347H奥氏体不锈钢管焊接工艺评定

焊管
WELDED PIPE AND TUBE
第44卷第1期2021 年 1 月
Vol.44 No.1
Jan. 2021
347H 奥氏体不锈钢管焊接工艺评定
冯玉兰1，2,吴志生1,李亚杰1，2,李 岩王瑞森2
（1.太原科技大学，太原030024； 2.中钢不锈钢管业科技山西有限公司，山西晋中030600）
摘要：针对347H 不锈钢管材在焊接后出现开裂的现象，以347H 奥氏体不锈钢为研究对象，采用
等离子弧焊（PAW ） +钨极惰性气体保护焊（TIG ）实现了厚度为15 mm 的347H 奥氏体不锈钢的良
好焊接，焊接工艺采用双面焊双面成型工艺，焊接中心气（PAW 离子气和TIG 枪内保护气）及内外
焊缝保护气均为纯度逸99.99%的氩气，100%RT 实时成像检测结果显示焊缝结合良好。

并对焊缝进行 了焊后热处理，加热到1100益后保温15 min o 最后，根据ASME 《锅炉及压力容器规范》第御卷要
求对焊缝显微组织及综合性能进行了分析，其理化性能满足要求，生产工艺合理。

关键词：347H 不锈钢；焊接工艺评定；微观组织；力学性能
中图分类号： TG141.4
文献标识码： B DOI : 10.19291/ki.1001-3938.2021.01.003
Welding Procedure Qualification for 347H Austenitic Stainless Steel Welded Pipe
FENG Yulan 1'2, WU Zhisheng 1, LI Yajie 1,2, LI Yan 1'2, WANG Ruisen 2
(1. Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China;2. Sinosteel Stainless Steel Pipe Technology Co., Ltd., Jinzhong 030600, Shanxi, China )
Abstract: In view of the cracking phenomenon of 347H stainless steel pipe after welding, 347H austenitic stainless steel was
taken as the research object, and the good welding of 15 mm thick 347H austenitic stainless steel was realized by plasma arc
welding (PAW) + tungsten inert gas welding (TIG). The welding process adopts double -sided welding and double -sided forming
process. The welding center gas (paw ion gas and TIG gun shielding gas) and the internal and external weld shielding gas are
argon with purity 逸 99.99%. The 100% RT real -time imaging detection results show that the weld joint is good. After heat
treatment, the weld was heated to 1 100 益 for 15 min. Finally, according to the requirements of ASME Boiler and Pressure
Vessel Code section IX, the weld microstructure analysis and comprehensive performance test were carried out. The results
show that the physical and chemical properties meet the requirements and the production process is reasonable.
Key words: 347H stainless steel; welding procedure qualification; microstructure; mechanical properties
0前言
347H 属于奥氏体不锈钢，与347不锈钢相
比， 碳含量较高， 具有良好的高温力学性能。

在 普通奥氏体不锈钢的基础上加入稳定化元素Nb ，
提高了抗敏化性能，使其具有良好的耐腐蚀性。

因此，347H 属于奥氏体不锈热强钢，在较高温 度下具有良好的耐腐蚀性和强度［1-3］，同时化学成
分均匀，组织稳定，被广泛用于大型锅炉过热 器、再热器、蒸汽管道及石油化工的热交换器管 件。

但347H 不锈钢管材在焊接后会出现开裂现 象，明显降低了该类钢材的使用寿命心］。

为了保
证347H 不锈钢管材在使用过程中的安全性，寻
找合适的焊接工艺和焊后热处理措施并对其可行
性进行验证，对拓宽347H 不锈钢管材在石油化 工等领域的应用具有一定的研究价值『10］。

第1期冯玉兰等：347H奥氏体不锈钢管焊接工艺评定
1试验材料产的347H奥氏体不锈钢板材，试样尺寸450mm
(长)x300mm(宽)x15mm(厚)，其化学成本研究选用山西太钢不锈钢股份有限公司生分见表1，力学性能见表2遥
表1347H奥氏体不锈钢板材的化学成分%
w(C)w(Si)w(Mn)w(P)w(S)w(Ni)w(Cr)w(Nb)
0.050.53 1.210.0250.0019.117.30.54
表2347H奥氏体不锈钢板材的力学性能
试样尺寸/(mmxmmxmm)抗拉强度/MPa屈服强度R p».2/MPa延伸率A50/%环境温度/益450x300x156052506223
2焊接工艺
2.1焊接坡口形式
焊接试样单边坡口形状及焊接道次分布如图1所示。

坡口设计为Y形坡口，钝边(4±0.25)mm，焊缝单边坡口角度37.5。

±2.5。

2.2焊接方法及设备
焊接方法：PAW打底(不填丝)+TIG填充盖面+TIG填丝内焊。

焊接设备：边梁双枪P+T纵环焊缝焊接系统和龙门TIG内焊焊接系统，系统包含有德国进口的等离子焊接电源PAW522DC-P和TIG 焊接电源TETRIX521遥
2.3焊接材料
焊丝选用实芯焊丝ER347椎1.2mm，其化学成分见表3遥由表3和表1对比可知，焊丝ER347的主要合金元素含量均大于母材347H合金元素含量，可以抵消焊接过程中合金元素的烧损量，并添加了少量的Mo,可以提高焊缝的钝化效果，并细化晶粒，满足焊材选用要求。

图1焊接试样单边坡口形状及焊接道次分布示意图
表3ER347不锈钢实芯焊丝化学成分% w(C)w(Si)w(Mn)w(P)w(S)w(Ni)w(Cr)w(Nb)w(Mo)w(Cu) 0.0200.54 1.640.0190.00110.7519.700.540.010.020
2.4焊前工艺要求
(1)焊前清理焊缝坡口及两侧油污、铁锈及氧化皮等污物；
(2)检测焊丝牌号及焊接气体是否满足要求;
(3)确认焊接设备可正常运行；
(4)检查焊缝坡口尺寸及质量。

2.5焊接工艺要求及参数
(1)焊接方式采用PAW打底焊(不填丝)+TIG填充盖面+TIG填丝内焊；
(2)严格控制层间温度臆100益，层间清理
严格按照要求操作；
(3)PAW及TIG焊接气体均为纯氩气，纯
度逸99.99%；
(4)层间清理，采用不锈钢钢丝轮清理焊
缝表面及两侧30mm范围内的污物。

焊接工艺参数见表4遥
HAN GUAN-
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焊管2021年第44卷表4焊接工艺参数
焊接顺序焊接方法电流极性填充材料电流/A 焊接速度/
(mm'min-1)
送丝速度/
(mm'min-1)
电压/V
纯Ar保护气
流量/(L-min-1)
离子气流量/
(L-min-1)
1PAW DC+2901303025 5.0(Ar) 2TIG外1DC+ER34730013513001325
3TIG外2DC+ER34731013015001525
4TIG外3DC+ER34731013020001525
5TIG外4DC+ER34732013023001625
6TIG外5DC+ER34732013025001725
7TIG内DC+ER34725040010001525
3焊缝外观及射线检测
试样焊接完成后对焊缝进行外观及X射线检验，外观按照最新ASME《锅炉及压力容器规范》第御卷QW-194所述外观检测要求，技能评定件表面没有裂纹并显示焊缝金属与母材全熔透、全熔合。

射线透照检测按照QW191.1要求进行。

本次试验检测焊缝无任何缺陷，结果满足要求。

4试验过程及分析
4.1焊缝力学性能测试
根据美标ASME《锅炉及压力容器规范》第御卷要求[11],采用钢研纳克检测技术有限公司生产的30T电子拉伸试验机进行拉伸试验和弯曲试验；采用500J低温冲击试验机进行冲击试验，具体试验过程及结果如下。

4.1.1焊缝横向拉伸试验
对试样进行焊缝横向拉伸试验，试样平均宽度19mm,标距50mm；试样要求内外焊缝余高机械磨除。

试样的测试条件是：加载速率5mm/min,加载载荷10kN；试验执行标准ASTM A370；拉伸试样如图2所示，焊接接头力学性能见表5o
图2焊缝拉伸试样照片
表5焊接接头力学性能测试结果
试样编号R p0.2/MPa R m/MPa A/%断裂位置126565357
227265656母材
A/SA240标准要求逸205逸515逸40
由图2可以看出，焊接接头同轴横向拉伸断裂发生在母材处表明焊接接头力学性能优于母材。

由表5可以看出，焊接接头的抗拉强度、屈服强度和延伸率均大于标准要求值,其力学性能满足标准要求。

4.1.2弯曲试验
母材厚度为15mm,测试焊缝的背弯及面弯性能，并未用侧弯代替，试验执行标准ASTM A370,弯曲直径40mm,弯曲角度180。

,弯曲后用放大镜放大10倍观察，在焊缝和热影响区均未发现有裂纹，表明该工艺下获得的焊接接头在弯曲应力作用下仍具有较好的力学性能，判定为合格,弯曲试样照片如图3所示。

图3焊缝弯曲试样照片
4.2焊缝耐腐蚀性
按照标准ASTM A262E法测试焊缝耐晶间腐蚀性能，试样尺寸为80mmx50mmx4mm。

采用16%硫酸-硫酸铜溶液进行煮沸，硫酸-硫酸铜溶液配比方案：在700ml蒸馏水中溶解
第1期冯玉兰等：347H 奥氏体不锈钢管焊接工艺评定
100 g 硫酸铜(CuSO 4-5H 2O)，添加 100 ml 硫酸
(H 2SO 4,化学纯，密度1.84g/cm 3)，并用蒸馏水 稀释至1 000 ml 。

按照上面配好的溶液煮沸15 h
后弯曲。

弯曲试验用弯芯直径5 mm,弯曲角度
180毅,弯曲后采用10倍放大镜观察焊缝外表面
无裂纹产生，结果评定为合格。

煮沸并弯曲后的
试样如图4所示。

图4晶间腐蚀试样照片
4.3金相试验分析
4.3.1 焊缝热影响区金相组织
图5 (a)所示为347H 焊接接头过渡区金相
组织形貌，由左往右分别为母材、热影响区和焊
缝组织,母材主要由大量奥氏体和少量颗粒状碳
化物组成，没有铁素体相(铁素体在锻轧变形过 程中消失)，在一些奥氏体晶内存在一定数量的 孪晶界。

分析过渡区微观组织可以发现，焊接过
程没有产生气孔、夹杂和焊接裂纹，说明本研
究采用的焊接工艺可以使焊接接头达到良好的 冶金结合。

热影响区在焊接热的作用下发生了
一定的固态相变，尤其在接近熔合线位置出现 了过热区，由于加热温度从1100益到固相,
导致该区域的晶粒发生一定的粗化，形成粗晶
区，一定程度上影响焊接接头的性能，其局部
放大组织如图5 (b)所示［12-13］。

图5焊接接头过渡区组织形貌
4.3.2焊缝金相组织图 6 所示为 347H 不锈钢焊缝区域的微观组 织形貌， 通过直线法对焊缝组织的晶粒度进行了 分析，焊缝上层位置的组织晶粒约为75滋m,焊
缝中心组织晶粒约为100滋m 。

结果表明，上层 组织晶粒较焊缝中心和热影响区组织更细小，
这主要是因为中心焊道比上层焊道晶粒有更多
的焊接热作用，从而导致焊缝中心组织的晶粒
发生了一定的粗化。

焊缝区域也存在少量的颗 粒状碳化物，但数量很少，说明制定的热处理 工艺能够较好的溶解焊接过程析出的碳化物，
从而使焊接接头具有良好的力学性能， 对于焊
图6焊缝区域微观组织形貌
HAN GUAN
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焊管2021年第44卷
接接头组织不均匀的现象，可以通过延长热处理时间进行改善[14-15]o
5结论
本研究针对厚度为15mm的347H不锈钢，采用PAW+TIG焊接工艺，热处理加热到1100益,保温15min后水冷获得良好的焊接接头，对焊缝理化性能及金相组织分析可得出以下结论：焊缝拉伸、弯曲、晶间腐蚀等理化性能满足要求;但热处理温度1100益，保温15min后水冷，对于厚度为15mm的347H不锈钢时间较短，焊接接头组织未均匀化，且晶粒大小不均匀，应适当延长热处理时间，使焊缝组织更加均匀。

参考文献：
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作者简介：冯玉兰(1991—),女，在读博士，焊接工程师，主要从事不锈钢、不锈钢复合管及有色金属的焊接工艺研发工作。

收稿日期：2020-08-21
编辑：李红丽
中俄东线天然气管道南段全面开工
2021年1月6日10时，中俄东线天然气管道工程(河北永清-上海)(下简称中俄东线南段)江苏段线路第七标段正式开工，标志着中俄东线南段沿线各省线路工程全部进入建设阶段，将打通俄气入沪主通道，全面联通京津冀和长三角两大经济圈。

中俄东线天然气管道工程起于黑龙江省黑河市中俄边境，终点是上海，全长5111km，分为北、中、南三段核准，分期建设。

其中，北段(黑龙江黑河-吉林长岭)、中段(吉林长岭-河北永清)已分别于2019年、2020年底投产通气。

南段工程起自河北永清联络压气站，自北向南途经河北、山东、江苏、上海，终点为西气东输一线白鹤末站，管道全长1509km，新建管道1243km，预计2025年建成投产。

届时，俄气将直通上海，实现“北气南下”，同时该管段联通已建成的东北管网、华北管网及华东管网，投产后日输气量超过5000万m3，比现有输送能力提升近3倍，将打破京津冀与长三角经济圈天然气输送能力瓶颈，进一步提高油气管网的应急保供能力遥
(摘自国家管网)。