用異種鋼焊接二氧化碳液體輸送管道

中原油田建設(shè)集團(tuán)公司

用異種鋼焊接二氧化碳液體輸送管道

楊金廣 鄧紀(jì)華中原油田建設(shè)集團(tuán)公司

二氧化碳輸送管道在與增壓泵連接時(shí)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(xué)特性上存在本質(zhì)的不同，所以在現(xiàn)場(chǎng)焊接前，根據(jù)兩種母材的化學(xué)成分、物理特性、焊接環(huán)境、焊接方式及工藝參數(shù)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(wèn)題，并針對(duì)這些問(wèn)題采取了相應(yīng)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(shí)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(xué)特性上存在本質(zhì)的不同，所以在現(xiàn)場(chǎng)焊接前，根據(jù)兩種母材的化學(xué)成分、物理特性、焊接環(huán)境、焊接方式及工藝參數(shù)制定合理的焊接工藝。

1 構(gòu)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(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，防止珠光體的形成，再降溫形成硬脆馬氏體組織；同時(shí)在不銹鋼1Cr13Ni9中，C當(dāng)量約為2.75%～2.77%，這將直接導(dǎo)致其焊接性能較差。在導(dǎo)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(yīng)力大于碳鋼，所以在從焊接時(shí)的高溫狀態(tài)冷卻至110℃左右時(shí)，易導(dǎo)致冷裂紋缺陷。構(gòu)件在焊接過(guò)程中，由于熱源的移動(dòng)，產(chǎn)生焊件上某點(diǎn)溫度的熱循環(huán)，造成焊接區(qū)組織不均勻。產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力、應(yīng)變，表現(xiàn)為熱影響區(qū)鐵素體、碳化物組織粗大，降低不銹鋼塑性，出現(xiàn)冷裂紋。

2 焊接中存在的問(wèn)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(xué)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(zhì)量的因素較多，焊接難度較大。

（1）兩種鋼材比熱容、熱導(dǎo)率對(duì)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(dǎo)率是指鋼材內(nèi)部對(duì)熱量傳遞速度的快慢。由于兩種焊材組成成分不同，導(dǎo)致比熱容、熱導(dǎo)率不同，這將影響到材料熔化的速度、熔池的形成、焊接區(qū)域溫度場(chǎng)的形成以及焊縫結(jié)晶的速度。碳鋼的熱導(dǎo)率約是不銹鋼的2倍，這將導(dǎo)致金屬熔化不同步，從而影響熔池的形成，造成兩種金屬無(wú)法良好結(jié)合，使焊縫的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外觀質(zhì)量無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）兩種鋼材線膨脹系數(shù)的對(duì)比。線膨脹系數(shù)是指鋼材溫度每變化1℃，管材在線性方向上長(zhǎng)度的變化。由于兩種鋼材線膨脹系數(shù)不同、形狀不同、長(zhǎng)度不同，這就使得在焊縫形成后的冷卻過(guò)程中，焊縫兩端收縮量有所不同，導(dǎo)致焊縫位置存在復(fù)雜的焊接應(yīng)力，加速焊接裂紋缺陷出現(xiàn)。

（3）1Cr13Ni9不銹鋼與20#碳鋼焊接時(shí)同樣存在焊縫稀釋和形成過(guò)渡層的問(wèn)題，導(dǎo)致20#碳鋼一側(cè)焊縫形成脫碳層而1Cr13Ni9不銹鋼一側(cè)形成增碳層，隨著擴(kuò)散的持久，使20#碳鋼一側(cè)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?yōu)閵W氏體和鐵素體的復(fù)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(xiàn)裂紋，應(yīng)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(xiàn)明顯的稀釋現(xiàn)象，應(yīng)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(xué)成分主要取決于填充金屬。為了保證結(jié)構(gòu)使用性能的要求，焊縫金屬的成分應(yīng)力求接近其中一種鋼的成分。現(xiàn)場(chǎng)施工中，由2名焊工從構(gòu)件的兩側(cè)對(duì)稱焊接，采用的焊接方式為氬電聯(lián)焊，選用A302焊條，這樣不僅能減小焊接部位的變形，而且經(jīng)回火處理后，管材與法蘭聯(lián)接構(gòu)件具備更優(yōu)越的力學(xué)性能，金屬Cr在焊縫處含量為5.5%左右。

3.2 控制預(yù)熱溫度和焊接層間溫度

（1）預(yù)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(guò)程中產(chǎn)生裂紋缺陷，防止構(gòu)件熱影響區(qū)和焊縫處淬火過(guò)硬，提高抗裂性。

（2）構(gòu)件焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，對(duì)構(gòu)件連接部分均勻預(yù)熱，可以縮小構(gòu)件與焊接區(qū)間的溫度梯度，降低了焊接應(yīng)力及應(yīng)變速率，減少了焊接裂紋產(chǎn)生的可能性。

（3）構(gòu)件預(yù)熱會(huì)降低焊接結(jié)構(gòu)約束度，尤其是角接接頭。

（4）層間溫度是指焊接時(shí)焊道的最高溫度，根據(jù)焊接工藝評(píng)定，確定合適的層間溫度區(qū)間，實(shí)際操作時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行。溫度低于區(qū)間下限，會(huì)使焊縫內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，且此時(shí)冷卻速度較大，影響焊縫組織的結(jié)構(gòu)；溫度高于區(qū)間上限，會(huì)使熔池內(nèi)金屬溫度過(guò)高，并升高母材溫度，增大焊縫區(qū)金屬晶粒，產(chǎn)生魏氏組織，影響構(gòu)件的力學(xué)性能。

3.3 焊后溫度的控制及回火熱處理

構(gòu)件焊后的溫度控制即采用保溫措施，使構(gòu)件焊接接頭組織完全轉(zhuǎn)變成馬氏體。構(gòu)件焊后回火熱處理主要有消氫、消除焊接應(yīng)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(yīng)力效果較好，能消除80%～90%的應(yīng)力，但現(xiàn)場(chǎng)操作不便；后者雖然效果不如前者，但操作簡(jiǎn)便，適用于現(xiàn)場(chǎng)施工。

3.4 操作工藝

在焊接施工中，不銹鋼焊接時(shí)易出現(xiàn)結(jié)晶體粗大、脆裂等缺陷，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)采取以下工藝措施，以避免此類缺陷的出現(xiàn)：

（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(dāng)將電弧偏向碳鋼一側(cè)。

（3）由于管線屬于大壁厚的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用多層焊，并嚴(yán)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(zhì)量。

（4）焊后采取一定保溫措施進(jìn)行緩冷以防止裂紋缺陷的產(chǎn)生。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)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(wèn)題，并針對(duì)這些問(wèn)題采取了相應(yīng)的措施。這些措施在實(shí)踐中得到檢驗(yàn)，并取得了成功，使得該技術(shù)在中原油田地面建設(shè)項(xiàng)目中得到廣泛推廣。

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.7.011