奧氏體不銹鋼管膛內氮氣保護焊接施工方法

摘要：本文重點介紹奧氏體不銹鋼管膛內的充氮保護焊接的工藝原理、操作要點及經濟效益。

關鍵詞：奧氏體不銹鋼 氮氣 焊接

1 概述

多年來在工程施工中奧氏體不銹鋼的焊接一直采用的是管膛內充氬保護焊接，質量穩(wěn)定可靠。石油化工行業(yè)標準SH 3501-2002《石油化工有毒、可燃介質管道工程施工及驗收規(guī)范》的7.3.7條規(guī)定：奧氏體不銹鋼管道焊接，單面焊焊縫宜用手工鎢極氬弧焊焊接焊縫底層，管內應充氬氣或氮氣保護。SH/T 3523-2009《石油化工鉻鎳不銹鋼、鐵鎳合金和鎳合金焊接規(guī)程》的7.3.4也規(guī)定：采用實芯焊絲或不填絲的鎢極氣體保護焊焊接底層焊道時，焊縫背面應采取充氬或充氮保護措施。保護措施可采用整體或局部充氬（氮）方法。充氬氣（氮氣）開始時宜采用較大的流量，確保管內保護氣濃度滿足要求后方可施焊，焊接時背面保護用的氬氣（氮氣）流量應適當降低，避免出現凹坑。

標準規(guī)定了還可以采取充氮保護，從經濟成本上講，氬氣較氮氣便宜。2011年，我公司對奧氏體不銹鋼管膛內氬氣保護焊接工藝改為充氮保護工藝進行了系列的實驗，最終通過了焊接工藝評定。通過項目的實際操作和運行證明，奧氏體不銹鋼管膛內的充氮保護焊接不僅能夠保證焊接質量而且經濟可靠，是行之有效的施工工法。

2 工法的特點及適用范圍

2.1 奧氏體不銹鋼管道采用普通鎢極氬弧焊進行打底焊接，管膛內部焊接保護采用氮氣保護。

2.2 焊接工藝評定的結果證明，不銹鋼管膛內氮氣保護焊接對奧氏體不銹鋼力學性能、晶間腐蝕等性能沒有影響。

2.3 氮氣比重比氬氣、空氣（氧氣）要輕，在管膛內保護時，控制管膛內把空氣（氧氣）置換成氮氣并達到一定濃度以滿足焊接要求是關鍵。

2.4 不銹鋼管膛內氮氣保護焊接和氬氣相同，工藝基本沒有區(qū)別，焊工能夠正常操作，操作簡單，勞動強度低。

2.5 氮氣只作為不銹鋼管膛內保護焊接使用，但不可以作為鎢極氬弧焊焊槍噴嘴保護氣使用。

2.6 施工過程中無需配備更多的施工機具，節(jié)約成本，機動靈活。

2.7 本工法適用于各種規(guī)格奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼管道的焊縫組對、打底焊接，奧氏體不銹鋼設備的組焊打底焊接可參考使用。

3 工藝原理

3.1 奧氏體不銹鋼管道的焊接一般要求單面焊雙面成型，通常采用GTAW+SMAW、GTAW+GMAW、GTAW+SAW等焊接工藝，由于奧氏體不銹鋼高溫下Cr原子會急劇氧化，造成背面成型不良，降低使用性能，故焊接時管膛內需惰性氣體保護。

3.2 使用惰性氣體保護，是因為惰性氣體化學性質很不活潑，與其他元素之間幾乎不會發(fā)生化學反應。氮氣雖然不是惰性氣體，而純氮氣是不能與普通金屬產生反應的，被稱為“惰性”，就是氮氣的這種特性在加熱過程中，起到了保護金屬表面，不會產生氧化，從而起到惰性氣體保護的作用。

3.3 由于氮氣比重比空氣（氧氣）要輕，所以，從不銹鋼管膛內把空氣（氧氣）排空置換成氮氣并達到管膛內焊接濃度要求，是該工法的試驗重點。

3.4 通過試驗證明，焊接時不銹鋼管膛內充氮氣位置是非常重要的。規(guī)格小于Φ300mm不銹鋼管道由于管徑小，管膛內充氮氣位置對內部保護沒有多大影響。當規(guī)格大于Φ300mm管道管膛內充氮氣保護焊接時，水平焊口應從管子底部充氮，并在水平位置管的10點、2點位置設排氣口，盡快把空氣排出去。出氣孔不能放到12點位置，因為空氣（氧氣）比氮氣比重大，很難在高位置把空氣排出去。

3.5 采用海綿封堵，海綿是軟體材料且具有一定的厚度，放置在管內非常穩(wěn)定可靠，同時海綿具有一定的透氣性，隔離段氣室內沒有死角，非常有利于氮氣的置換。氣帶直接穿過海綿，進氣端使用三通（或用廢海綿的邊角料將氣帶端部包扎），讓氮氣氣均勻的從海綿四周噴出。氣帶端口應放置在焊口的下部，提高氣體置換速度和質量。小于Φ300mm管子用一根氣帶從一端充氣即可；大于Φ300mm管子采用兩根氣帶向管內充氣，待管內氣體置換好后可關掉一根氣帶，只用一根氣帶維持管內氮氣流量，保證焊接需要并節(jié)省氮氣。

3.6 研究分析，碳元素是影響不銹鋼晶間腐蝕的主要因素，理論上講，氮氣在焊接過程中，不生成碳化物。由于氮化物在晶界上析出，提高晶界高溫強度，從而增加鋼的蠕變強度。在奧氏體鋼中，可以取代一部分鎳。氮不與不銹鋼中其他元素化合，有沉淀硬化作用；對鋼抗腐蝕性能的影響不顯著，但鋼表面滲氮后，不僅增加其硬度和耐磨性能，也顯著改善其抗蝕性。

3.7 我們先后進行了16組焊接工藝評定實驗，包括含碳量稍高的TP304、TP304H、TP347H、TP316等不銹鋼材料，晶間腐蝕均為合格。說明不銹鋼管膛內氮氣保護對不銹鋼鋼焊接中的晶間腐蝕沒有明顯影響。

4 施工操作要點

4.1 施工準備

4.1.1 焊接材料的選擇應根據焊件的化學成分、力學性能、使用條件和施焊條件綜合考慮。同種鉻鎳奧氏體不銹鋼的焊接宜選用與母材合金含量相近的焊接材料；異種鉻鎳奧氏體不銹鋼的焊接，宜按照合金含量較低的母材選擇焊接材料。

4.1.2 不銹鋼管膛內用保護焊接氮氣純度選用應不低于99.5%，含水量小于50mg/L。

4.1.3 焊工必須按照國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局頒布《TSG Z6002-2010特種設備焊接操作人員考核細則》進行考試，并取得FeⅣ類鎢極氬弧焊焊工合格資質證，（例如：GTAW-FeⅣ-6G- ×/××-FefS-02/10/12），方可承擔相應的焊接施工任務。

4.1.4 各種管徑、厚度的組對形式應符合表1的要求。

4.2 焊接準備

4.2.1 焊接設備處于完好狀態(tài)。

4.2.2 焊工手工工具宜應用不銹鋼制成，打磨焊縫宜用不銹鋼專用砂輪片。

4.2.3 坡口兩側各100mm范圍內應涂上白堊粉后其他防飛濺涂料。

4.2.4 焊接保護用氮氣純度應滿足要求，氮氣純度應不低于99.5%。

4.3 管子切割、組對

4.3.1 管子切割及坡口加工宜采用機械方法，坡口加工后應進行外觀檢查，坡口表面不得有裂紋、分層等缺陷。

4.3.2 管子及管件組對前，應用手工或機械方法清理其內外表面，在坡口邊緣20mm范圍內不得有油漆、毛刺、鑄造垢皮及其他對焊接有害的物質。

4.3.3 管壁相同時，其內壁應平齊，內壁錯邊量不得大于0.5mm。

4.3.4 管子及管件組對后的定位焊可采用根部定位焊縫和過橋定位焊縫兩種方式。定位焊焊接工藝與正式焊接工藝相同。

4.3.5 點固焊長度不超過10mm～20mm，且厚度不超過管材壁厚的2/3并不得超過10mm。

4.4 氮氣置換

4.4.1 管道內充氮氣，采用δ=100mm的海綿封堵在管口兩側，距離為200mm～400mm，如圖1所示。

4.4.2 海綿用薄木板加固，兩塊海綿之間用鐵絲連接，焊接完畢連同氣帶一起用鐵絲從管內拉出來。

4.4.3 大于Φ300mm不銹鋼管道采用二至三根氣帶均勻分布于海綿表面向管內充氣，提高置換速度。待管內氮氣置換好后只留一根氣帶維持管內氮氣壓力保證焊接用氣。

4.5 管膛內氮氣濃度的檢驗

4.5.1 焊絲放在坡口內處在氮氣保護下，用氬弧焊電弧將焊絲端部加熱至變紅后迅速熄滅電弧并將焊絲伸到管內，待焊絲端部溫度降到室溫后抽出觀察焊絲端部的顏色來判斷管內氮氣的濃度。

4.5.2 焊絲端部為銀白色，說明管膛內氮氣濃度達到焊接要求；焊絲端部為金黃色，說明管內氮氣濃度不太夠，但也可以滿足焊接需要。焊絲端部為藍、灰、白等顏色，說明管內氮氣濃度不夠，需要繼續(xù)置換。

4.6 焊接

4.6.1 管內充氮氣時，開始時流量可適當加大，確保管膛內氮氣濃度達到保護焊接要求后方可施焊。焊接過程中如感覺鐵水發(fā)飄，氮氣流量應適當降低，以避免焊縫背面因氮氣吹托，在成型時出現凹陷。

4.6.2 焊接過程中需控制熱輸入量，采用小線能量，小電流焊接，冷卻速度要快，使其在敏化溫度區(qū)停留時間短，有利于防止不銹鋼產生晶間腐蝕；小線能量即熱輸入小，焊接應力就小，有利于防止應力腐蝕和熱裂紋；焊接時根據管徑大小、壁厚選擇相應的焊接工藝參數，焊接電流值比低碳鋼焊接時低20%左右。采用小線能量、短弧焊、小擺動的操作方法。層間溫度控制在150℃以下。

4.6.3 鎢極氬弧焊焊接時，焊絲前端應始終置于保護氣體中。

4.6.4 氬弧焊焊接時收尾處打磨成斜坡狀，焊至斜坡時，暫停給絲，先用電弧把斜坡處預熱并熔化成熔孔時，迅速加焊絲，使焊縫封閉，收弧時要填滿弧坑，氣體延時保護，避免焊縫在高溫下被大氣污染。

4.6.5 焊件表面嚴禁電弧擦傷，并嚴禁在焊件表面引弧、收弧。焊接時應確保引弧和收弧處的質量，收弧時應將弧坑填滿，并用砂輪將收弧處修磨平整。

4.6.6 焊槍噴嘴采用過渡段篩網，效果更好。通過分析和試驗，采用帶過渡段篩網的氬弧焊噴嘴，對不銹鋼的焊接更加有力，特別是對焊后顏色有要求的環(huán)境，推薦采用帶過渡段篩網的氬弧焊噴嘴。

4.6.7 采用熔化極氣體保護焊接打底時，背面保護工藝可參照此工法。

5 經濟效益

按照140MPa瓶裝氣體統(tǒng)計數據核算，管道內部充氣費用大約氬氣8.75元/m，氮氣2.91元/m，氮氣比氬氣節(jié)省費用2/3，表2為各種瓶裝氣體性價比(計算依據：按照目前氣瓶減壓器輸出10L/min計算，140MPa瓶裝氬氣\\氮氣可釋放10小時)。應用的實踐表明，使用本方法后每年節(jié)約成本氣體約66%，約為不銹鋼管道總工程量的5%。