不銹鋼管氣體保護(hù)焊接工藝研究

費 東，齊向前

（1.上海開山能源裝備有限公司，上海 201306；2.天津海運職業(yè)學(xué)院，天津 300350）

0 前 言

不銹鋼焊接保護(hù)氣體的使用在國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)文件中都有相關(guān)要求和指導(dǎo)意見，不論是焊接工藝設(shè)計階段還是焊接施工階段，焊接保護(hù)氣體在不銹鋼焊接過程中使用參數(shù)要求和保護(hù)措施都是焊接工程師設(shè)計過程中考慮的重點。

奧氏體不銹鋼具有良好的耐蝕性、 塑性、高溫性能和焊接性能，為了保障焊接接頭的質(zhì)量，往往需要解決一些特殊的問題，首先是焊接接頭表面氧化。 焊接時，材料表面溫度超過400 ℃，出現(xiàn)高溫氧化物，這種表面氧化物與低溫形成的鈍化層不同，其粗糙多孔，對構(gòu)件的抗蝕性不利；其次是表面成形不良，焊接時因為焊縫中合金元素含量高，熔池流動性差，易構(gòu)成焊縫外表成形不良，尤其根部焊道反面成形惡化，焊縫外表成形不良對焊縫性能的影響在常溫或高溫工況下不明顯，但在低溫工況下 （LNG 管線），其成形不良所構(gòu)成的應(yīng)力集中，對焊縫低溫性能的影響不亞于焊縫內(nèi)部質(zhì)量的影響。 如何解決上述問題，本研究將從工程經(jīng)濟(jì)性和實用性出發(fā)，介紹一種典型不銹鋼焊接工藝下管道焊接背面氣體保護(hù)的成功案例。

1 氬氣在焊接過程中的作用

目前對于氬氣、 氫氣、 氦氣、 氮氣混合氣體充氣技術(shù)的應(yīng)用已得到廣泛發(fā)展。 在歐洲，背面保護(hù)氣體大多使用氬氣；在美國氦氣被廣泛使用。本研究針對氬氣作為背面保護(hù)氣體進(jìn)行介紹。

氬氣為無色無臭的惰性氣體，在 0 ℃、101 MPa 條件下的密度為 1.784 kg/m3（空氣密度 1.29 kg/m3），相對密度 1.38 （取空氣=1），沸點為-185.9 ℃。 氬氣作為保護(hù)氣體 （正面及背面保護(hù)） 在不銹鋼鎢極氬弧焊 （GTAW） 焊接過程中防止高溫狀態(tài)下的焊縫金屬與空氣中的氧進(jìn)行反應(yīng)，避免合金元素?zé)龘p、 焊縫根部出現(xiàn)氧化、 燒枯的現(xiàn)象，同時可在一定程度上減少焊縫和熱影響區(qū)金屬在敏化溫度區(qū)間的停留時間，以避免在晶間形成碳化鉻化合物。

2 焊接工藝的選擇

2.1 焊接工藝設(shè)計

根據(jù)某國外液化天然氣處理廠項目有關(guān)奧氏體不銹鋼建造生產(chǎn)的需要，奧氏體不銹鋼管焊接主要有兩種方法： 第一種是手工鎢極氬弧焊（GTAW），適用于小直徑 （≤100 mm）、 薄壁（≤5 mm） 的管道；第二種是手工鎢極氬弧焊+藥芯焊絲氣體保護(hù)焊 （FCAW-G） 的組合工藝，主要應(yīng)用于大直徑管道焊接，可提高奧氏體不銹鋼的焊接效率，降低焊工勞動強(qiáng)度。

該項目的工藝管道設(shè)計、 制造及檢驗按照ASME B31.3 標(biāo)準(zhǔn)，其焊接工藝評定執(zhí)行ASME IX 規(guī)范。 焊接工藝評定試驗用管道的母材為ASTM A358 TP 304/304L，其規(guī)格為 Φ323.9 mm×25.4 mm，為 200 mm 長的兩個管段。 該項目對于奧氏體不銹鋼焊縫金屬的鐵素體含量、 低溫沖擊性能以及使用性能等均有要求，因此須謹(jǐn)慎選用焊接材料。 鎢極氬弧焊焊絲為京群GTS-308L，藥芯焊絲氣體保護(hù)焊焊絲為京群GFS-308L。

2.2 焊接試件的坡口制備及焊接位置

依據(jù)ASME BPV IX—2017 中條款QW-402 要求[4]，坡口制備如圖1 所示。 依據(jù)條款 QW-461.4，坡口的焊接位置選用5G 位置。

圖1 焊接試件坡口形式

2.3 焊接工藝參數(shù)

焊接過程中注意焊接參數(shù)合理匹配。 選用小熱輸入，GTAW 控制在 1.7 kJ/mm 以下，F(xiàn)CAW-G控制在1.6 kJ/mm 以下，采用小電流快速焊，多層焊時層間溫度最高175 ℃，具體焊接參數(shù)見表1。

表1 焊接工藝參數(shù)

3 大直徑不銹鋼管道焊接的充氣工藝要點

3.1 充氣方式的選取

液化石油天然氣 （LNG） 項目存在大量不銹鋼管道焊接工作。 本研究主要針對焊接工藝評定時采用的直徑為323.9 mm 的不銹鋼管焊接充氬工藝參數(shù)進(jìn)行介紹。 其充氣裝置如圖2 所示。

圖2 焊接試件充氬示意圖

封堵使用水溶紙和低氯水溶膠帶密封，水溶紙能快速完全溶解于大部分液體。 焊接結(jié)束后，用水或者蒸汽沖洗焊接后的管道，使管道內(nèi)不留下水溶紙殘渣，防止出現(xiàn)封堵物遺落管件中出現(xiàn)的質(zhì)量風(fēng)險。 對于大管徑的管線焊接也可采用此封堵方式。 該封堵方法局限性主要是不適用于輸油管道及要求不可沖洗的管道等。

3.2 充氣前封堵

首先每一鄰近焊縫的管端都應(yīng)堵塞，且塞堵到焊縫邊緣最小距離為150 mm；其次確定氣體進(jìn)口和出口。 氬氣入口應(yīng)置于封閉端盡可能低的位置，空氣排出孔應(yīng)置于封閉端最高位置。 因為氬氣的密度重于空氣，從較低位置充入氬氣方便有效排除管腔內(nèi)空氣，充氬保護(hù)效果也就更好，氣體通過密封端的出口排出，防止形成不良的壓力。焊接接頭根部間隙、 水溶紙與管壁接觸部分應(yīng)用低氯膠帶密封，防止充氣過程中出現(xiàn)漏氣的現(xiàn)象。

3.3 預(yù)充氣

預(yù)充氣是用來置換管道內(nèi)的空氣，確保焊接接頭加熱和冷卻的區(qū)域持續(xù)處于惰性氣體環(huán)境中。預(yù)充氣應(yīng)考慮管徑、 充氣體積和最大允許的含氧量等工藝參數(shù)。

一般情況下，預(yù)充氣在一定的時間和充氣流速下，使用的氣體體積量大約是氣體保護(hù)空間容積的5 倍。 氣體流速一般在20 L/min，對于氣體流速的選取存在一種普遍的誤解，認(rèn)為在預(yù)充氣時一味的增加氣體流速可以達(dá)到快速置換空氣的效果。 實際上只依賴增加氣體流速不能有效減少置換空氣的時間，需要綜合考慮充氣體積、 保護(hù)氣體的性質(zhì)、 接受的殘余含氧量水平等。 對不銹鋼管道焊接背面充氣保護(hù)工藝的技術(shù)要求為： 封閉腔內(nèi)的氧含量必須在0.1%以下；保護(hù)氣體流速應(yīng)在5 min 內(nèi)由規(guī)定流速的35%逐漸增加到100%。 此外，如一直使用過高氣體流速會產(chǎn)生氣體紊流現(xiàn)象 （即惰性氣體與空氣混合），長時間不能置換出空氣，形成空氣腔，殘余含氧量水平不達(dá)標(biāo)，使根部出現(xiàn)氧化現(xiàn)象。

3.4 充氣工藝

在出口點監(jiān)測充氣室內(nèi)氧氣和濕度情況。 一般不銹鋼的殘余氧含量按不超過1%的水平進(jìn)行控制，對于像鈦合金和其他活潑金屬的焊接，殘余氧含量需要控制在不超過28.2 mg/m3的水平，使用氧氣測試儀在管內(nèi)上部位置對管內(nèi)氧氣含量進(jìn)行測定。 當(dāng)相對濕度大于80%時應(yīng)停止施焊，使用露點測試計進(jìn)行測定。

在焊接過程中，充氣變化會影響焊接質(zhì)量，應(yīng)加強(qiáng)氣體的連續(xù)控制，時刻關(guān)注檢查氣體的含氧量及氣體流速。 焊接接頭沒有完全密封或密封不好的情況下，比較高的流速可以有效避免惰性，保護(hù)環(huán)境受到污染。 一旦充氣達(dá)到氣室空間的容積，焊接操作時氣體流速應(yīng)當(dāng)減至約5 L/min。 最佳的充氣保護(hù)效果應(yīng)以剛剛能感覺到氣體從出氣口流出為宜。 因為過高的流速會引起管內(nèi)氣壓增高，造成焊縫根部出現(xiàn)內(nèi)凹缺陷，更極端的情況可能導(dǎo)致熔融狀態(tài)金屬熔池出現(xiàn)噴濺現(xiàn)象，不僅影響焊接質(zhì)量，同時影響焊接操作人員的安全。如果氣體壓力選取適宜，有利于控制焊縫根部成形。 在焊接工藝評定試驗時，充氣流速和壓力一經(jīng)確定應(yīng)在焊接程序文件中體現(xiàn)。

當(dāng)打底焊道即將焊接完成時，即管道內(nèi)部即將密封，此時氣體流速應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié) （減少流速），以避免管內(nèi)出現(xiàn)過高壓力的狀況。 也可在出氣一側(cè)位置，用焊絲在靠近頂部的位置戳破水溶紙形成附加出氣口 （1～2 個為宜），此時可不調(diào)節(jié)氣體流速，同樣可以達(dá)到避免管內(nèi)出現(xiàn)過高壓力的情況。 采用以上措施可有效避免該位置出現(xiàn)熔融金屬噴濺及內(nèi)凹等問題。

3.5 充氣完成與外觀檢查

至少焊接6.4 mm 厚或焊完二層焊道后，才能停止輸送背襯氣體。

焊縫處的顏色可判斷出焊接區(qū)的保護(hù)效果（見表2）。 充足的保護(hù)氣體可使根部焊道不受氧化，如呈亮褐色時，尚為合格。 若保護(hù)氣流量不充足會引起根部焊道表面氧化，并呈藍(lán)色，則不合格。 一旦出現(xiàn)不合格焊縫應(yīng)通過不銹鋼專用工具 （如砂輪、 鋸等），將氧化部分去除，重新施焊或補(bǔ)焊。

表2 焊接接頭顏色與保護(hù)效果

3.6 鐵素體含量與側(cè)向膨脹值的測定

304L 類不銹鋼母材的典型室溫顯微組織為全部奧氏體。 但是，為確保焊縫金屬具有足夠的抗結(jié)晶裂紋的能力，相應(yīng)的焊縫金屬在冷卻凝固時應(yīng)析出一定量的抗裂性強(qiáng)的δ 鐵素體相，其含量一般以鐵素體數(shù) FN （Ferrite Number）來定量描述[5]。奧氏體不銹鋼焊縫δ 鐵素體過高會降低韌塑性，很難達(dá)到滿足LNG 項目通常的-196 ℃下最低橫向膨脹0.38 mm 的要求，而當(dāng)δ 鐵素體含量降低到一定程度時容易發(fā)生結(jié)晶裂紋。 該項目要求的鐵素體含量為3～8 FN，在焊接工藝評定時測定的數(shù)值見表3，滿足項目要求。 同時沖擊試驗測得的側(cè)向膨脹值見表4，符合項目要求。 合理的焊材選用、 工藝參數(shù)及正確的氣體保護(hù)促使合金成分固溶化合，進(jìn)而得到滿意的鐵素體含量。

表3 FN 值測定

表4 沖擊試驗側(cè)向膨脹值

4 結(jié) 論

（1） 采用可靠的充氣工裝使焊縫背面得到有效的保護(hù) （殘余氧含量按不超過1%的水平），防止焊縫背部出現(xiàn)氧化現(xiàn)象。

（2） 選取合理的氣體流量和壓力，確保焊縫內(nèi)部成形并滿足焊縫質(zhì)量要求。

（3） 采用合適的焊接工藝與背面保護(hù)效果，可獲得滿足要求的焊接接頭性能。