大口徑厚壁S32205雙相不銹鋼管道焊接技術(shù)

田彩剛

中國石油天然氣第一建設(shè)公司，新疆庫爾勒 841000

大口徑厚壁S32205雙相不銹鋼管道焊接技術(shù)

田彩剛

中國石油天然氣第一建設(shè)公司，新疆庫爾勒 841000

S32205雙相不銹鋼綜合了鐵素體鋼和奧氏體鋼良好的塑性、韌性、耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。但在大管徑、厚壁管S32205雙相不銹鋼管道焊接施工時(shí)，發(fā)現(xiàn)鐵素體含量普遍偏低，且厚壁管的壁厚越厚，鐵素體含量越低。針對具體工程，分析了影響鐵素體含量的要因，通過采取優(yōu)化焊接工藝參數(shù)、控制焊接電流和焊接速度、強(qiáng)制冷卻、優(yōu)選焊條等措施，減少了奧氏體組織的形成，避免了有害中間相的析出，使得焊道鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)由23%～26%提高到37%～42%，達(dá)到了改善焊道室溫脆性、韌性和耐腐蝕性的目的。

厚壁管；S32205雙相不銹鋼；焊接；鐵素體

塔里木油田公司克拉蘇氣田大北區(qū)塊天然氣處理廠為西氣東輸氣源地之一，設(shè)計(jì)天然氣處理能力30億m3/a。井口的高壓、高含硫、高含氯離子的原料氣，經(jīng)集氣裝置、脫水脫烴裝置進(jìn)入該處理廠進(jìn)行處理，處理廠的設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力為16 MPa，因此，對處理廠該部分的設(shè)備及管道的材質(zhì)性能要求較高。我單位承接了該天然氣處理廠的施工任務(wù)，整個(gè)處理廠需要焊接S32205雙相不銹鋼焊口1 106道，最大管徑406 mm，最大壁厚17 mm。在該工程中，塔里木油田公司首次使用了國產(chǎn)S32205雙相不銹鋼管材料，因此建設(shè)各方對此非常重視。

在不銹鋼焊接中，鐵素體含量過低就會造成焊道強(qiáng)度、耐晶間腐蝕、耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能降低；鐵素體含量過高，焊道塑性、韌性降低，產(chǎn)生室溫脆性。所以焊道鐵素體含量是影響焊道強(qiáng)度、耐蝕性等性能的關(guān)鍵因素。按照Q/SY TZ 0110-2004《2205雙相不銹鋼材料焊接施工及驗(yàn)收規(guī)范》要求，焊道鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須控制在30%～60%之間。業(yè)主方要求鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)盡可能控制在36%～45%之間。

1 管材

本工程所用S32205管材由山西太鋼不銹鋼管有限公司生產(chǎn)，為焊接直縫管，化學(xué)成分見表1。

表1 管材化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

2 焊接工藝的確定

受項(xiàng)目部委托，我公司焊培中心對該項(xiàng)目的焊接工藝進(jìn)行了評定，試件規(guī)格為φ168 mm×11 mm，選用的焊 絲型號為 ER2209，焊絲牌號 為H03Cr22Ni18Mo3N，直徑為 2.5 mm；焊條型號E2209-16，牌號為JWE2209-16，直徑為3.2 mm。焊接工藝條件、參數(shù)見表2～3，焊接接頭示意見圖1。

表2 S32205鋼材焊評焊接工藝條件

圖1 焊接接頭示意

3 現(xiàn)場施工中出現(xiàn)的問題及解決措施

3.1 現(xiàn)場焊接出現(xiàn)的問題

正式施焊前，項(xiàng)目部組織通過考試的焊工試焊了2道φ325 mm×14 mm規(guī)格的S32205雙相不銹鋼焊道，檢測得到鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27.6%和25.3%，不符合規(guī)范要求。隨后，項(xiàng)目部組織試焊了規(guī)格為φ168 mm×17 mm和φ168 mm×7 mm的焊道各2道，檢測壁厚17 mm焊道的鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.8%和25.2%，均不合格；壁厚為7 mm焊道的鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34.5%和33.8%，鐵素體含量合格。從試焊結(jié)果初步判斷，鐵素體含量偏低現(xiàn)象主要存在于厚壁管焊道，壁厚越厚，鐵素體含量越低。

表3 S32205鋼材焊評焊接工藝參數(shù)

3.2 現(xiàn)場問題分析與對策的制訂

質(zhì)量分析小組通過調(diào)查和分析，對影響因素進(jìn)行了剖析，找出了問題發(fā)生的主要影響因素，并針對性地制訂了對策[1-3]，見表4。

3.3 對策的實(shí)施過程

（1）對策實(shí)施過程1：解決表4要因1“焊接速度較慢”的問題。

焊接速度的提高可以從兩方面來控制，一是采用多層多道焊，二是采用多層單道擺動(dòng)焊，即通過選用更薄的填充厚度來提高焊接速度。但無論采用哪種方法，后一焊道都會影響前一焊道，從而導(dǎo)致更多的奧氏體析出，降低鐵素體含量，見表5。

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，對于壁厚大于12 mm的管道，自第4層開始全部采用多層多道焊（微擺動(dòng)）來提高焊接速度，這樣便于保持較小的線能量，有利于鐵素體的保持。

表4 要因?qū)Σ?/p>

表5 多層多道焊與多層單道擺動(dòng)焊對比

（2）對策實(shí)施過程2：解決表4要因2“焊接電流過大”的問題。

焊接作業(yè)指導(dǎo)書要求焊接電流為90～120 A，焊接試件操作電流為105 A。但焊工為了保證焊接速度，在開始進(jìn)行厚壁管焊接時(shí)，也均使用了120 A的焊接電流。

經(jīng)多次試驗(yàn)，優(yōu)化了焊接參數(shù)，規(guī)定初始焊接電流不大于115 A，當(dāng)焊道兩側(cè)母材溫度上升到65℃后，控制焊接電流不大于105 A，以保持較小的線能量，見圖2。

圖2 焊接電流調(diào)整前后輸入線能量對比

通過在焊接不同階段對焊接電流進(jìn)行調(diào)整，既保證了焊接初期焊條正常融敷，又避免了焊接后期線能量輸入較大，不利于鐵素體形成的不利因素。經(jīng)過對比試驗(yàn)，焊接電流調(diào)整后，焊道鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)能夠提高2%～3%。

（3）對策實(shí)施過程3：解決表4要因3“管壁較厚、熱量散失慢”的問題。

查閱資料發(fā)現(xiàn)，焊接過程中融敷金屬組織從凝固點(diǎn)到1 200℃為鐵素體組織，從1 200℃降至800℃時(shí)奧氏體從鐵素體中析出，從800℃降至470℃時(shí)將可能有中間相析出，這會使焊接接頭的耐蝕性和韌性下降。因此，將焊道溫度迅速由1 200℃降低到470℃以下，不僅可以提高鐵素體含量，更能夠避免有害中間相的析出。

厚壁管焊接時(shí)，可以通過采用提高焊縫、熱影響區(qū)與母材溫差的方法，達(dá)到快速降溫的目的。

經(jīng)過多次試驗(yàn)，在第2層焊道焊接前，將石棉布浸濕，包裹在焊縫兩側(cè)100 mm以外，并及時(shí)往石棉布上補(bǔ)充水分，焊接完畢后將石棉布移至距焊縫50 mm處，繼續(xù)在石棉布上補(bǔ)充水分，達(dá)到提高熱傳導(dǎo)的作用，強(qiáng)制冷卻。經(jīng)檢驗(yàn)，在整個(gè)施工過程中，S32205雙相不銹鋼焊接未產(chǎn)生氣孔缺陷。

現(xiàn)場隨機(jī)抽檢1道焊道進(jìn)行了“有害金屬間相檢測”和“沸騰MgCl2應(yīng)力腐蝕檢測”。經(jīng)西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室檢測，“有害金屬間相檢測”和“沸騰MgCl2應(yīng)力腐蝕檢測”全部合格。

經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，通過采取降溫措施，提高熱傳導(dǎo)作用，鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均增加3.2%，改善了焊道耐腐蝕性和韌性。

（4）對策實(shí)施過程4：解決表4要因4“焊接材料鐵素體含量較低”的問題。

考慮到在焊接工藝評定和焊工實(shí)際操作考試中，鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在32%～35%之間靠近下限值的情況，對標(biāo)稱鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的某牌號的焊條進(jìn)行了鐵素體檢測，檢測結(jié)果為鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%～30%。

經(jīng)過市場調(diào)查，項(xiàng)目部采購了型號同為E2209-16，而由另一廠家生產(chǎn)的焊條，其鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測結(jié)果為42.9%，見表6。

表6 同型號兩種牌號焊條使用效果對照

經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，通過選用合適的焊條，焊道鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)比試焊件提高了4.2%。

4 結(jié)束語

實(shí)踐證明，通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，控制焊接電流和焊接速度，減少線能量輸入，采取強(qiáng)制冷卻措施，優(yōu)選焊條，減少了奧氏體組織的形成，避免了有害中間相的析出，大口徑、厚壁管焊道的鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)由23%～26%提高到37%～42%，達(dá)到了提高焊道鐵素體含量，改善焊道耐腐蝕性和韌性的目的，焊接一次合格率達(dá)到98%，滿足了業(yè)主的要求，收到了良好的效果。

[1]岳斌，馬鵬舉，王大治，等.2205雙相不銹鋼的焊接工藝研究[J].化工機(jī)械，2009，36（1）：5-8.

[2]李為衛(wèi)，宮少濤，熊慶人，等.2205雙相不銹鋼的焊接性及焊接技術(shù)[J].熱加工工藝，2006，35（3）：36-38.

[3]姜方，曹曉燕，施岱艷，等.雙相不銹鋼在油氣工業(yè)中的工程應(yīng)用[J].天然氣與石油，2011，6（3）：58-60.

DualPhase Stainless SteelS32205 Welding Technologyfor Pipeline with L arge Diameter and Thick Wall

TIAN Caigang
China Oiland NaturalGas First Construction Company，Kuerle 841000，China

Dual phase stainless steel S32205 combines the good performances of ferrite steel and austenite steel，such as good plasticity，toughness，intergranular corrosion resistance，chloride stress corrosion resistance and higher mechanical strength.But it is found in S32205 steel welding construction that the ferrite content in S32205 steel is generally low，and the thicker the pipe wallis，the lower the ferrite content is.For an actualproject，the key factors affecting ferrite content is analyzed.By taking the measures of optimizing welding process parameters，controlling welding current and welding velocity，compulsory cooling and optimal welding rod selection，the austenite organization formation is reduced.The harmful medium phase precipitation is avoided.Thus，the mass fraction of the ferrite in welds increases from 23% ～26% to 37% ～42%.The goals of improving weld brittleness and toughness at room temperature as wellas corrosion resistance are reached.

thick-walled pipe；dualphase stainless steelS32205；welding；ferrite

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.013

田彩剛（1982-），男，河北石家莊人，工程師，2007年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事油氣田地面建設(shè)施工管理工作。254788998@qq.com

2016-06-25