氣即可；大于Φ300mm管子采用兩根氣帶向管內(nèi)充氣，待管內(nèi)氣體置換好后可關(guān)掉一根氣帶，只用一根氣帶維持管內(nèi)氮?dú)饬髁浚ＷC焊接需要并節(jié)省氮?dú)狻?/p>

3.6 研究分析，碳元素是影響不銹鋼晶間腐蝕的主要因素，理論上講，氮?dú)庠诤附舆^(guò)程中，不生成碳化物。由于氮化物在晶界上析出，提高晶界高溫強(qiáng)度，從而增加鋼的蠕變強(qiáng)度。在奧氏體鋼中，可以取代一部分鎳。氮不與不銹鋼中其他元素化合，有沉淀硬化作用；對(duì)鋼抗腐蝕性能的影響不顯著，但鋼表面滲氮后，不僅增加其硬度和耐磨性能，也顯著改善其抗蝕性。

3.7 我們先后進(jìn)行了16組焊接工藝評(píng)定實(shí)驗(yàn)，包括含碳量稍高的TP304、TP304H、TP347H、TP316等不銹鋼材料，晶間腐蝕均為合格。說(shuō)明不銹鋼管膛內(nèi)氮?dú)獗Ｗo(hù)對(duì)不銹鋼鋼焊接中的晶間腐蝕沒(méi)有明顯影響。

4 施工操作要點(diǎn)

4.1 施工準(zhǔn)備

4.1.1 焊接材料的選擇應(yīng)根據(jù)焊件的化學(xué)成分、力學(xué)性能、使用條件和施焊條件綜合考慮。同種鉻鎳奧氏體不銹鋼的焊接宜選用與母材合金含量相近的焊接材料；異種鉻鎳奧氏體不銹鋼的焊接，宜按照合金含量較低的母材選擇焊接材料。

4.1.2 不銹鋼管膛內(nèi)用保護(hù)焊接氮?dú)饧兌冗x用應(yīng)不低于99.5%，含水量小于50mg/L。

4.1.3 焊工必須按照國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局頒布《TSG Z6002-2010特種設(shè)備焊接操作人員考核細(xì)則》進(jìn)行考試，并取得FeⅣ類鎢極氬弧焊焊工合格資質(zhì)證，（例如：GTAW-FeⅣ-6G- ×/××-FefS-02/10/12），方可承擔(dān)相應(yīng)的焊接施工任務(wù)。

4.1.4 各種管徑、厚度的組對(duì)形式應(yīng)符合表1的要求。

4.2 焊接準(zhǔn)備

4.2.1 焊接設(shè)備處于完好狀態(tài)。

4.2.2 焊工手工工具宜應(yīng)用不銹鋼制成，打磨焊縫宜用不銹鋼專用砂輪片。

4.2.3 坡口兩側(cè)各100mm范圍內(nèi)應(yīng)涂上白堊粉后其他防飛濺涂料。

4.2.4 焊接保護(hù)用氮?dú)饧兌葢?yīng)滿足要求，氮?dú)饧兌葢?yīng)不低于99.5%。

4.3 管子切割、組對(duì)

4.3.1 管子切割及坡口加工宜采用機(jī)械方法，坡口加工后應(yīng)進(jìn)行外觀檢查，坡口表面不得有裂紋、分層等缺陷。

4.3.2 管子及管件組對(duì)前，應(yīng)用手工或機(jī)械方法清理其內(nèi)外表面，在坡口邊緣20mm范圍內(nèi)不得有油漆、毛刺、鑄造垢皮及其他對(duì)焊接有害的物質(zhì)。

4.3.3 管壁相同時(shí)，其內(nèi)壁應(yīng)平齊，內(nèi)壁錯(cuò)邊量不得大于0.5mm。

4.3.4 管子及管件組對(duì)后的定位焊可采用根部定位焊縫和過(guò)橋定位焊縫兩種方式。定位焊焊接工藝與正式焊接工藝相同。

4.3.5 點(diǎn)固焊長(zhǎng)度不超過(guò)10mm～20mm，且厚度不超過(guò)管材壁厚的2/3并不得超過(guò)10mm。

4.4 氮?dú)庵脫Q

4.4.1 管道內(nèi)充氮?dú)猓捎忙?100mm的海綿封堵在管口兩側(cè)，距離為200mm～400mm，如圖1所示。

4.4.2 海綿用薄木板加固，兩塊海綿之間用鐵絲連接，焊接完畢連同氣帶一起用鐵絲從管內(nèi)拉出來(lái)。

4.4.3 大于Φ300mm不銹鋼管道采用二至三根氣帶均勻分布于海綿表面向管內(nèi)充氣，提高置換速度。待管內(nèi)氮?dú)庵脫Q好后只留一根氣帶維持管內(nèi)氮?dú)鈮毫ΡＷC焊接用氣。

4.5 管膛內(nèi)氮?dú)鉂舛鹊臋z驗(yàn)

4.5.1 焊絲放在坡口內(nèi)處在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，用氬弧焊電弧將焊絲端部加熱至變紅后迅速熄滅電弧并將焊絲伸到管內(nèi)，待焊絲端部溫度降到室溫后抽出觀察焊絲端部的顏色來(lái)判斷管內(nèi)氮?dú)獾臐舛取?/p>

4.5.2 焊絲端部為銀白色，說(shuō)明管膛內(nèi)氮?dú)鉂舛冗_(dá)到焊接要求；焊絲端部為金黃色，說(shuō)明管內(nèi)氮?dú)鉂舛炔惶珘?，但也可以滿足焊接需要。焊絲端部為藍(lán)、灰、白等顏色，說(shuō)明管內(nèi)氮?dú)鉂舛炔粔颍枰^續(xù)置換。

4.6 焊接

4.6.1 管內(nèi)充氮?dú)鈺r(shí)，開(kāi)始時(shí)流量可適當(dāng)加大，確保管膛內(nèi)氮?dú)鉂舛冗_(dá)到保護(hù)焊接要求后方可施焊。焊接過(guò)程中如感覺(jué)鐵水發(fā)飄，氮?dú)饬髁繎?yīng)適當(dāng)降低，以避免焊縫背面因氮?dú)獯低?，在成型時(shí)出現(xiàn)凹陷。

4.6.2 焊接過(guò)程中需控制熱輸入量，采用小線能量，小電流焊接，冷卻速度要快，使其在敏化溫度區(qū)停留時(shí)間短，有利于防止不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕；小線能量即熱輸入小，焊接應(yīng)力就小，有利于防止應(yīng)力腐蝕和熱裂紋；焊接時(shí)根據(jù)管徑大小、壁厚選擇相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)，焊接電流值比低碳鋼焊接時(shí)低20%左右。采用小線能量、短弧焊、小擺動(dòng)的操作方法。層間溫度控制在150℃以下。

4.6.3 鎢極氬弧焊焊接時(shí)，焊絲前端應(yīng)始終置于保護(hù)氣體中。

4.6.4 氬弧焊焊接時(shí)收尾處打磨成斜坡?tīng)?，焊至斜坡時(shí)，暫停給絲，先用電弧把斜坡處預(yù)熱并熔化成熔孔時(shí)，迅速加焊絲，使焊縫封閉，收弧時(shí)要填滿弧坑，氣體延時(shí)保護(hù)，避免焊縫在高溫下被大氣污染。

4.6.5 焊件表面嚴(yán)禁電弧擦傷，并嚴(yán)禁在焊件表面引弧、收弧。焊接時(shí)應(yīng)確保引弧和收弧處的質(zhì)量，收弧時(shí)應(yīng)將弧坑填滿，并用砂輪將收弧處修磨平整。

4.6.6 焊槍噴嘴采用過(guò)渡段篩網(wǎng)，效果更好。通過(guò)分析和試驗(yàn)，采用帶過(guò)渡段篩網(wǎng)的氬弧焊噴嘴，對(duì)不銹鋼的焊接更加有力，特別是對(duì)焊后顏色有要求的環(huán)境，推薦采用帶過(guò)渡段篩網(wǎng)的氬弧焊噴嘴。

4.6.7 采用熔化極氣體保護(hù)焊接打底時(shí)，背面保護(hù)工藝可參照此工法。

5 經(jīng)濟(jì)效益

按照140MPa瓶裝氣體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)核算，管道內(nèi)部充氣費(fèi)用大約氬氣8.75元/m，氮?dú)?.91元/m，氮?dú)獗葰鍤夤?jié)省費(fèi)用2/3，表2為各種瓶裝氣體性價(jià)比(計(jì)算依據(jù)：按照目前氣瓶減壓器輸出10L/min計(jì)算，140MPa瓶裝氬氣\\氮?dú)饪舍尫?0小時(shí))。應(yīng)用的實(shí)踐表明，使用本方法后每年節(jié)約成本氣體約66%，約為不銹鋼管道總工程量的5%。