不銹鋼管道焊接質(zhì)量控制的研究進(jìn)展

陳華 賀毅強(qiáng)

摘要：不銹鋼管道廣泛應(yīng)用于能源、化工、機(jī)械等領(lǐng)域，管道的焊接是限制其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文綜述了提高管道焊接質(zhì)量、檢測焊接缺陷和模擬焊接工藝的內(nèi)容和意義;論述了不銹鋼管道焊接的質(zhì)量控制要點(diǎn)，同時(shí)也論述了焊接缺陷的檢測。認(rèn)為通過合理選擇焊接材料、焊接方法、焊接坡口、焊接電流實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制。通過渦流無損檢測可以方便且有效探測焊件的缺陷，將有利于提高焊接質(zhì)量，控制焊接缺陷。多道次焊接三維模擬有利于控制焊接缺陷和提高焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵字： 不銹鋼; 管道;焊接質(zhì)量;缺陷檢測;模擬

不銹鋼由于具有良好的力學(xué)性能和抗腐蝕性能性能二廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。不銹鋼的延展性和韌性也非常好，但由于奧氏體不銹鋼的熱傳導(dǎo)性相對較差，因而在焊縫出容易出現(xiàn)如焊縫過熱、晶粒粗大等缺陷。因此保證管道焊接質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)管件的線性膨脹不充分時(shí)，焊接過程中的熱膨脹和冷卻收縮顯得尤為關(guān)鍵。不銹鋼管道焊接的難度較大，在焊接過程中通常需要?dú)怏w保護(hù)，導(dǎo)致工藝的復(fù)雜性增加。提高不銹鋼管道焊接的質(zhì)量和對焊件進(jìn)行質(zhì)量檢測具有重要的意義。

人們對于不銹鋼管道的焊接及其質(zhì)量的控制做了大量的研究，研究了奧氏體不銹鋼管道氮?dú)獗Ｗo(hù)焊接技術(shù)，解決了空氣混入乙炔氣體危及裝置安全的問題，模擬了奧氏體不銹鋼管道焊接的熱裂紋，分析了熱裂紋的產(chǎn)生原因。人們采用內(nèi)保護(hù)環(huán)及導(dǎo)氣閥裝置，減小了管道內(nèi)部充氮的區(qū)域，提高了對內(nèi)部焊縫的保護(hù)效果，節(jié)約了保護(hù)氣體，分析了不銹鋼管道焊接在煙墩壓氣站容易出現(xiàn)的變形、夾渣、氣孔等問題，并提出了相應(yīng)的解決方法。此外還有大量研究人員研究了不銹鋼管道焊接的質(zhì)量控制問題和缺陷控制問題。

不銹鋼管道焊接在施工中容易產(chǎn)生一些如未焊透、變形、氧化、夾渣、內(nèi)凹、裂紋等缺陷問題。理論上，低碳不銹鋼不易發(fā)生晶間腐蝕，但當(dāng)晶界富集如三氯化磷等雜質(zhì)時(shí)，就可能發(fā)生晶間腐蝕。此外，在溫度敏感區(qū)域停留時(shí)間過長引起貧鉻也會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)晶間腐蝕。因此對焊接缺陷的檢測和分析就顯得尤為重要。通過對焊件進(jìn)行檢測，保證焊件的焊接質(zhì)量，對有缺陷的焊件進(jìn)行缺陷的檢測，分析缺陷產(chǎn)生的原因，并通過焊接技術(shù)的改進(jìn)和焊接工藝的優(yōu)化來提高焊接質(zhì)量。

焊接水平對發(fā)展能源交通、石油化工、機(jī)械工程乃至海洋科技和軍事技術(shù)方面都具有關(guān)鍵的制約作用，因此提高不銹鋼管道的焊接質(zhì)量，有效控制其缺陷具有重大的戰(zhàn)略意義。

1、不銹鋼管道焊接的焊接質(zhì)量的要點(diǎn)

1.1確定焊接材料

不銹鋼按合金成分不同就可分為鉻鎳不銹鋼和鉻系不銹鋼兩種類型;按照不銹鋼的顯微組織可分為馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼以及鐵素體不銹鋼等類型。因奧氏體焊接性能較好，焊接工藝性好，焊接接頭具有較高的柔韌性，因此在多數(shù)工程應(yīng)用中都是采用奧氏不銹鋼。但奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱性能較差，在焊接過程中容易膨脹，導(dǎo)致管道的變形，應(yīng)該根據(jù)不銹鋼類型的不同選用不同類型的焊接方法。

1.2焊接方法的選擇

不銹鋼的焊接方法主要有三種：手工電弧焊、自動(dòng)埋弧焊和氣體保護(hù)焊。如何選擇焊接方法主要根據(jù)不銹鋼的類型、焊接的操作環(huán)境與施工條件、成本等因素。不銹鋼管上涉及多門閥和多管件時(shí)，具有復(fù)雜多樣性，應(yīng)采用手工電弧焊。

1.3 焊接坡口的選擇

在不銹鋼管道的焊接過程中，選用何種類型的焊接坡口要視焊縫的受力情況而定。因?yàn)楣艿啦馁|(zhì)本身特性的不同，在焊接過程中的物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生不同的效果，因此母材的不同會(huì)導(dǎo)致坡口尺寸的不同。根據(jù)母材是否容易產(chǎn)生變形和裂紋等來選用正確的坡口形式。

1.4 焊接電流的選擇

焊接電流的選擇影響焊接的外觀造型。如果使用超過母材所能夠承受的焊接電流則會(huì)對其材質(zhì)造成損傷，而導(dǎo)致焊接表面的不光滑。如果焊接電流過小，焊接速度太快，則會(huì)因?yàn)槿墼鼇聿患案〕龆诤附颖砻娑纬蓨A層，因此，在焊接過程中應(yīng)該根據(jù)材料選擇合適的焊接電流。

2、焊接缺陷的檢測

由于不銹鋼的焊接應(yīng)用于核電站、航空航天和交通等行業(yè)。隨著在焊接質(zhì)量控制方面要求的增加，用于焊接質(zhì)量控制和維修管理的無損檢測的需求迅速增加。用于焊件的無損檢測方法有多種，如超聲波檢測、X-射線檢測和磁力探傷。

渦流無損檢測是一種常用的磁力探傷方法，是一種檢測缺陷、裂紋和導(dǎo)電材料不連續(xù)的有效方法。渦流無損檢測是基于Faraday定律的原理。當(dāng)渦流因?yàn)楣芗械娜我蝗毕莞淖儠r(shí)，產(chǎn)生的磁場也隨之改變。為了進(jìn)一步探測不銹鋼管件的深度缺陷時(shí)，就必須應(yīng)用低頻磁場。在此理論基礎(chǔ)上，研究了如磁阻傳感器和超導(dǎo)量子干涉儀之類磁傳感器在低頻狀態(tài)下運(yùn)行，用來檢測深度缺陷。

3、不銹鋼管件焊接的模擬

不銹鋼焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和缺陷對焊接關(guān)鍵的力學(xué)性能有重要影響。對焊接過程的數(shù)值模擬有利于控制焊接缺陷和提高焊接性能，提供焊接過程中的焊件任何點(diǎn)上的溫度、應(yīng)力應(yīng)變等物理數(shù)值。常用的焊接模型模擬單道次焊接工藝不能很好地提供這些數(shù)值。由于采用3D模擬技術(shù)精確模擬在焊縫的約束條件的設(shè)定方面還存在一定困難。此外，多道次焊接的模擬更為困難。采用常用的有限元方法來對管件焊接進(jìn)行殘余應(yīng)力與變形的三維模擬獲得對管件熱影響區(qū)的性能和應(yīng)力的準(zhǔn)確描述需要非常精細(xì)的網(wǎng)格。采用SYSWELD軟件能更更加真實(shí)的模擬管件焊接的過程與變形。將自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)與相適應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合能更好地對不銹鋼管件的多道次焊接進(jìn)行3D模擬。

4、結(jié)語

（1）合理選擇焊接材料、焊接方法、焊接坡口、焊接電流來實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制。

（2）通過渦流無損檢測可以方便且有效探測焊件的缺陷，將有利于提高焊接質(zhì)量，控制焊接缺陷。

（3）多道次焊接三維模擬有利于控制焊接缺陷和提高焊接質(zhì)量。

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