双相不锈钢管道的焊接工艺

双相不锈钢管道的焊接工

艺

Prepared on 22 November 2020

双相不锈钢管道的焊接摘要：以辽阳石化80万吨/年PTA装置双相不锈钢管线为例，向读者介绍双相不锈钢2205的管道焊接，整个焊接具有一定的价值，为双相不锈钢焊接提供依据。

关键词：双相不锈钢管道焊接工艺耐腐蚀

0 前言

铁素体-奥氏体双相不锈钢是在超低碳铁素体不锈钢基础上发展起来的一种双相不锈钢，常温下为双相组织，与一般不锈钢相比，其Ni的质量分数低，Cr、N的质量分数高，具有较好的抗点蚀和抗应力腐蚀的性能。此外，其结晶结构中的Fe的质量分数高，所以比其他的不锈钢有更高的屈服强度。双相不锈钢由于具有奥氏体+铁素体双相组织，且两个相组织的含量基本相当，故兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点。屈服强度可达400Mpa ~ 550MPa，是普通奥氏体不锈钢的2倍。与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的韧性高，脆性转变温度低，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显着提高；同时又保留了铁素体不锈钢的一些特点，如475℃脆性、热导率高、线膨胀系数小，具有超塑性及磁性等。与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的强度高，特别是屈服强度显着提高，且耐孔蚀性、耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳等性能也有明显的改善。辽阳石化80万吨/年PTA装置中共有双相不锈钢有497m，最小管径为Φ×，最大管径为×，属于中、低压管道。PTA装置双相不锈钢管道中介质为浓度60%~90%的高浓度醋酸，是具有强腐蚀和刺激性的介质，焊接质量的好坏直接关系到整个装置生产的安全性。

1 双相不锈钢2205的焊接性分析

铁素体-奥氏体双相不锈钢具有良好的焊接性，铁素体-奥氏体双相不锈钢被加热到足够的温度时，出现奥氏体向铁素体的转变，温度升高到1250-1300℃时，可转变为纯铁素体组织，此时在进行冷却，首先在铁素体晶界生成晶核，逐渐生成奥氏体。冷却速度较慢生成的奥氏体越多，反之生成的奥氏体越少。该双相不锈钢与铁素体不锈钢相比，焊接出现的裂纹倾向低；与奥氏体不锈钢相比，焊接产生的脆化倾向低。然而，焊接工艺掌握不好，这种双相钢组织会引起焊缝和热影响区的脆化和焊接热裂纹的产生。实验表明，焊缝和热影响区德铁素体含量超过80%时，会降低韧性并增加裂纹的产生，因此对焊缝的化学成分尤其是Ni的质量分数和冷却速度加以控制，防止单相铁素体以及晶粒粗大和裂纹的产生。双相不锈钢化成成分和力学性能见下表1、2：

2 双相不锈钢的焊接工艺

焊前准备

坡口的制备：坡口角度为70±5°，主要是考虑稍大的坡口角度有利于保证熔合比和提高脱渣性能，实践证明当坡口角度小于这个数值时，产生夹渣的几率会增大。

焊前清理：管道坡口表面的清洁性是双相钢成功焊接的一个关键因素，2205坡口表面的污染物主要是切割时表面的氧化皮、油脂和引起铁素体增多的脆化元素。因此，焊接前必须进行完全清理打磨，打磨时使用不锈钢专用砂轮片，防止渗碳等情况的发生。坡口加工完毕后，最后利用丙酮溶液清洗坡口内外100mm区域内的有机物、手印等。丙酮擦洗时不宜用棉质物擦洗。

焊接方法

本工程采用钨极氩弧焊打底，手工电弧焊填充和盖面的焊接工艺。

双相不锈钢焊材选用

双相不锈钢用的焊材，其特点是焊缝组织为奥氏体占优的双相组织，主要耐蚀元素(铬、钼等)含量与母材相当，从而保证与母材相当的耐蚀性。为了保证焊缝中奥氏体的含量，通常是提高镍和氮的含量，也就是提高约2％~4％的镍当量。在双相不锈钢母材中，一般都有一定量的氮含量，在焊材中也希望有一定的含氮量，但一般不宜太高，否则会产生气孔。这样镍含量较高就成了焊材与母材的一个主要区别。

根据耐腐蚀性、接头韧性的要求不同来选择与母材化学成分相匹配的焊条E2209碱性焊条。尽管酸性焊条时脱渣优良，焊缝成形美观，尽管酸性焊条时脱渣优良，焊缝成形美观，但由于冲击韧性较低，并且不适合管道的全位置焊接，所以采用碱性焊条。为了控制气孔和氢致裂纹的出现，焊接前焊条在250℃的温度烘干2h。焊丝选用与焊条化学成分相匹配的ER2209。

保护气体

钨极气体保护焊特别适用于管件的焊接。与其他方法相比，尽管焊接速度较慢，但它是打底焊的理想方法。这种焊接方法，焊工可直接控制填充金属的数量。但是由于填充金属不足会大大增加铁素体的质量分数而引起脆化，在实际焊接中我们采用V型坡口，以保证打底焊时填充金属充分熔敷。钨极氩弧焊时，可在氩气中加入2%氮气，防止焊缝表面因扩散而损失氮，有助于铁素体与奥氏体的平衡。但要严格控制N2的含量，因为

N2含量增多会使铁素体的含量增加。背面保护选用%氩气，使用时得到银白色或淡黄色的合格焊道，但要严格控制背面保护气体的含氧量，否则会导致根部焊道氧化严重，呈黑。打底焊时，为防止裂纹的出现，在更换焊丝继续施焊前，要彻底打磨掉焊缝弧坑。

工艺参数选择

主要是对冷却速度的空着，冷却速度对2205的焊接至关重要，而冷却速度的影响因素主要受焊接线能量、层间温度、预热及材料厚度等都会影响焊接时的冷却速度，从而影响到焊缝和热影响区的组织和性能。冷却速度太快和太慢都会影响到双相钢焊接接头的韧性和耐腐蚀性能。冷却速度太快时会引起过多的α相含量以及Cr2N的析出增加。过慢的冷却速度会引起晶粒严重粗大，甚至有可能析出一些脆性的金属间化合物，如σ相。

手工钨极氩弧焊，打底时，焊丝直径为Φ，直流正接，电弧电压9-

12V，焊接电流80-100A，焊接速度6-8cm/min，正面气体流量10-

15L/min，背面气体流量15-20L/min。层间温度控制在100℃以下。

焊条电弧焊时，其焊条采用直流，焊条接正极。焊接电流过大可能会引起很多问题，例如电弧不稳、飞溅过大、焊条过热、药皮脱落等，电流过大就会导致相应的线能量会适当的增大，会导致晶粒的过分长大和裂纹的产生，根据辽阳石化80万吨/年PTA装置特点均为中、薄壁管道，焊条直径为Φ、Φ，焊接第二层、第三层电流为90-110A，电压为20-25V。焊接时尽量保持短弧，这样可以防止合金元素的烧损，容易等到适当相组成，为防止焊接时未熔合、气孔的产生，焊接时焊条可适量的横向摆动一般为焊条直径的3倍，因为过度横向摆动容易造成热裂纹和降低耐腐蚀性。