S31803雙相不銹鋼管線焊接方法及應用

袁啟東，陳不友，黃 鑫，姜犖犖

（深圳海油工程水下技術公司，廣東深圳 518067）

0 引言

雙相不銹鋼從20世紀40年代誕生以來，已發展到第3代。其主要特點有：1）屈服強度高，可達400～550 MPa；2）在抗腐蝕方面，特別是介質環境比較惡劣（如海水、氯離子含量較高）的條件下，雙相不銹鋼的抗點蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕及腐蝕疲勞性能明顯優于普通的奧氏體不銹鋼，可以與高合金奧氏體不銹鋼媲美?；陔p相不銹鋼全面和良好的綜合性能，在各種焊接制造業已得到極廣泛的應用，尤其在石油平臺建設及改造項目中，雙相不銹鋼已成為不可缺少的生產材料。

在對雙相不銹鋼性能特點進行分析的基礎上，了解雙相不銹鋼S31803的焊接特點，設計雙相不銹鋼S31803的焊接工藝試驗，通過焊后各項試驗分析，進而認可雙相不銹鋼的焊接工藝及技術，通過比較分析不同的焊接工藝方法，確定各種焊接工藝方法的最佳適用范圍。

1 S31803鋼管的特性

1.1 焊接特性

S31803雙相不銹鋼具有良好的焊接性能，與鐵素體不銹鋼及奧氏體不銹鋼相比，其既不像鐵素體不銹鋼的焊接熱影響區，塑韌性隨著晶粒嚴重粗化而大幅降低，也不像奧氏體不銹鋼那樣，對焊接熱裂紋比較敏感。其導熱系數大，線膨脹系數小，使焊后呈現良好的雙相組織，具有優秀的耐晶間腐蝕和塑韌性。

1.2 化學成分及機械性能

化學成分及機械性能見表1、表2。

表1 S31803鋼管化學成分（單位：%）

表2 機械性能

2 S31803焊接方法

依據S31803雙相不銹鋼材料的物理性能、力學性能和化學成分，按等強度（或強度偏高于母材）及成分相近或相同的原則選擇焊接材料，可以選Sandvik 22.9.3LR焊條和Sandvik 22.8.3L焊絲作為雙相不銹鋼S31803焊材，其化學成分及機械性能見表3和表4。

表3 化學成分（單位：%）

表4 機械性能

由焊絲和焊條的化學成分可知：C、P、S含量非常低，Mn、Cr、Ni、Mo、N含量均很高，與母材鋼管的Ni含量偏高，鎳含量是保證焊縫金屬在較高的抗拉強度下獲得韌性的有效手段；同時，Ni元素還可以降低脆性斷裂的傾向。而Mn含量與母材相當，這樣既保證了焊縫化學成分和機械性能，又能有利于細化晶粒，提高焊縫的低溫韌性。

眾所周知，P是增加冷脆性的有害元素，易產生焊接裂紋；焊縫金屬中磷含量從0.01%提高到0.04%時，室溫缺口沖擊韌度從200 J降低到20 J。S會增加焊縫金屬的熱脆性，易使焊縫產生熱裂紋和氣孔，是有害雜質。為保證焊縫金屬具有足夠的韌性，P、S含量應低于母材。

鑒于焊接材料可以使用焊條和焊絲2種，因而對應的焊接方法及組合焊接方法有3種。第1為氬弧焊（GTAW），第2為手工電弧焊（SMAW），第3為氬弧焊與手工電弧焊組合焊接（GTAW＋SMAW）。然而，在手工電弧焊中使用焊條焊接時，因此種焊條焊接熔化后熔池熔液黏稠度較大，打底焊易于形成未焊透或未熔合，不適用于打底焊接。故此手工電弧焊方法不適用于此雙相鋼焊接，最終焊接方法只有：1）氬弧焊（GTAW）；2）氬弧焊與手工電弧焊組合焊接（GTAW＋SMAW）。

3 焊接工藝評定

根據確定的2種焊接方法，嚴格進行6G位置的焊接工藝評定，可知工藝評定是合格的[1]。

3.1 焊接工藝參數

焊接工藝組對的坡口尺寸設計見圖1及工藝參數設計詳見表5和表6。

表5 GTAW焊接工藝參數[2-3]

表6 GTAW＋SMAW焊接工藝參數

圖1 坡口尺寸設計及焊層設計（單位：mm）

3.2 焊接工藝評定的主要試驗

焊接工藝評定的主要試驗見表7、表8、表9、表10[4]。

表7 GTAW拉伸、彎曲性能試驗結果

表8 GTAW+SMAW拉伸、彎曲性能試驗結果

表9 -90 ℃沖擊韌性試驗結果

表10 22 ℃、24 h點腐蝕試驗結果

4 GT AW和GTAW+SMAW方法建議應用范圍

4.1 GTAW和GTAW+SMAW方法對比

根據焊接參數，2種方法最大不同時填充和蓋面方法不一樣，方法不一樣主要反映于焊接速度、熔敷金屬量上，最終體現于完成時間長短[5]。

由表5和表6參數可知，GTAW焊填充速度最快為62 mm/min，SMAW焊填充速度最快為147 mm/min，假設GTAW焊填充焊接速度為v1、熔敷率為η1，SMAW焊填充焊接速度為v2、熔敷率為η2，單道焊縫體積為V，單道焊縫截面積為A，GTAW完成單道焊時間T1，SMAW完成單道焊時間T2。2種方法在完成相同厚度（相同截面積）、相同體積單道焊的時間計算公式為

由此可得：T1/T2＝v2η2/v1η1。

由相關標準可知：GTAW焊熔敷率為0.95，SMAW焊熔敷率為0.55。因此，T1/T2＝1.37。

即GTAW完成單道焊時間是SMAW的1.37倍，這是理論的計算量，通過實際的測量完成同一長度、同一體積量的焊道填充焊接，GTAW用時約為SMAW的1.5倍左右。蓋面焊接和填充類似，GTAW用時約為SMAW的1.5倍。

4.2 GTAW和SMAW方法的焊道寬度及同板厚焊道數量

通常焊道寬度確定最佳要求是焊條或焊絲的3倍直徑，即：GTAW的焊道寬度為8 mm最佳，SMAW的焊道寬度為10～12 mm。一般正常情況下，焊接每道焊道的厚度為3 mm。由此可知，GTAW在9 mm厚度以下為單焊道，而SMAW在12 mm以下時為單焊道[4-5]。

按60°坡口核算，不同板厚的焊道數量見表11。

表11 不同板厚的焊道數量

經多次實踐施工顯示，隨著焊道數量的增加，焊縫焊接完成時間也會額外增加。經粗劣統計得出，2種焊接方法在15 mm以下厚度完成時間基本不增加，GTAW方法在18～24 mm的厚度相比SMAW方法完成時間增加5%～10%，焊接厚度為24 mm以上，焊道數量增加更為嚴重。

4.3 GTAW、GTAW+SMAW方法建議應用范圍

根據4.1、4.2章節的分析，相同板厚的焊縫完成時間，GTAW大約為GTAW＋SMAW的1.5倍，板厚越厚GTAW＋SMAW速度越優越。考慮GTAW的合格率比GTAW+SMAW的合格率優越，建議GTAW和GTAW＋SMAW方法的應用范圍見表12。

表12 GTAW和GTAW+SMAW方法的建議應用范圍

5 結論

通過對雙相不銹鋼S31803的氬弧焊（GTAW）和氬弧焊＋手工電弧焊（GTAW＋SMAW）的焊接評定試驗，驗證了氬弧焊（GTAW）和氬弧焊＋手工電弧焊（GTAW＋SMAW）工藝均可適用于雙相不銹鋼S31803焊接；同時，通過分析比較這2種方法的完成時間、合格率和管直徑等方面因素，提出氬弧焊（GTAW）和氬弧焊＋手工電弧焊（GTAW＋SMAW）工藝的建議使用范圍，以此給予參考。