常用奥氏体不锈钢管道焊接Word文档格式.docx
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奥氏体不锈钢不但具有良好的耐腐蚀性能,还具有良好的综合机械性能,无论在低温或高温下,在极宽的温度范围内都能保持极好的塑性和韧性。
所以这类钢在化工管道中应用十分广泛。
二、奥氏体不锈钢的可焊性
1、可焊性分析
焊接奥氏体不锈钢比普通低碳钢要复杂一些,不仅要考虑焊接头的一般强度问题,还要考虑该类钢裂纹倾向比一般低碳钢要大得多。
更重要的是还应保证焊接接头的某些特殊性能要求,即要具有良好的抗晶间腐蚀性能力以及高温强度等问题。
此外,如果管道是在高温条件下长期工作,则还有高温脆化问题。
所以,奥氏体不锈钢的可焊性比低碳钢要低一些。
但不论采用电弧焊还是钨极氩弧焊,一般都不用预热及焊后热处理,只要控制好焊接规范,完全能取得良好的焊接质量。
2、奥氏体不锈钢焊接常见问题
奥氏体不锈钢虽然可焊性能好,焊接时也不需要采取特殊工艺措施。
但是,假如焊条选用不当或焊接工艺不正确时,常会产生下述缺陷。
(1)晶间腐蚀
晶间腐蚀是产生在晶粒之间的一种腐蚀。
产生晶间腐蚀的不锈钢在受到应力作用时,即会沿晶界断裂,强度几乎完全丧失,是奥氏体不锈钢最危险的一种破坏形式。
晶间腐蚀可分别产生在热影响区、焊缝或熔合线上。
但由于钢的成份特点,同一接头的这三个部分不可能同时都发生晶间腐蚀。
产生晶间腐蚀的原因,目前一般认为是晶界贫铬造成的。
焊接时,焊缝附近受到移动的焊接热源在450~85℃范围内反复加热时,使溶于奥氏体的碳以较快的扩散速度析出,此时聚集在晶界处的碳和铬形成碳化铬。
由于铬的原子半径较大,扩散速度较慢,来不及向晶界扩散,所以在晶间所形成的碳化铬所需的铬主要来自晶界附近,结果就使得晶界附近的含铬量大为减少,造成晶界贫铬,从而降低该区域的抗腐蚀能力,在腐蚀介质作用下,引起晶间腐蚀。
焊接上防止晶间腐蚀的措施主要有:
a、控制含碳量选用母材和焊材时,尽量选用含碳量较低的材料,而且焊材的含碳量应低于母材。
b、选用含有钛、铌等稳定元素的母材和焊材,因为钛、铌等元素与碳的亲和力比铬强,更容易与碳结合形成稳定的碳化物,从而避免在奥氏体晶界造成贫铬。
c、选用含有硅、铝、钼等元素的焊条,这些元素能使焊缝形成奥氏体加铁素体的双相组织。
因为铬在铁素体的扩散速度比在奥氏体中快,碳化铬就在铁素体内部及其附近析出,减轻了奥氏体晶界的贫铬现象。
d、在焊接规范上,可采用小电流、快速焊、短弧等措施,以减小热影响区。
有特殊要求时,还可采用焊后热处理的办法加以解决。
(2)焊接热裂纹
奥氏体不锈钢的焊接应力较大,而单相奥氏体焊缝往往是粗大的,具有明显方向性枝状结晶,有利于杂质偏析;
因而产生热裂纹的倾向大,而且奥氏体不锈钢中的成份如碳、硫、磷、镍等又容易在粗大的枝状结晶间形成低熔共晶物质的薄弱层而使焊缝易裂。
防止热裂纹的措施主要有:
a、必须严格控制焊缝金属中杂质的含量,尤其是S及P这两种常见的杂质。
b、使焊缝形成奥氏体加铁素体的双相组织。
因为少量的铁素体可以细化晶粒,打乱奥氏体的枝晶方向,防止杂质的聚集,不易形成薄弱层,可改善热裂倾向。
为此须在焊缝中加入少量形成铁素体的元素,如硅、钼等。
c、在焊接工艺上,采用碱性低氢焊条,用小电流、快速焊的规范。
三、焊接
(一)接头形式及坡口
管道焊接前应根据设计要求或施工规范要求加工出合适的坡口。
坡口形式、尺寸及接头的具体要求,应根据焊件的结构形状、厚度、焊接方法等综合考虑,应做到保证质量、方便操作、减少焊接变形与应力,并尽可能减少焊缝金属的填充量。
(二)焊接方法选择
不锈钢管道的焊接,现在最常用的方法具有手工钨极氩弧焊进行底层焊,再用手工电弧焊填充与盖面。
由于底层焊道与介质直接接触,对焊接质量要求较高。
氩弧焊的优点是:
氩气的保护作用好,而氩弧焊时焊缝背面都要求充氩保护,因此焊缝表面氧化轻;
氩弧的温度高,热量集中,而且有氩气流的冷却作用,焊缝的热影响区小;
氩弧焊接时无熔渣,焊后无夹渣缺陷;
焊缝强度高,耐蚀性好,焊件的变形小,因此焊缝的质量比手工电弧焊高。
所以底层焊道一般都采用手工钨极氩弧焊。
(三)焊接材料的选用
1、由于氩弧焊时熔池中无剧烈地氧化、还原等冶金反应,故焊丝的选用应根据管道材料的化学成分及工作条件来确定。
并应保证前述的耐蚀及抗裂要求。
一般应选用与母材成份相同或相近的焊丝。
氩气用工业纯氩,纯度应不低于99.9%。
2、手工电弧焊焊条的选择
通常不锈钢主要是利用其所特有的耐热、耐蚀性能,因此,焊条要根据不锈钢管道的材质、工作条件(包括工作温度和介质)来选用。
一般应遵循以下几条原则:
①对于在高温下工作的耐热不锈钢管道,所选用的焊条,主要应能满足焊缝金属的抗热裂纹性能和焊接接头的高温性能。
对于Cr/Ni≥1的奥氏体不锈钢,在高温条件下工作时,一般均采用奥氏体—铁素体不锈钢焊条。
使焊缝金属形成奥氏体+铁素体双相组织。
而且通常希望焊缝金属铁素体含量小于5‰。
②对于在各种腐蚀介质中工作的耐蚀不锈钢,则应按介质和工作温度来选择焊条。
对于工作温度在300℃以上、有较强腐蚀性的介质,需选用含有Ti或Nb稳定化元素或超低碳不锈钢焊条;
对于在常温下工作、腐蚀性弱或仅为避免锈蚀污染的管道,方可使用不含Ti或Nb的不锈钢焊条。
③一般应选用与母材成份相同或相近的焊条。
由于含碳量对抗腐蚀性能有很大影响。
因此,一般选用熔敷金属的含碳量不高于母材含碳量的焊条。
④焊条药皮类型的选择不锈钢焊条的药皮类型比较简单,一般分为三类;
一类是药皮类型代号为15的碱性低氢型焊条;
另一类是药皮类型代号为16的酸性钛钙型焊条;
还有一类是药皮类型代号为17的钛酸型焊条,它是药皮类型16的变型。
低氢型不锈钢焊条的抗热裂纹性较好,但成型不如后两类焊条,抗腐蚀性也较差。
钛钙型和钛酸型不锈钢焊条具有良好的工艺性能,焊缝外表成型美观。
药皮类型的选用原则是:
焊接裂纹感性较大的焊接接头时,可选用低氢型焊条;
焊接耐蚀性能要求较高的焊缝时,可选用钛钙型或钛酸型焊条。
由于双相奥氏体焊缝金属本身含有一定量的铁素体,具有良好的塑性和韧性,从焊缝金属抗裂纹性角度进行比较,碱性药皮与钛钙型药皮焊条的差别不象碳钢焊条那样显著。
在实际应用当中,从焊接工艺性能考虑较多,大都采用酸性焊条。
只有在焊缝抗裂性要求较高时,才选用碱性低氢型药皮的不锈钢焊条。
⑤国外引进装置的管道或从国外定购的管道,焊接材料应按国外有关资料及标准选用,一般要选用进口焊材。
常用国产不锈钢焊材选用见表3,常用进口不锈钢焊材的选用见表4.
表3常用奥氏体不锈钢焊材选用
母材
焊丝
焊条
工作条件及要求
0Cr18Ni9
1Cr18Ni9
H0Cr21Ni10
A102AA102
A107
工作温度低于300℃,同时要有良好的耐蚀性。
H0Cr20Ni10Ti
H0Cr20Ni10Nb
A122
工作温度低于300℃,同时对抗裂纹、抗腐蚀性要求较高
A132AA132
A137
工作温度较高或要求有良好的耐蚀性能。
0Cr18Ni9Ti
0Cr18Ni11Ti
0Cr18Ni11Nb
1Cr18Ni9Ti
1Cr18Ni9Nb
工作温度和耐蚀性要求较低时,也可选用不含Ti或Nb的焊材。
0Cr18Ni12Mo2Ti
1Cr18Ni12Mo2Ti
H0Cr19Ni12Mo2
A202A
A202
A207
抗有机酸、无机酸、碱及盐腐蚀。
H00Cr19Ni12Mo2
A212
要求有良好的抗晶间腐蚀性能
00Cr17Ni14Mo2
A022
表4常用进口不锈钢焊材选用表(美国)
钢号
焊丝型号
焊条型号
304
308
ER308
E308-15
E308-16
304L
ER308L
E304L-15
E304L-16
316
ER316
E316-15
E316-16
316L
ER316L
E316L-15
E316L-16
321
321H
ER321
ER347
E347-15
E347-16
347
347L
(四)焊接工艺要点
为防止晶间腐蚀及热裂纹,并根据不锈钢电焊条自身固有的特点,在选用焊接工艺参数时应注意以下几点:
1.焊接电流从防止晶间腐蚀及热裂纹的角度出发,均要求焊接时采用较小的电流,而且由于不锈钢电焊条焊芯电阻大,焊接时电阻大,焊接时电阻热使得焊芯发热严重,造成药皮发红、开裂,影响到后半段焊条的焊接工艺性能。
再则,若使用大电流,也会造成合金元素烧损严重,使焊缝难以获得合适的化学成分。
所以应选择较小的焊接电流,一般应比低碳钢焊接时低20%左右。
2、应采用快速焊、容焊道与多层焊的焊接工艺,施焊时不作横向摆动,一次成型焊道不宜过宽,最好不超过焊条直径的三倍。
这样可减少焊接熔池的热量,缩小热影响区宽度,有利于提高焊缝金属的抗晶间腐蚀能力和减少热裂纹的倾向。
3、多层焊时,每焊完一层要彻底清除熔渣,并应控制层间温度不大于100℃(《石油化工钢制管道工程施工工艺标准》SHJ517-91中要求层间温度不大于60℃)。
4、焊接时,应尽量采用短弧焊接。
电弧过长时,焊芯中合金元素氧化烧损大,且保护不良,容易使空气中的氮气侵入,而氮是强奥氏体元素,易造成焊缝金属中铁素体含量减少,产生热裂纹。
5、焊接时,焊接电流、电弧电压及焊接速度等工艺参数应综合考虑,即控制线能量不宜过大。
(五)奥氏体不锈钢管道与低碳钢管道的焊接
在管道施工中还经常遇到不锈钢管道与低碳钢管道焊接,即所谓的异种钢焊接。
1、异种钢焊接的主要问题
异种钢焊接时,焊缝的化学成分是由两种材料熔化部分和焊接材料所决定的。
低碳钢合金元素很少,由于低碳钢的熔入使焊缝中合金成份降低。
低碳钢的含碳量又高于奥氏体不锈钢,所以焊缝中含碳量也会增加,而且由于高温时奥氏体熔碳能力强,使得熔合区附近的碳会向焊缝富集。
同时由于异种材料的膨胀系数不同,使得异种钢接头的残余应力更加复杂。
由于以上原因使得焊缝由于合金成份降低,不能保证形成单相奥氏体组织,从而使焊缝的耐腐蚀能力降低,塑性、韧性降低。
同时,焊缝含碳量的增加及接头残余应力的复杂化,又将使接头产生高硬区,而且这种残余应力是一般热处理方法不能消除的。
解决这些问题主要是从选择焊接材料入手,其次是选择合理的焊接工艺。
2、焊材选用
选用高铬镍焊条和焊丝,可以补充熔合区的合金元素,防止出现脆性的马氏体组织,并能组织碳由碳钢向奥氏体焊缝内扩散,如铬25镍20型焊条和焊丝(焊条:
A402.A407;
焊丝:
H1Cr25Ni20)及铬25镍13型焊条和焊丝(焊条A302.A307;
H1Cr25Ni13).
若选用铬25镍20型焊材,则焊缝通常为单相奥氏体组织;
而选用铬25镍13型焊材,只要把母材的熔合比控制在类40%以下,就能得到奥氏体+铁素体双相组织,双相组织具有较高的抗裂性能,因此一般应尽量选用铬25镍13型焊材。
3、焊接工艺要点
选择焊接规范时,应尽量降低熔合比。
为此减少焊条和焊丝的直径。
在可能的情况下,尽量采用小电流、高电压和快速焊。
(六)焊后热处理
奥氏体不锈钢焊后一般不进行热处理,但对于在容易产生应力腐蚀及晶间腐蚀的环境中使用时,就有必要进行焊后热处理。
奥氏体不锈钢最常见的焊后热处理方式为:
消除应力处理、稳定化处理。
1.消除应力处理
奥氏体不锈钢管道如焊接后存在内应力,当输送介质中含有氯离子(或溴离子)时,会引起应力腐蚀。
这种情况下,就要进行消除应力处理,经消除应力处理后,管子的屈服强度与疲劳强度可以得到提高,并可防止产生裂纹。
处理工艺:
①加热速度≤220℃×
25/s,且不大于220℃/h,不低于50℃/h(在400℃以下时自由升温)。
②恒温温度:
850℃~900℃
③恒温时间:
S/25h,且不小于1/4h。
④冷却速度:
≤275℃/h×
25/s,且不小于275℃/h,不低于50℃/h(在400℃以下时自由冷却)。
2、稳定化处理
对于含稳定化元素钛、铌的奥氏体不锈钢,在高温(450℃以上)下使用时,一般都应进行这一处理。
处理工艺:
①加热速度:
≤220℃×
850~900℃
2~4h
空冷
在施工中,可将稳定化处理与应力消除处理合并成一道工序进行,而且稳定化处理也是奥氏体不锈钢管道焊后热处理最常用的处理方式。
单位:
姓名:
一九九九年七月十二
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