論提高DS高硅不銹鋼管道可焊性的方法

李飛榮，郝日爐

（1.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院，陜西 西安 719000；2.華陸工程科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 719000）

本文根據(jù)在平煤硫酸項(xiàng)目中的實(shí)際問(wèn)題解決中摸索出來(lái)的幾種方法予以了論證和說(shuō)明，很好的解決了現(xiàn)場(chǎng)安裝中出現(xiàn)的熱裂紋等問(wèn)題。

1 DS管道焊口結(jié)晶熱裂紋傾向問(wèn)題解決辦法

要理解高硅不銹鋼的熱裂紋傾向問(wèn)題，先要清楚硅在合金材料中的不利影響。硅元素脫氧能力大于鐵元素，因此在高溫結(jié)晶過(guò)程中，硅元素和氧生成低熔點(diǎn)的硅酸鹽類，由于不銹鋼本身具有熱導(dǎo)率差的特性，熔池的液相線和固相線距離也大，凝固過(guò)程溫度梯度較大，使得低熔點(diǎn)雜質(zhì)偏析嚴(yán)重，而且集中在晶界處，這就使得其在冷卻收縮過(guò)程中由于過(guò)大的拉應(yīng)力使得焊縫沿晶界開裂（注意區(qū)別常規(guī)低合金鋼的氫致裂紋機(jī)理）。據(jù)此成因，現(xiàn)場(chǎng)采用如下辦法。

（1）全氬弧焊焊接。全氬弧焊工藝可以明顯提高母材的可焊性，具體操步驟如下：坡口冷加工→組對(duì)→調(diào)整對(duì)口間隙→根焊道背面密封充氬隔離→根焊道打底→層間間歇→逐層填充蓋面。其中，尤為重要的是要保證層間焊接間歇的時(shí)間，具體要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度來(lái)掌控，硫酸現(xiàn)場(chǎng)一般待上層焊道空冷至60℃左右后再進(jìn)行下一層的焊接，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多次模擬后得出：空冷溫度在環(huán)境溫度40℃～50℃左右時(shí)最好[1]。

（2）氬氣純度控制。氬氣純度要達(dá)到99.999%，使用氬氣純度分析儀檢測(cè)?？刂茪鍤饧兌鹊哪康臑榱吮M可能的使用高純度的氬氣對(duì)熔池進(jìn)行隔離保護(hù)，防止空氣進(jìn)入熔池與熔池內(nèi)的一切有益合金元素形成低熔點(diǎn)氧化物，燒失合金元素，從而明顯降低焊縫區(qū)域金屬的既有性能，這也從后續(xù)的焊縫力學(xué)性能檢測(cè)中能得出對(duì)應(yīng)結(jié)果。因此，氬氣進(jìn)場(chǎng)后、使用前必須進(jìn)行檢測(cè)，不合格氣瓶嚴(yán)禁使用在高硅材料焊接作業(yè)中。

（3）焊接線能量控制。根據(jù)焊接線能量計(jì)算式：Q=U*I/v，針對(duì)不同焊道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試焊。焊接線能量控制是高硅管材組焊的核心要素之一。因此，必須在現(xiàn)場(chǎng)開展參數(shù)最優(yōu)化調(diào)整工作。

（4）多層多道焊，高硅不銹鋼焊接最大的隱患就是集中熱輸入導(dǎo)致母材出現(xiàn)重結(jié)晶過(guò)程，因此在施焊過(guò)程總既要保證熔池穩(wěn)定，又要盡量減小高溫區(qū)域。所以焊縫填充焊接使用多層多道焊工藝，用小的單道焊熱輸入間斷壓接，最終覆蓋整層焊道，焊槍采用直拉形式，嚴(yán)禁橫擺。

（5）試焊。根據(jù)當(dāng)?shù)氐臏囟?、濕度和風(fēng)速條件模擬焊接。介于DS管材敏感的施焊條件及高昂的制造成本，在正式組裝施焊前一定要組織進(jìn)行小批量的試焊工作。對(duì)試件進(jìn)行外觀檢測(cè)后做射線檢測(cè)，分析射線底片成型優(yōu)劣，對(duì)探傷合格的試件做力學(xué)性能測(cè)試，最終選出綜合性能最優(yōu)的一組焊接工藝參數(shù)作為正式施焊的依據(jù)。

2 DS管道焊口根部未焊透問(wèn)題研究及解決方法

根部未焊透問(wèn)題是高硅管道固定口容易出現(xiàn)的問(wèn)題之一，對(duì)高溫強(qiáng)酸介質(zhì)運(yùn)行穩(wěn)定造成很大的安全隱患，因此，必須重視并杜絕此類問(wèn)題。介于高硅材質(zhì)特性，一般不建議進(jìn)行焊口的二次動(dòng)火，也就是要保證一次焊接合格?，F(xiàn)場(chǎng)摸索出了幾個(gè)有效的處置辦法。

（1）剛性矯正法。測(cè)量管口的內(nèi)徑，一般均勻分測(cè)8個(gè)點(diǎn)，組對(duì)管口內(nèi)徑偏差超過(guò)壁厚1/10的，采用液壓千斤頂進(jìn)行修正微調(diào)，直至合格[2]。

（2）特種送絲法。點(diǎn)焊焊口后，可采用如下辦法進(jìn)行根焊道送絲：仰焊位置、立焊位置焊絲經(jīng)熔池對(duì)側(cè)焊道間隙部位穿過(guò)管內(nèi)到達(dá)熔焊部位，即由內(nèi)側(cè)向外側(cè)方向?qū)崿F(xiàn)送絲，保證根焊道背部的熔敷率。

3 DS管道焊口層間未焊透問(wèn)題解決辦法

層間未焊透的主因是氬弧焊熱輸入小所致。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試焊階段出現(xiàn)的層間未焊透問(wèn)題來(lái)看，主要出現(xiàn)在根焊道的下一道填充工序，這層焊道尺寸較窄，容易在與坡口母材熔合過(guò)程中熔池未進(jìn)行有效的熔合，此外在焊接接頭部位由于收弧不當(dāng)也易引起未焊透。現(xiàn)場(chǎng)施焊過(guò)程中增加一道工序即在單根焊絲更換間隙對(duì)接頭熔敷金屬進(jìn)行徹底打磨清除至光滑的坡口狀態(tài)，接續(xù)起弧部壓接上一收弧點(diǎn)，同時(shí)，本層焊道施焊必須采用短弧焊，要求焊工具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)和嫻熟的焊接手法。

4 DS管道焊縫熱影響區(qū)再熱裂紋問(wèn)題解決辦法

首先解決熱影響區(qū)域再熱裂紋成因，根據(jù)金屬學(xué)中焊接冶金學(xué)原理所知，熱影響區(qū)主要分為過(guò)熱粗晶區(qū)、相變重結(jié)晶區(qū)、不完全結(jié)晶區(qū)、時(shí)效催化區(qū)四個(gè)區(qū)，分別對(duì)這四個(gè)區(qū)進(jìn)行組織和性能分析。要得知材料性能，先計(jì)算DS不銹鋼的碳當(dāng)量，DS不銹鋼的合金元素含量百分比見表1所示。

根據(jù)碳當(dāng)量計(jì)算公式：

由以上三式代入計(jì)算所得，高硅不銹鋼碳當(dāng)量是1.15～1.361，由金屬學(xué)原理所知，當(dāng)碳含量超過(guò)0.6時(shí)，焊接性能就變差，其淬硬傾向就增大，從而導(dǎo)致熱影響區(qū)出現(xiàn)組織脆化、析出脆化、粗晶脆化、氫脆、石墨脆化及時(shí)效脆化。以上綜合因素導(dǎo)致高硅熱影響區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)晶間開裂并擴(kuò)展的裂紋，這種裂紋是穿透性裂紋，直接造成管道泄漏等重大事故，必須予以杜絕。

表1 DS高硅不銹鋼管材合金元素分析表（%）

現(xiàn)場(chǎng)采取了以下熱影響區(qū)韌化措施：

一是焊后立即覆蓋保溫棉氈，目的是減小熱影響區(qū)的溫度梯度。二是把每層焊道的厚度控制在1mm～1.5mm左右，嚴(yán)禁超過(guò)2mm，以確保其單層熱輸入值最小。三是采用短段多層焊接熱循環(huán)方法，每層焊道長(zhǎng)度控制在50mm～400mm之間，具體根據(jù)所焊管道吋徑來(lái)適當(dāng)調(diào)整。四是一道焊口從開始根焊道填充蓋面必須按照工藝要求一次完成，最好不要間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，當(dāng)天的焊道當(dāng)天必須完成，嚴(yán)禁隔夜。五是焊接高硅不銹鋼的環(huán)境溫度控制在20℃以上，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度低于15°時(shí)，要求配置保溫棚。六是環(huán)境風(fēng)速必須控制在2m/s以下，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速超標(biāo)后必須采取防風(fēng)棚防護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)此問(wèn)題專門制作了防風(fēng)保溫棚，防護(hù)效果良好。

5 DS-316異種不銹鋼焊接熔合區(qū)開裂問(wèn)題解決辦法

DS-316異種不銹鋼焊接采取普通工藝時(shí)，熔合區(qū)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的宏觀裂紋。根據(jù)舍夫勒?qǐng)D所得知，異種鋼焊接時(shí)，為確保焊縫成分合理，必須做到：

（1）正確選擇超合金焊接材料；

（2）適當(dāng)控制熔合比。

因此，現(xiàn)場(chǎng)采取ER80S-G+DS高硅焊絲兩種焊絲交替施焊的全氬弧焊，考慮到承插角焊縫的特點(diǎn)，具體操作如下：靠近316法蘭一側(cè)坡口部位用ER80S-G，靠近DS管一側(cè)部位使用DS焊絲，焊道中間則交替使用兩種焊絲焊接，我們暫且把這種施工方法稱為有效隔離層施工法。根據(jù)金屬學(xué)原理得知，想要獲得良好的焊縫金屬性能，就要盡最大可能減小馬氏體催化層的寬度，一般在Cr含量大體一致的情況下，提高Ni含量是有利的。根據(jù)兩種材質(zhì)中Cr、Ni含量的比例分析，整體焊道填充金屬要以DS焊絲為主。現(xiàn)場(chǎng)施焊焊絲用量控制在DS/ER80S-G=1.5。

此外，要考慮到熱變形應(yīng)力問(wèn)題，因?yàn)榕蛎浵禂?shù)不同勢(shì)必造成不同的膨脹方向?，F(xiàn)場(chǎng)采用了簡(jiǎn)單的剛性固定法，即沿圓周方向均勻臨時(shí)點(diǎn)焊固定4塊筋板，抵抗熱變形位移的趨向。

焊后自然冷卻后2h，對(duì)角焊縫進(jìn)行滲透檢測(cè)，無(wú)宏觀裂紋。隔72小時(shí)二次檢測(cè)仍合格。

6 效果檢驗(yàn)

硫酸項(xiàng)目高硅不銹鋼施焊過(guò)程中綜合采用了上述一系列方法，很好的控制了焊接質(zhì)量，總計(jì)3000達(dá)英DS材質(zhì)管道焊接量經(jīng)無(wú)損檢測(cè)探傷全部合格，我們從中隨機(jī)抽取了4道口進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，根據(jù)力學(xué)性能試驗(yàn)及無(wú)損檢測(cè)、光譜分析判定，本項(xiàng)目采取的上述幾種應(yīng)對(duì)工法符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，可以作為定型的高硅不銹鋼管道焊接作業(yè)指導(dǎo)技術(shù)文件并推廣使用。

7 總結(jié)

DS高硅不銹鋼管道在我國(guó)的應(yīng)用目前還主要集中在硫酸、硝酸領(lǐng)域，當(dāng)前主要面臨的還是現(xiàn)場(chǎng)焊接可焊性較差問(wèn)題，我們結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用技術(shù)研究和實(shí)踐，基本解決了高硅管材的焊接問(wèn)題。技術(shù)人員在后續(xù)遇到同類焊接問(wèn)題時(shí)亦可結(jié)合本文的幾種分析方法并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制定解決策略，或者根據(jù)本文給出的解決措施進(jìn)行落實(shí)，以避免此類問(wèn)題的出現(xiàn)，對(duì)高硅管道安裝的質(zhì)量、安全、成本控制起到重要的作用。但是，高硅不銹鋼管道焊接關(guān)于焊縫和熱影響區(qū)的冶金化學(xué)方面的研究本文未展開分析，例如通過(guò)Simufact.Welding模擬焊接軟件進(jìn)行有限元分析、電鏡分析等研究方法來(lái)從高硅不銹鋼材料本身的改進(jìn)去提高其實(shí)際使用效果。