20鋼玻璃內襯防腐管與304不銹鋼管對接工藝分析

趙澤敬，趙志彬，毛習飛，王志文

(中國石油大學（華東）機電工程學院,山東 青島 266580)

20鋼玻璃內襯防腐管與304不銹鋼管對接工藝分析

趙澤敬，趙志彬，毛習飛，王志文

(中國石油大學（華東）機電工程學院,山東 青島 266580)

對于20鋼玻璃內襯防腐管與304不銹鋼鋼管對接選用和耐蝕堆焊層相同的材料AT-ERNi625焊絲進行打底，填充蓋面分別選擇了AT-ERNi625焊絲和304焊絲，采用拉伸、彎曲試驗、顯微硬度試驗測試焊接接頭力學性能；通過掃描電鏡、光學顯微鏡對焊縫斷口及顯微組織進行分析。結果表明，焊縫抗拉強度大于20鋼抗拉強度，其顯微硬度從母材到焊縫，從蓋面層到打底層都呈現下降趨勢，其力學性能滿足使用要求；在母材20鋼一側出現了脫碳層，焊縫一側出現增碳層，焊縫中的組織主要是少量的針狀鐵素體和奧氏體。

焊接；玻璃內襯防腐管；力學性能；顯微組織

0 前 言

玻璃內襯防腐管是以鋼管為基材，用搪瓷釉經過高溫燒制，使之與鋼管內壁緊密結合在一起而形成的，具有玻璃優良的化學性能和鋼管優良的力學性能[1]。內襯玻璃層能提高管道內表面光滑度，降低管道摩擦阻力，提高管內流體的流速；改善表面的潤濕性，使其親水憎油，阻止石蠟沉積，改善管道流體流動性能；傳熱系數小，減少流體熱損失和流體溫降；從根本上解決金屬與H2S和CO2等介質接觸而引發的多種腐蝕問題，延長管道使用壽命。因此，玻璃內襯防腐管可廣泛應用于化工物質輸送，油井防磨等領域。但玻璃內襯防腐管直接對焊，易引起內襯玻璃層熔化，使焊接接頭部位耐蝕性大為降低[2]。基于大量不銹鋼和低合金鋼異種鋼焊接研究[3-6]，本研究擬在小直徑玻璃內襯防腐管對接部位首先堆焊一層耐蝕合金，然后再進行對焊的工藝對玻璃內襯管進行焊接，研究焊接材料對接頭組織和性能的影響。研究結果將為玻璃內襯防腐管焊接材料的選擇、焊接工藝的制定提供理論支持和技術保障。

1 試驗材料及方法

試驗用20鋼玻璃內襯防腐管以及304不銹鋼管的規格均為φ76 mm×6 mm，其化學成分見表1。為了防止焊接過程中20鋼玻璃內襯防腐管的管口部位玻璃層熔化，焊接前用TIG焊將AT-ERNi625堆焊于其管口內壁，然后在20鋼管內壁全部搪上玻璃，再與304不銹鋼管進行對接焊。根據實際測量的焊接過程中管口玻璃層的熔化寬度，考慮到安全裕量，堆焊層寬度約為40 mm。20鋼玻璃內襯防腐管與304不銹鋼管對接焊采用的坡口形式如圖1所示。鑒于20鋼玻璃內襯防腐管的耐蝕性要求，選用和耐蝕堆焊層相同的材料AT-ERNi625焊絲進行打底，填充蓋面選擇AT-ERNi625焊絲和304焊絲作為對比[7-9]。所用焊接材料的化學成分見表1。

焊接后，通過對焊接接頭進行拉伸及彎曲試驗評定接頭的力學性能，用維氏硬度計測試硬度，光學顯微鏡觀察顯微組織，掃描電鏡分析沖擊斷口形貌，電子探針分析化學成分分布。

表1 鋼管及焊接材料的化學成分 %

圖1 坡口形式

2 試驗結果與分析

2.1 焊接接頭的力學性能

拉伸和彎曲試驗結果見表2。由表可知，選用Ni625焊材所焊接頭的強度大于Ni625/304焊材所焊接頭，但均大于20鋼管的最小抗拉強度410 MPa，焊接接頭合格。另外，選用Ni625和Ni625/304焊材所得接頭的面彎和背彎試驗經180°彎曲，未發現裂紋，表明接頭質量滿足標準要求。

2.2 焊接接頭組織分析

由焊縫顯微組織分析可知，Ni625和304焊材形成的焊縫組織主要是少量的針狀鐵素體和奧氏體[10]，焊縫中未出現氣孔、裂紋、夾雜等缺陷。焊縫中焊材的鎳含量很高，鎳是擴大奧氏體相區的元素，因此焊縫中的組織主要是奧氏體。奧氏體組織能提高焊縫的耐蝕性能、增強焊縫的抗裂能力。針狀鐵素體取向自由，為大角度晶界，可以有效阻止裂紋擴展，同時含有大量的位錯，所以，焊縫組織能有效抑制焊縫區顯微裂紋的產生和擴展。

從圖 2（a）、圖 2（b）可知，在 20 鋼一側出現了脫碳層，在焊縫側出現了增碳層，出現這種情況的可能原因是：在高溫下碳在α-Fe中的擴散能力比在γ-Fe中大得多，C很難跨過奧氏體/類馬氏體焊接邊界向焊縫內作長程擴散。因此，在焊縫冷卻過程中，珠光體中的C會向奧氏體中擴散。由圖2（c）發現，焊縫與304母材之間沒有出現脫碳層和增碳層，這是由于焊材與母材中C含量都很少，合金元素含量較多，C在兩者之間的化學勢低。所以，C沒有產生明顯的擴散。

表2 力學性能試驗結果

圖2 焊接接頭熔合線處的顯微組織形貌 100×

2.3 拉伸斷口分析

圖3（a）為選用Ni625/304焊材接頭拉伸試樣斷口的掃描圖片，斷口位置在母材上。圖3（b）為拉伸斷口處放大照片。圖3（c）為試樣側面的收縮臺階放大照片。進一步觀察發現，盡管該接頭焊接時使用了兩種焊材，斷口都是韌窩斷裂，并無明顯的界線。同時試樣側面出現大量明顯的收縮臺階，故分析可知，焊接接頭具有良好的塑韌性。

圖3 Ni625/304焊接接頭拉伸試樣斷口形貌

2.4 硬度分析

沿測量時焊縫中心及兩側分別取點，其中焊縫取點間距為1 mm，熱影響區處取點間距為0.5 mm，母材處為1.5 mm。顯微硬度測定位置及測定方向如圖4所示。測定結果如圖5所示。

圖4 顯微硬度測定位置及測定方向

圖5 顯微硬度測定結果

由圖5觀察分析發現，焊縫與母材之間顯微硬度變化穩定，焊縫各層之間硬度也穩定變化，從母材到焊縫和自蓋面層到打底層都呈現下降趨勢，這主要是與合金元素的含量和碳含量有關。從其硬度分布來看，施焊很好。

3 結 論

（1）采用Ni625焊材和 Ni625/304焊材對20鋼玻璃內襯防腐管以及304不銹鋼管進行焊接均可得到沒有缺陷的焊接接頭。

（2）焊接接頭力學性能試驗表明，采用Ni625焊材和Ni625/304焊材，焊接接頭的拉伸和彎曲性能滿足要求。

（3）采用Ni625焊材和Ni625/304焊材，焊縫與熔合線組織均為少量針狀鐵素體+奧氏體。

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Study on Butt Welding Process of 20 Steel Glass Lining Anticorrosion Tube and 304 Stainless Steel Pipe

ZHAO Zejing，ZHAO Zhibin， MAO Xifei， WANG Zhiwen
(Mechanical and Electrical Engineering College,China University of Petroleum,Qingdao 266580,Shandong,China)

For 20 steel glass lining anticorrosion tube and 304 stainless steel pipe butt welding,it selected AT-ERNi625 welding wire to conduct backing,which is the same material as corrosion resistant surfacing layer.Filling and covering respectively chose ERNi625 welding wire and 304 welding wire.The mechanical properties of welded joints were tested by tensile test and microhardness test,and the weld fracture and microstructure were analyzed by scanning electron microscope,optical microscope.The results indicated that the tensile strength of weld is higher than that of 20 steel,and the microhardness present a downward trend from base metal to weld,from covering welding layer to backing layer.The mechanical properties can meet application requirements.The decarburization layer appeared at the side of the parent metal 20 steel,and recarburization layer appeared at the side of weld.The organization in weld mainly consist of a small amount of acicular ferrite and austenite.

welding;glass lining anticorrosion tube;mechanical properties;microstructure

TG441.2

B

1001－3938（2015）05-0022-04

趙澤敬（1991—），男，中國石油大學（華東）機電工程學院材料成形及控制工程專業本科生，主要學習和研究方向為玻璃內襯防銹管與鋼管的焊接工藝。

2015-01-04

羅 剛