不銹鋼管道焊接質量控制的研究進展

陳華 賀毅強

摘要：不銹鋼管道廣泛應用于能源、化工、機械等領域，管道的焊接是限制其應用的關鍵技術之一。本文綜述了提高管道焊接質量、檢測焊接缺陷和模擬焊接工藝的內容和意義;論述了不銹鋼管道焊接的質量控制要點，同時也論述了焊接缺陷的檢測。認為通過合理選擇焊接材料、焊接方法、焊接坡口、焊接電流實現質量控制。通過渦流無損檢測可以方便且有效探測焊件的缺陷，將有利于提高焊接質量，控制焊接缺陷。多道次焊接三維模擬有利于控制焊接缺陷和提高焊接質量。

關鍵字： 不銹鋼; 管道;焊接質量;缺陷檢測;模擬

不銹鋼由于具有良好的力學性能和抗腐蝕性能性能二廣泛應用于工業生產。不銹鋼的延展性和韌性也非常好，但由于奧氏體不銹鋼的熱傳導性相對較差，因而在焊縫出容易出現如焊縫過熱、晶粒粗大等缺陷。因此保證管道焊接質量具有重要的現實意義。當管件的線性膨脹不充分時，焊接過程中的熱膨脹和冷卻收縮顯得尤為關鍵。不銹鋼管道焊接的難度較大，在焊接過程中通常需要氣體保護，導致工藝的復雜性增加。提高不銹鋼管道焊接的質量和對焊件進行質量檢測具有重要的意義。

人們對于不銹鋼管道的焊接及其質量的控制做了大量的研究，研究了奧氏體不銹鋼管道氮氣保護焊接技術，解決了空氣混入乙炔氣體危及裝置安全的問題，模擬了奧氏體不銹鋼管道焊接的熱裂紋，分析了熱裂紋的產生原因。人們采用內保護環及導氣閥裝置，減小了管道內部充氮的區域，提高了對內部焊縫的保護效果，節約了保護氣體，分析了不銹鋼管道焊接在煙墩壓氣站容易出現的變形、夾渣、氣孔等問題，并提出了相應的解決方法。此外還有大量研究人員研究了不銹鋼管道焊接的質量控制問題和缺陷控制問題。

不銹鋼管道焊接在施工中容易產生一些如未焊透、變形、氧化、夾渣、內凹、裂紋等缺陷問題。理論上，低碳不銹鋼不易發生晶間腐蝕，但當晶界富集如三氯化磷等雜質時，就可能發生晶間腐蝕。此外，在溫度敏感區域停留時間過長引起貧鉻也會導致出現晶間腐蝕。因此對焊接缺陷的檢測和分析就顯得尤為重要。通過對焊件進行檢測，保證焊件的焊接質量，對有缺陷的焊件進行缺陷的檢測，分析缺陷產生的原因，并通過焊接技術的改進和焊接工藝的優化來提高焊接質量。

焊接水平對發展能源交通、石油化工、機械工程乃至海洋科技和軍事技術方面都具有關鍵的制約作用，因此提高不銹鋼管道的焊接質量，有效控制其缺陷具有重大的戰略意義。

1、不銹鋼管道焊接的焊接質量的要點

1.1確定焊接材料

不銹鋼按合金成分不同就可分為鉻鎳不銹鋼和鉻系不銹鋼兩種類型;按照不銹鋼的顯微組織可分為馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼以及鐵素體不銹鋼等類型。因奧氏體焊接性能較好，焊接工藝性好，焊接接頭具有較高的柔韌性，因此在多數工程應用中都是采用奧氏不銹鋼。但奧氏體不銹鋼導熱性能較差，在焊接過程中容易膨脹，導致管道的變形，應該根據不銹鋼類型的不同選用不同類型的焊接方法。

1.2焊接方法的選擇

不銹鋼的焊接方法主要有三種：手工電弧焊、自動埋弧焊和氣體保護焊。如何選擇焊接方法主要根據不銹鋼的類型、焊接的操作環境與施工條件、成本等因素。不銹鋼管上涉及多門閥和多管件時，具有復雜多樣性，應采用手工電弧焊。

1.3 焊接坡口的選擇

在不銹鋼管道的焊接過程中，選用何種類型的焊接坡口要視焊縫的受力情況而定。因為管道材質本身特性的不同，在焊接過程中的物理反應和化學反應會產生不同的效果，因此母材的不同會導致坡口尺寸的不同。根據母材是否容易產生變形和裂紋等來選用正確的坡口形式。

1.4 焊接電流的選擇

焊接電流的選擇影響焊接的外觀造型。如果使用超過母材所能夠承受的焊接電流則會對其材質造成損傷，而導致焊接表面的不光滑。如果焊接電流過小，焊接速度太快，則會因為熔渣來不及浮出而在焊接表面而形成夾層，因此，在焊接過程中應該根據材料選擇合適的焊接電流。

2、焊接缺陷的檢測

由于不銹鋼的焊接應用于核電站、航空航天和交通等行業。隨著在焊接質量控制方面要求的增加，用于焊接質量控制和維修管理的無損檢測的需求迅速增加。用于焊件的無損檢測方法有多種，如超聲波檢測、X-射線檢測和磁力探傷。

渦流無損檢測是一種常用的磁力探傷方法，是一種檢測缺陷、裂紋和導電材料不連續的有效方法。渦流無損檢測是基于Faraday定律的原理。當渦流因為管件中的任一缺陷改變時，產生的磁場也隨之改變。為了進一步探測不銹鋼管件的深度缺陷時，就必須應用低頻磁場。在此理論基礎上，研究了如磁阻傳感器和超導量子干涉儀之類磁傳感器在低頻狀態下運行，用來檢測深度缺陷。

3、不銹鋼管件焊接的模擬

不銹鋼焊接過程中產生的殘余應力和缺陷對焊接關鍵的力學性能有重要影響。對焊接過程的數值模擬有利于控制焊接缺陷和提高焊接性能，提供焊接過程中的焊件任何點上的溫度、應力應變等物理數值。常用的焊接模型模擬單道次焊接工藝不能很好地提供這些數值。由于采用3D模擬技術精確模擬在焊縫的約束條件的設定方面還存在一定困難。此外，多道次焊接的模擬更為困難。采用常用的有限元方法來對管件焊接進行殘余應力與變形的三維模擬獲得對管件熱影響區的性能和應力的準確描述需要非常精細的網格。采用SYSWELD軟件能更更加真實的模擬管件焊接的過程與變形。將自適應網格技術與相適應的數據傳輸技術相結合能更好地對不銹鋼管件的多道次焊接進行3D模擬。

4、結語

（1）合理選擇焊接材料、焊接方法、焊接坡口、焊接電流來實現質量控制。

（2）通過渦流無損檢測可以方便且有效探測焊件的缺陷，將有利于提高焊接質量，控制焊接缺陷。

（3）多道次焊接三維模擬有利于控制焊接缺陷和提高焊接質量。

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