電廠建設(shè)奧氏體不銹鋼管道焊接質(zhì)量控制分析

楊 杰 馬振北 中國電建集團(tuán)山東電力建設(shè)第一工程有限公司

1 前言

不銹鋼有很多種，在我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13304—2008《鋼的分類》中，根據(jù)不銹鋼的金相組織可分為五類，即鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體不銹鋼、奧氏體型和不銹鋼沉淀硬化。其中，奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性，優(yōu)異的抗氧化性和最佳的機(jī)械性能，因此被廣泛用于石油，化工，電力等行業(yè)。

在電力行業(yè)，常用的奧氏體不銹鋼有1Cr18Ni9Ti，0Cr18Ni9，SA213-TP347H，SA213-TP304H，SA213-TP316L，SA213-TP304L等。其中SA213-TP347H，SA213-TP304H由于其高溫強(qiáng)度，良好的耐久性和良好的耐磨性，它被廣泛用于過熱和加熱蛇形管，這些蛇管具有較高的工作溫度和壓力，并受到煙道氣的嚴(yán)重腐蝕。0Cr18Ni9，SA213-TP316L，SA213～TP304L具有低碳含量，低機(jī)械性能和良好的附著力。它們通常用于潤滑具有低工作壓力和低工作溫度但要求高純度的油管和儀用壓縮空氣管、熱儀表管等。

2 工程特點(diǎn)

#1機(jī)組不銹鋼管道主要包括熱控儀表管道、熱控取樣管道、鍋爐補(bǔ)給水管道、室外水箱管道、加藥系統(tǒng)管道、凝結(jié)水精處理管道、制氫站管道、酸堿儲(chǔ)存間管道等。主要施工區(qū)域?yàn)殄仩t、汽機(jī)房、化學(xué)水處理、制氫站等施工區(qū)域。涉及到系統(tǒng)、材質(zhì)比較多，工作量大，施工環(huán)境復(fù)雜。對(duì)工藝、工序要求較為嚴(yán)格，參與施工人員要具備相應(yīng)的從業(yè)資格證和一定的工作經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)人員明確各自分工職責(zé)，做好施工前準(zhǔn)備工作和技術(shù)交底，做好危險(xiǎn)因素分析與排查工作?；痣姀S常用鋼材為奧氏體不銹鋼18Cr-8Ni（304、316、316H等）、奧氏體不銹鋼24Cr-13Ni等，是火力發(fā)電機(jī)組中的常用不銹鋼鋼種，具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強(qiáng)度和機(jī)械特性。焊接過程中需要充氬保護(hù)以及層間溫度的控制，焊接性良好，焊前無須預(yù)熱，焊后也無須熱處理。

3 奧氏體不銹鋼的焊接特點(diǎn)

3.1 奧氏體不銹鋼焊接接頭熱裂紋

（1）奧氏體不銹鋼的熱導(dǎo)率相對(duì)較低。通常，w（C）為1%的普通碳鋼的熱導(dǎo)率為45W/(m·K)，而不銹鋼的熱導(dǎo)率僅為16W/(m·K)。由于奧氏體不銹鋼的線膨脹系數(shù)大，在焊接過程中，在局部加熱和冷卻條件下，可能會(huì)產(chǎn)生高拉伸應(yīng)力。（2）奧氏體不銹鋼的液相線和固相線范圍大，結(jié)晶時(shí)間長，容易導(dǎo)致有害雜質(zhì)如低熔點(diǎn)S和P的分離。低熔點(diǎn)雜質(zhì)在晶界處的分離形成低熔點(diǎn)晶間液膜。在凝固過程中，低熔點(diǎn)晶間液膜在拉伸應(yīng)力的作用下易于破裂。（3）奧氏體鋼和焊接金的成分更為復(fù)雜。不僅雜質(zhì)（如S和P）可以形成低熔點(diǎn)晶間液膜，而且某些合金元素（如Si和Nb）由于溶解度有限，還易于形成可溶性低共熔物，如硅化物共晶，鈮化物共晶。這些共晶在彈性應(yīng)力下也容易開裂。

3.2 奧氏體不銹鋼焊接接頭的耐腐蝕性

保持在400℃～850℃或緩慢冷卻，奧氏體不銹鋼會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的晶間腐蝕破壞。這是由于晶界處Cr23C6的富Cr沉淀引起的，這導(dǎo)致周圍的基體形成較差的Cr區(qū)域。碳含量越高，晶間腐蝕的趨勢越大。當(dāng)焊接奧氏體不銹鋼時(shí)，焊縫和熱影響區(qū)的晶間腐蝕特別嚴(yán)重，這可能導(dǎo)致晶粒剝落和鋼零件變脆。此外，由奧氏體不銹鋼制成的焊接接頭也容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂和凹坑腐蝕。應(yīng)力腐蝕裂紋與焊接應(yīng)力的存在密切相關(guān)。點(diǎn)蝕的主要原因是抗點(diǎn)蝕成分Cr和Mo的分離。

3.3 奧氏體不銹鋼焊縫的脆化

（1）焊縫金屬低溫脆化。當(dāng)在低溫下使用奧氏體不銹鋼的焊接接頭時(shí)，焊縫金屬的可塑性是一個(gè)主要問題，并且焊縫中鐵素體的存在會(huì)導(dǎo)致焊縫塑料大量下落。因此，在低溫下工作的焊接奧氏體鋼應(yīng)為純奧氏體焊接，并且可以通過選擇純奧氏體焊條并制定合理的焊接工藝來獲得純奧氏體焊接。（2）焊縫σ相脆化。一旦將焊縫加熱到高溫一定時(shí)間，就會(huì)在焊縫中析出脆性的非磁性σ相，這會(huì)導(dǎo)致整個(gè)接頭的松脫，并且會(huì)顯著降低焊縫的可塑性和耐用性。σ相的析出溫度在650℃～850℃之間變化。在高溫加熱期間，σ相主要由鐵素體轉(zhuǎn)變。加熱時(shí)間越長，就會(huì)析出更多的σ相。

4 焊前的準(zhǔn)備工作

4.1 焊工技能的確認(rèn)

從事焊接作業(yè)的焊工必須持證上崗，按照相關(guān)規(guī)定嚴(yán)格進(jìn)行作業(yè)。與此同時(shí)，上崗的焊工必須經(jīng)過培訓(xùn)且考核通過，做好技術(shù)交底工作，確定無誤后方可開始作業(yè)。

4.2 焊接材料的管理

焊條涂層在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中會(huì)吸收水分，這會(huì)增加涂層中的水分。使用前應(yīng)將焊條干燥，以減少涂層中的水含量。目的是減少焊接過程中的飛濺，使焊接電弧穩(wěn)定燃燒。防止在焊接中產(chǎn)生氣孔；防止某些合金的焊接時(shí)，鋼中氫引起的延遲裂紋。烘烤應(yīng)使用溫度可控制的特殊烤箱。用多少烘多少，隨用隨取。烘干后的焊條應(yīng)放在保溫筒內(nèi)使用。外露超過2h應(yīng)重新烘焙。重復(fù)不宜超過3次。

4.3 管道的坡口加工

不銹鋼管的斜度可以用等離子加工或切割。在焊接之前，必須去除氧化物層和溝槽開挖。由于不銹鋼和碳鋼之間的接觸會(huì)引起“滲碳”，因此在焊道和飛濺清潔中應(yīng)使用特殊的砂輪和不銹鋼刷。

5 奧氏體不銹鋼管道焊接工藝及選材原則

火電廠不銹鋼焊接施工中較常用的是奧氏體，如：0Cr18Ni9Ti、1Crl8Ni9Ti等。奧氏體不銹鋼具有更好的耐久性，并且相對(duì)容易粘結(jié)。即使在焊接狀態(tài)下，焊接接頭也具有高電阻。但是，與普通碳鋼相比，其熱導(dǎo)率約為碳鋼的1/3，其膨脹系數(shù)是碳鋼的1.5倍。雖然奧氏體不銹鋼具有較低的導(dǎo)熱率和較高的膨脹系數(shù)，但是在焊接過程中容易發(fā)生變形和伸長。焊接質(zhì)量主要取決于焊接工藝是否與母材兼容。因此，確定焊接工藝時(shí)應(yīng)考慮以下因素。

5.1 焊接方法的選擇

不銹鋼常用的焊接方法有手工電弧焊、氬弧焊及等離子弧焊。主要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)介質(zhì)溫度、壓力、施工條件和操作環(huán)境，以及施工成本等確定。在工藝管道施工中，因管徑大小不等，且管道上閥門、熱控儀表、取樣管件較多，使得焊口位置變化較復(fù)雜。所以一般采用手工電弧焊。

在凝結(jié)水精處理系統(tǒng)管道施工中，由于輸送的介質(zhì)有一定清潔度要求（避免污染），況且管子口徑均在Φ159mm以上，通常我們都是采用氬弧焊打底、手工電弧焊蓋面的方式焊接。

5.2 焊縫坡口形式的選擇

焊縫坡口應(yīng)與焊接方法一起考慮，不同的焊接方法特點(diǎn)不同，所以坡口選擇要求不同，坡口與管子壁厚、產(chǎn)品要求、實(shí)際情況有關(guān)，焊接時(shí)的穿透力（熔深）也不同。在施工過程中，應(yīng)根據(jù)具體材料調(diào)整凹槽的間隙和角度。如果槽尺寸太大，不僅會(huì)增加施工成本，還會(huì)使接縫應(yīng)力過大，容易變形和開裂；當(dāng)溝槽尺寸很小時(shí)，容易出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，例如滲透不完全和夾渣。當(dāng)使用手工電弧焊進(jìn)行工作時(shí)，因?yàn)椴讳P鋼的滲透性低于碳鋼焊條。因此，必須適當(dāng)增加溝槽的角度和間隙，可以根據(jù)規(guī)范給出的正偏差值進(jìn)行檢查，也可以通過試焊來確定。

奧氏體不銹鋼管道口徑多為中徑（Φ159mm）以下薄壁管道，坡口形式間隙相比碳鋼管較大，坡口形式一般選擇V型坡口。

5.3 焊接材料的選擇

焊接材料的選擇主要應(yīng)從母材的化學(xué)成分、管道介質(zhì)溫度和壓力、焊機(jī)電流（交流或直流），各種考慮因素，例如焊接方法和焊接過程中的環(huán)境溫度。奧氏體不銹鋼通常使用鉻鎳不銹鋼電極（品牌前綴“A”）?？梢愿鶕?jù)電極的成本效益選擇特定等級(jí)。

當(dāng)需要下沉氬弧焊時(shí)，通常選擇含Ti和Nb的氬弧焊絲，鎢極為鈰WCe-20鎢極，惰性保護(hù)氣體為99.99%氬氣。

6 奧氏體不銹鋼焊接過程中易出現(xiàn)的問題及解決辦法

6.1 裂紋

在焊接應(yīng)力和其他脆性因素共同作用下，局部焊接接頭區(qū)域中金屬原子的結(jié)合強(qiáng)度被破壞，并形成新的界面，從而產(chǎn)生裂紋。產(chǎn)生原因主要是熔池結(jié)晶時(shí)，受到拉應(yīng)力的作用，凝固時(shí)低熔點(diǎn)晶間液膜受拉應(yīng)力而開裂。為了防止焊接裂紋，應(yīng)減少焊縫中的S，P等雜質(zhì)的含量，防止熔池中低熔點(diǎn)晶間液膜的產(chǎn)生；同時(shí)，應(yīng)控制焊縫形狀，避免焊縫深而窄。此外，可以采用鎢極氬弧焊或采用堿性焊條焊接，焊條經(jīng)過烘焙后保溫桶盛裝，采用小電流、快速焊、一次焊接成型。

6.2 咬邊

產(chǎn)生咬邊缺陷的原因是焊工操作不當(dāng)或焊接工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，或施焊時(shí)焊絲、焊條、焊槍角度不當(dāng)，使熔化的母材未被焊縫金屬所填滿。為了防止咬邊，應(yīng)選擇合適的電流、焊條角度和焊速，焊縫兩側(cè)適當(dāng)延長停留時(shí)間。

6.3 氣孔

由于高溫時(shí)焊縫溶解了很多氣體（如H2，O2），這些氣體在焊縫凝固過程中來不及逸出就會(huì)產(chǎn)生氣孔。最根本的解決辦法就是消除H，O的來源，將焊絲、母材表面的水分、油污等清理干凈，焊條按要求烘干，同時(shí)操作時(shí)降低焊接速度、加大焊接電流、進(jìn)行短弧焊接也能有效防止氣孔產(chǎn)生。

6.4 未焊透

焊接時(shí)根部未完全熔透。主要原因有坡口鈍邊過大、坡口角度小、對(duì)口間隙小、焊絲或焊條角度不當(dāng)、焊接電流過小、焊接速度過快、電弧過長、坡口或?qū)娱g氧化皮等沒有清理干凈。防止未焊透的主要方法有：選擇合適的焊接電流、坡口鈍邊、對(duì)口間隙及坡口角度，焊接時(shí)長弧預(yù)熱再壓低施焊，使根部充分熔合。

6.5 焊瘤

焊接過程中，焊縫金屬流到焊縫之外的母材上，形成金屬瘤。主要原因是熔池溫度過高、焊材伸入太深、熔化金屬背面過多所致，焊材角度不當(dāng)及焊接速度過慢也是主要原因。選擇合適的焊接電流、對(duì)口間隙不宜太大能有效防止焊瘤產(chǎn)生，操作上應(yīng)注意焊條擺動(dòng)時(shí)中間稍快些，兩邊稍慢，一旦發(fā)現(xiàn)熔池有下墜現(xiàn)象，立即滅弧。

6.6 夾渣

在焊接過程中，熔池中產(chǎn)生的氧化物和硫化物迅速硬化并保留在焊接金屬中，形成熔渣夾雜物。主要原因是焊接電流很小，不能區(qū)分液態(tài)金屬和渣。焊接速度非常快，爐渣為來不及浮起。連接器清潔不干凈；焊條角度不正確等，為了避免夾雜爐渣，在焊接過程中應(yīng)選擇合理的焊接電流和適當(dāng)?shù)暮附铀俣?，并?yīng)控制溝槽兩側(cè)的電弧停留時(shí)間，并應(yīng)加強(qiáng)各層之間的間隙。

7 結(jié)束語

影響奧氏體鋼焊接質(zhì)量的因素有很多，為了改善焊接質(zhì)量，必須遵守相關(guān)技術(shù)規(guī)程和產(chǎn)品技術(shù)條件，并根據(jù)實(shí)際情況，合理選用焊接材料和焊接工藝參數(shù)，保證設(shè)備達(dá)到使用要求。