用異種鋼焊接二氧化碳液體輸送管道

中原油田建設集團公司

用異種鋼焊接二氧化碳液體輸送管道

楊金廣 鄧紀華中原油田建設集團公司

二氧化碳輸送管道在與增壓泵連接時需要焊接不銹鋼法蘭，焊接固定在?76mm×10mm的20#鋼管上。由于不銹鋼與碳鋼在物理、化學特性上存在本質的不同，所以在現場焊接前，根據兩種母材的化學成分、物理特性、焊接環境、焊接方式及工藝參數制定合理的焊接工藝措施。找出了1Cr13N i9不銹鋼與20#碳鋼異種鋼焊接施工中的問題，并針對這些問題采取了相應的措施。

注CO2；輸送管道；不銹鋼；；碳鋼；焊接

二氧化碳（CO2）輸送管道在與增壓泵連接時需要焊接不銹鋼法蘭，焊接固定在?76mm×10mm 20#鋼管上。由于不銹鋼與碳鋼在物理、化學特性上存在本質的不同，所以在現場焊接前，根據兩種母材的化學成分、物理特性、焊接環境、焊接方式及工藝參數制定合理的焊接工藝。

1 構件焊接性能

金屬元素Cr在不銹鋼1Cr13 Ni9中的含量界于11.5%～13.5%之間，C元素含量小于0.15%，Cr在鐵晶粒中置換固熔，降低間隙固熔的C原子能量，使其不易析出，增加了過冷奧氏體的穩定性，防止珠光體的形成，再降溫形成硬脆馬氏體組織；同時在不銹鋼1Cr13Ni9中，C當量約為2.75%～2.77%，這將直接導致其焊接性能較差。在導熱性能方面不銹鋼1Cr13Ni9與20#碳鋼相比較，前者較差，使其焊接殘余應力大于碳鋼，所以在從焊接時的高溫狀態冷卻至110℃左右時，易導致冷裂紋缺陷。構件在焊接過程中，由于熱源的移動，產生焊件上某點溫度的熱循環，造成焊接區組織不均勻。產生復雜的應力、應變，表現為熱影響區鐵素體、碳化物組織粗大，降低不銹鋼塑性，出現冷裂紋。

2 焊接中存在的問題

不銹鋼1Cr13Ni9法蘭和20#碳鋼管線是2種不同的工程材料，化學成分差別較大，屬異種鋼焊接范疇，在手工電熔焊條件下，影響焊接質量的因素較多，焊接難度較大。

（1）兩種鋼材比熱容、熱導率對比。鋼材的比熱容是指鋼材變化單位溫度所吸收或放出的熱量多少；鋼材的熱導率是指鋼材內部對熱量傳遞速度的快慢。由于兩種焊材組成成分不同，導致比熱容、熱導率不同，這將影響到材料熔化的速度、熔池的形成、焊接區域溫度場的形成以及焊縫結晶的速度。碳鋼的熱導率約是不銹鋼的2倍，這將導致金屬熔化不同步，從而影響熔池的形成，造成兩種金屬無法良好結合，使焊縫的內部結構及外觀質量無法達到標準要求。

（2）兩種鋼材線膨脹系數的對比。線膨脹系數是指鋼材溫度每變化1℃，管材在線性方向上長度的變化。由于兩種鋼材線膨脹系數不同、形狀不同、長度不同，這就使得在焊縫形成后的冷卻過程中，焊縫兩端收縮量有所不同，導致焊縫位置存在復雜的焊接應力，加速焊接裂紋缺陷出現。

（3）1Cr13Ni9不銹鋼與20#碳鋼焊接時同樣存在焊縫稀釋和形成過渡層的問題，導致20#碳鋼一側焊縫形成脫碳層而1Cr13Ni9不銹鋼一側形成增碳層，隨著擴散的持久，使20#碳鋼一側的含碳量降低，變成了鐵素體組織，從而使得接頭焊縫組織變為奧氏體和鐵素體的復合組織。

3 焊接工藝措施

為保證不銹鋼與碳鋼焊接接頭不出現裂紋，應最大程度上使焊縫金屬與接頭熔合線組織保持一致性，并使不銹鋼一端不出現明顯的稀釋現象，應采取如下施工工藝。

3.1 正確選擇焊接材料和焊接方法

1Cr13Ni9不銹鋼與20#碳鋼焊接接頭的焊縫金屬化學成分主要取決于填充金屬。為了保證結構使用性能的要求，焊縫金屬的成分應力求接近其中一種鋼的成分。現場施工中，由2名焊工從構件的兩側對稱焊接，采用的焊接方式為氬電聯焊，選用A302焊條，這樣不僅能減小焊接部位的變形，而且經回火處理后，管材與法蘭聯接構件具備更優越的力學性能，金屬Cr在焊縫處含量為5.5%左右。

3.2 控制預熱溫度和焊接層間溫度

（1）預熱可以放慢焊后的冷卻速度，加快焊縫中氫的逸出，避免焊接過程中產生裂紋缺陷，防止構件熱影響區和焊縫處淬火過硬，提高抗裂性。

（2）構件焊接過程中會產生應力，對構件連接部分均勻預熱，可以縮小構件與焊接區間的溫度梯度，降低了焊接應力及應變速率，減少了焊接裂紋產生的可能性。

（3）構件預熱會降低焊接結構約束度，尤其是角接接頭。

（4）層間溫度是指焊接時焊道的最高溫度，根據焊接工藝評定，確定合適的層間溫度區間，實際操作時應嚴格執行。溫度低于區間下限，會使焊縫內部產生應力，且此時冷卻速度較大，影響焊縫組織的結構；溫度高于區間上限，會使熔池內金屬溫度過高，并升高母材溫度，增大焊縫區金屬晶粒，產生魏氏組織，影響構件的力學性能。

3.3 焊后溫度的控制及回火熱處理

構件焊后的溫度控制即采用保溫措施，使構件焊接接頭組織完全轉變成馬氏體。構件焊后回火熱處理主要有消氫、消除焊接應力、改善焊縫組織及焊縫綜合性能的作用。回火主要有兩種方式：整體高溫回火和局部高溫回火。前者消除焊接應力效果較好，能消除80%～90%的應力，但現場操作不便；后者雖然效果不如前者，但操作簡便，適用于現場施工。

3.4 操作工藝

在焊接施工中，不銹鋼焊接時易出現結晶體粗大、脆裂等缺陷，現場應采取以下工藝措施，以避免此類缺陷的出現：

（1）選用小的熱輸入，小的焊接電流以及較快的焊接速度。

（2）為保證不銹鋼及碳鋼受熱均勻，宜采用短弧焊接方式，并適當將電弧偏向碳鋼一側。

（3）由于管線屬于大壁厚的結構，應采用多層焊，并嚴格控制每一層焊縫的冷卻溫度，減少熱量輸入，減小焊道變形量，確保焊縫質量。

（4）焊后采取一定保溫措施進行緩冷以防止裂紋缺陷的產生。

4 結語

通過以上分析，找出了1Cr13Ni9不銹鋼與20#碳鋼異種鋼焊接施工中的問題，并針對這些問題采取了相應的措施。這些措施在實踐中得到檢驗，并取得了成功，使得該技術在中原油田地面建設項目中得到廣泛推廣。

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.7.011