不銹鋼管背面保護(hù)焊接方法的研究現(xiàn)狀

劉勇，秦飛虎，楊金，李亞軍

（中國(guó)石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司成都?jí)嚎s機(jī)分公司， 四川 成都 610100）

隨著工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，不銹鋼管在石油、化工、汽車制造、核電、火電、食品、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但不銹鋼管焊接成型是不銹鋼管制作中的難點(diǎn)，尤其是不銹鋼管打底焊質(zhì)量好壞是不銹鋼管焊接的重中之重。不銹鋼管在焊接時(shí)，如果不采取保護(hù)措施，管道背面的焊縫金屬容易被氧化，產(chǎn)生焊接缺陷，造成焊縫金屬力學(xué)性能和耐腐蝕性能下降[1-5]。因此，不銹鋼管背面保護(hù)問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外焊接行業(yè)內(nèi)關(guān)注的問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外焊接研究人員對(duì)不銹鋼管背面保護(hù)焊接方法的多年研究和實(shí)踐應(yīng)用，目前形成的背面保護(hù)焊接方法主要有充惰性氣體或氮?dú)獗Ｗo(hù)、自保護(hù)藥芯焊絲、涂抹焊接保護(hù)劑。不同的背面保護(hù)焊接方法有其各自的特點(diǎn)，本文就各種背面保護(hù)焊接方法的作用原理及應(yīng)用現(xiàn)狀給予介紹，以期對(duì)從事此項(xiàng)焊接工作的人員在實(shí)際工作中提供一定的參考和借鑒。

1 三種背面保護(hù)焊接方法

1.1 充惰性氣體或氮?dú)夥椒?/h3>

充惰性氣體或氮?dú)獗Ｗo(hù)是不銹鋼管背面保護(hù)焊接應(yīng)用最普遍最成熟的工藝。其原理是在不銹鋼管焊接過(guò)程中，密封管子兩端，在管子中充入惰性氣體或氮?dú)?，這些氣體不與液態(tài)焊縫金屬發(fā)生反應(yīng)，可防止背面焊縫金屬的氧化，從而保證焊接接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。氮?dú)馐且环N化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定的氣體，價(jià)格便宜，在焊接領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。惰性氣體主要是氬氣或氦氣，因氬氣價(jià)格比氦氣便宜，因此充氬氣保護(hù)在不銹鋼管焊接中應(yīng)用較多。

張桂紅[6]以氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體對(duì)奧氏體不銹鋼管進(jìn)行焊接，焊接后保護(hù)效果良好，該方法在浙江嘉興石化PTA工程項(xiàng)目部、安徽華塑項(xiàng)目部、重慶長(zhǎng)壽化工工業(yè)園項(xiàng)目部等項(xiàng)目上應(yīng)用，取得了良好的效果。盧忠華[7]采用TIG焊接柴油機(jī)試車管路0Cr18Ni9，利用管內(nèi)充氬氣作為保護(hù)氣體，焊接后工藝性能良好，焊縫表面與母材過(guò)渡平滑，焊接接頭進(jìn)行100%RT合格率高，水壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)滿足要求。王鶴等人[8]分別采用氬氣和氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，對(duì)0.2mm厚的316不銹鋼管焊接，發(fā)現(xiàn)氮?dú)獗Ｗo(hù)不銹鋼管上下層材料的熔接面積比氬氣更大，焊后強(qiáng)度更高。Valiente Bermejo M.A等人[9]以不同比例的氬氣、氦氣、氮?dú)?、二氧化碳混合氣體作為保護(hù)氣體，對(duì)超雙相不銹鋼進(jìn)行焊接，研究發(fā)現(xiàn)雖然不同比例的保護(hù)氣體腐蝕性能都滿足要求，但是當(dāng)保護(hù)氣體比例為Ar+30%He+1.8%N2+0.5%CO2時(shí)，超雙相不銹鋼耐腐蝕性能最好。

1.2 焊接保護(hù)劑方法

焊接保護(hù)劑是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種不銹鋼管背面保護(hù)方法，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)焊接保護(hù)劑的廠家主要有山東威海云清化工開發(fā)院、四川成都友博科技公司和山東濟(jì)南金魯鼎公司；國(guó)外廠家主要有美國(guó)的金帝國(guó)公司和WEWELDING公司。

焊接保護(hù)劑在不銹鋼管背面保護(hù)的作用原理是其熔點(diǎn)較低，在TIG打底焊時(shí)受到母材傳過(guò)來(lái)的熱量后迅速熔化，之后快速潤(rùn)濕到熔池，并且完全覆蓋焊縫背面，形成一種難熔化且化學(xué)性質(zhì)呈惰性的保護(hù)膜，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫根部的保護(hù)；熔池冷卻后在焊縫背面形成的保護(hù)膜依舊粘附在焊縫背面，在填充和蓋面焊接時(shí)，仍然對(duì)焊縫背面具有保護(hù)作用[10,11]。

李亞軍等人[11]采用美國(guó)金帝國(guó)公司的“太陽(yáng)”牌TYPE B型焊接保護(hù)劑應(yīng)用到不銹鋼管S31603中焊接。首先將一定量的焊接保護(hù)劑放入容器中，再加入適量無(wú)水乙醇攪拌成奶油狀的混合物，最后將混合物涂抹在S31603不銹鋼管口內(nèi)壁，待混合物涂好后停留5min后就可焊接，或者放置幾天后也可以焊接，焊接保護(hù)劑的使用操作如圖1所示。S31603不銹鋼管焊接完成后，焊接接頭100%RT檢測(cè)不低于II級(jí)要求，焊接接頭力學(xué)性能和耐腐蝕性能滿足技術(shù)要求。蘭州理工大學(xué)研發(fā)了一種由TiO2、AI2O3、MgO、CaO等組成的焊接保護(hù)劑，在316L不銹鋼爐（鋼）管中焊接效果較好，操作簡(jiǎn)便、靈活，可滿足使用要求[12,13]。

圖1 焊接保護(hù)劑的現(xiàn)場(chǎng)使用操作

1.3 自保護(hù)藥芯焊絲方法

自保護(hù)藥芯焊絲主要是解決現(xiàn)場(chǎng)施工安裝時(shí)不銹鋼管的焊接。這種焊絲外觀與普通二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊絲一樣，但內(nèi)部充滿藥芯粉，藥芯粉作用與焊條藥皮相似，具有穩(wěn)定電弧、脫氧、脫硫、保護(hù)熔滴、熔池免受空氣氧化、氮化的作用。在焊接時(shí)熔化的熔渣可流到不銹鋼管內(nèi)并均勻覆蓋住背面焊縫，使背面焊縫不受氧化，焊后熔渣可脫落，也可用水或壓縮空氣將內(nèi)部焊渣沖刷掉。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不銹鋼管施焊時(shí)，管內(nèi)部不需要充氣體保護(hù)，可簡(jiǎn)化焊接工藝，降低生產(chǎn)成本。

該方法在上世紀(jì)80年代率先在日本使用，日本油脂公司的TGF不銹鋼系列背面自保護(hù)型TIG焊絲在國(guó)內(nèi)外不銹鋼管焊接使用中有良好評(píng)價(jià)。楊鋼等人[14]研制了不銹鋼管道背面免充氬自保護(hù)鎢極氬弧焊藥芯焊絲HTY-A316L(W)，其渣系為TiO2-氟化物-SiO2，在2G、5G焊接位置下，工藝性能良好，焊接接頭力學(xué)性能滿足相關(guān)技術(shù)要求。羅保等人[15]采用自保護(hù)藥芯焊絲YR-321L焊接06Cr18Ni11Ti不銹鋼容器，焊縫成形美觀，根部焊縫波紋均勻，一次合格率達(dá)到96.5%。徐小魁[16]采用天津三英焊業(yè)股份有限公司自主研發(fā)的SQA308-T系列不銹鋼自保護(hù)藥芯焊絲應(yīng)用在四川江油川北礦區(qū)年產(chǎn)10萬(wàn)噸甲醇項(xiàng)目工程中，不銹鋼管打底焊焊接反饋效果良好，提高了焊接工作效率，降低了生產(chǎn)成本，尤其是在復(fù)雜工藝配管和高空作業(yè)時(shí)給予了極大方便。黃永娜等人[17]采用江蘇昆山天泰焊材公司的自保護(hù)TGFA-308L打底焊接304不銹鋼殺菌鍋筒身，焊接后無(wú)損檢測(cè)、力學(xué)性能、腐蝕性能均滿足技術(shù)要求。

2 背面保護(hù)焊接方法比較

充惰性氣體或氮?dú)膺m用于中小管徑、短管道的施工焊接，可獲得很好的焊接保護(hù)效果。但在大管徑、長(zhǎng)管道施工現(xiàn)場(chǎng)并不適合，若向管道中通入大量的氬氣或氮?dú)?，將延長(zhǎng)焊接生產(chǎn)制造時(shí)間，造成資源嚴(yán)重浪費(fèi)，生產(chǎn)成本大幅提高。另外，充惰性氣體或氮?dú)獗Ｗo(hù)無(wú)法解決在缺陷焊口處的補(bǔ)焊問(wèn)題，往往會(huì)使補(bǔ)焊處得不到有效保護(hù)而造成危險(xiǎn)發(fā)生。

自保護(hù)藥芯焊絲對(duì)焊工技能要求比較高，若焊工技能稍差，就會(huì)出現(xiàn)焊接缺陷。另外這種焊絲抗潮性不好，在空氣中容易受潮而產(chǎn)生焊接氣孔。

焊接保護(hù)劑對(duì)焊工技能要求沒(méi)有自保護(hù)藥芯焊絲高，只需要把焊接保護(hù)劑涂抹在管子坡口內(nèi)側(cè)，就可以焊接，但其保護(hù)效果沒(méi)有充氬氣和自保護(hù)藥芯焊絲好。

3 耐腐蝕性能

不銹鋼管焊接是一個(gè)溫度高、加熱時(shí)間短、溫度場(chǎng)分布不均勻的過(guò)程，會(huì)使焊接接頭焊縫和熱影響區(qū)的耐蝕性性能降低，容易在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)生點(diǎn)蝕、化學(xué)腐蝕和晶間腐蝕[18-20]。另外，不銹鋼管焊接接頭不可避免地存在殘余應(yīng)力，當(dāng)在特殊腐蝕介質(zhì)中使用時(shí)，容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕，導(dǎo)致焊接接頭的損傷或失效[21,22]。因此，不銹鋼管焊接接頭在實(shí)際使用過(guò)程中不僅只受到一種腐蝕作用，往往會(huì)受到多種腐蝕共同作用。無(wú)論采用何種背面保護(hù)焊接方法，不銹鋼管焊接接頭按GB/T 4334、ASTM A262、ASTM A763、ISO 3651-1、ISO 3651-2進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試樣的腐蝕試驗(yàn)，雖然均滿足技術(shù)要求但忽略了焊接接頭表面粗糙度的影響。

筆者利用充氬氣保護(hù)、涂抹焊接保護(hù)劑和自保護(hù)藥芯焊絲的方法對(duì)S30403不銹鋼管進(jìn)行焊接，焊接接頭按GB/T 4334.3-2008進(jìn)行五個(gè)周期的腐蝕試驗(yàn)，每個(gè)周期48h。1#、3#和5#號(hào)試樣制作成標(biāo)準(zhǔn)試樣30×20×4mm，2#、4#和6#號(hào)試樣制作成30×20×h mm（h為壁厚，試樣保留焊縫余高），腐蝕試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，2#、4#和6#號(hào)試樣腐蝕速率比1#、3#和5#號(hào)試樣嚴(yán)重。尤其是2#、4#和6#號(hào)試樣第1個(gè)周期的腐蝕速率比較大，這是由于保留了焊接接頭焊縫區(qū)域，與實(shí)際工況更接近，焊縫表面粗糙度較大，容易形成缺陷，加速了腐蝕速率。另外在保留焊縫實(shí)際樣貌的情況下，每種保護(hù)方法的腐蝕速率也各不相同，腐蝕嚴(yán)重程度由小到大依次為充氬氣保護(hù)、自保護(hù)藥芯焊絲、涂抹焊接保護(hù)劑。

表1 S30403焊接接頭腐蝕試驗(yàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

利用不銹鋼管管道中充惰性氣體或氮?dú)?、涂抹焊接保護(hù)劑、自保護(hù)藥芯焊絲三種方法對(duì)不銹鋼管焊接時(shí)進(jìn)行保護(hù)，能很好地防止不銹鋼管背面的氧化，保證焊接接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。但在不銹鋼管焊接過(guò)程中要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際如腐蝕介質(zhì)、施工成本、施工進(jìn)度、焊縫質(zhì)量等因素，采用不同的背面保護(hù)方法，以取得良好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用價(jià)值。

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