論提高DS高硅不銹鋼管道可焊性的方法

李飛榮，郝日爐

（1.陜西煤業化工技術研究院，陜西 西安 719000；2.華陸工程科技有限責任公司，陜西 西安 719000）

本文根據在平煤硫酸項目中的實際問題解決中摸索出來的幾種方法予以了論證和說明，很好的解決了現場安裝中出現的熱裂紋等問題。

1 DS管道焊口結晶熱裂紋傾向問題解決辦法

要理解高硅不銹鋼的熱裂紋傾向問題，先要清楚硅在合金材料中的不利影響。硅元素脫氧能力大于鐵元素，因此在高溫結晶過程中，硅元素和氧生成低熔點的硅酸鹽類，由于不銹鋼本身具有熱導率差的特性，熔池的液相線和固相線距離也大，凝固過程溫度梯度較大，使得低熔點雜質偏析嚴重，而且集中在晶界處，這就使得其在冷卻收縮過程中由于過大的拉應力使得焊縫沿晶界開裂（注意區別常規低合金鋼的氫致裂紋機理）。據此成因，現場采用如下辦法。

（1）全氬弧焊焊接。全氬弧焊工藝可以明顯提高母材的可焊性，具體操步驟如下：坡口冷加工→組對→調整對口間隙→根焊道背面密封充氬隔離→根焊道打底→層間間歇→逐層填充蓋面。其中，尤為重要的是要保證層間焊接間歇的時間，具體要根據現場環境溫度來掌控，硫酸現場一般待上層焊道空冷至60℃左右后再進行下一層的焊接，根據現場多次模擬后得出：空冷溫度在環境溫度40℃～50℃左右時最好[1]。

（2）氬氣純度控制。氬氣純度要達到99.999%，使用氬氣純度分析儀檢測。控制氬氣純度的目的為了盡可能的使用高純度的氬氣對熔池進行隔離保護，防止空氣進入熔池與熔池內的一切有益合金元素形成低熔點氧化物，燒失合金元素，從而明顯降低焊縫區域金屬的既有性能，這也從后續的焊縫力學性能檢測中能得出對應結果。因此，氬氣進場后、使用前必須進行檢測，不合格氣瓶嚴禁使用在高硅材料焊接作業中。

（3）焊接線能量控制。根據焊接線能量計算式：Q=U*I/v，針對不同焊道進行現場試焊。焊接線能量控制是高硅管材組焊的核心要素之一。因此，必須在現場開展參數最優化調整工作。

（4）多層多道焊，高硅不銹鋼焊接最大的隱患就是集中熱輸入導致母材出現重結晶過程，因此在施焊過程總既要保證熔池穩定，又要盡量減小高溫區域。所以焊縫填充焊接使用多層多道焊工藝，用小的單道焊熱輸入間斷壓接，最終覆蓋整層焊道，焊槍采用直拉形式，嚴禁橫擺。

（5）試焊。根據當地的溫度、濕度和風速條件模擬焊接。介于DS管材敏感的施焊條件及高昂的制造成本，在正式組裝施焊前一定要組織進行小批量的試焊工作。對試件進行外觀檢測后做射線檢測，分析射線底片成型優劣，對探傷合格的試件做力學性能測試，最終選出綜合性能最優的一組焊接工藝參數作為正式施焊的依據。

2 DS管道焊口根部未焊透問題研究及解決方法

根部未焊透問題是高硅管道固定口容易出現的問題之一，對高溫強酸介質運行穩定造成很大的安全隱患，因此，必須重視并杜絕此類問題。介于高硅材質特性，一般不建議進行焊口的二次動火，也就是要保證一次焊接合格。現場摸索出了幾個有效的處置辦法。

（1）剛性矯正法。測量管口的內徑，一般均勻分測8個點，組對管口內徑偏差超過壁厚1/10的，采用液壓千斤頂進行修正微調，直至合格[2]。

（2）特種送絲法。點焊焊口后，可采用如下辦法進行根焊道送絲：仰焊位置、立焊位置焊絲經熔池對側焊道間隙部位穿過管內到達熔焊部位，即由內側向外側方向實現送絲，保證根焊道背部的熔敷率。

3 DS管道焊口層間未焊透問題解決辦法

層間未焊透的主因是氬弧焊熱輸入小所致。根據現場試焊階段出現的層間未焊透問題來看，主要出現在根焊道的下一道填充工序，這層焊道尺寸較窄，容易在與坡口母材熔合過程中熔池未進行有效的熔合，此外在焊接接頭部位由于收弧不當也易引起未焊透。現場施焊過程中增加一道工序即在單根焊絲更換間隙對接頭熔敷金屬進行徹底打磨清除至光滑的坡口狀態，接續起弧部壓接上一收弧點，同時，本層焊道施焊必須采用短弧焊，要求焊工具有相當的經驗和嫻熟的焊接手法。

4 DS管道焊縫熱影響區再熱裂紋問題解決辦法

首先解決熱影響區域再熱裂紋成因，根據金屬學中焊接冶金學原理所知，熱影響區主要分為過熱粗晶區、相變重結晶區、不完全結晶區、時效催化區四個區，分別對這四個區進行組織和性能分析。要得知材料性能，先計算DS不銹鋼的碳當量，DS不銹鋼的合金元素含量百分比見表1所示。

根據碳當量計算公式：

由以上三式代入計算所得，高硅不銹鋼碳當量是1.15～1.361，由金屬學原理所知，當碳含量超過0.6時，焊接性能就變差，其淬硬傾向就增大，從而導致熱影響區出現組織脆化、析出脆化、粗晶脆化、氫脆、石墨脆化及時效脆化。以上綜合因素導致高硅熱影響區出現嚴晶間開裂并擴展的裂紋，這種裂紋是穿透性裂紋，直接造成管道泄漏等重大事故，必須予以杜絕。

表1 DS高硅不銹鋼管材合金元素分析表（%）

現場采取了以下熱影響區韌化措施：

一是焊后立即覆蓋保溫棉氈，目的是減小熱影響區的溫度梯度。二是把每層焊道的厚度控制在1mm～1.5mm左右，嚴禁超過2mm，以確保其單層熱輸入值最小。三是采用短段多層焊接熱循環方法，每層焊道長度控制在50mm～400mm之間，具體根據所焊管道吋徑來適當調整。四是一道焊口從開始根焊道填充蓋面必須按照工藝要求一次完成，最好不要間隔時間過長，當天的焊道當天必須完成，嚴禁隔夜。五是焊接高硅不銹鋼的環境溫度控制在20℃以上，當現場環境溫度低于15°時，要求配置保溫棚。六是環境風速必須控制在2m/s以下，當現場風速超標后必須采取防風棚防護，現場針對此問題專門制作了防風保溫棚，防護效果良好。

5 DS-316異種不銹鋼焊接熔合區開裂問題解決辦法

DS-316異種不銹鋼焊接采取普通工藝時，熔合區會產生嚴重的宏觀裂紋。根據舍夫勒圖所得知，異種鋼焊接時，為確保焊縫成分合理，必須做到：

（1）正確選擇超合金焊接材料；

（2）適當控制熔合比。

因此，現場采取ER80S-G+DS高硅焊絲兩種焊絲交替施焊的全氬弧焊，考慮到承插角焊縫的特點，具體操作如下：靠近316法蘭一側坡口部位用ER80S-G，靠近DS管一側部位使用DS焊絲，焊道中間則交替使用兩種焊絲焊接，我們暫且把這種施工方法稱為有效隔離層施工法。根據金屬學原理得知，想要獲得良好的焊縫金屬性能，就要盡最大可能減小馬氏體催化層的寬度，一般在Cr含量大體一致的情況下，提高Ni含量是有利的。根據兩種材質中Cr、Ni含量的比例分析，整體焊道填充金屬要以DS焊絲為主。現場施焊焊絲用量控制在DS/ER80S-G=1.5。

此外，要考慮到熱變形應力問題，因為膨脹系數不同勢必造成不同的膨脹方向。現場采用了簡單的剛性固定法，即沿圓周方向均勻臨時點焊固定4塊筋板，抵抗熱變形位移的趨向。

焊后自然冷卻后2h，對角焊縫進行滲透檢測，無宏觀裂紋。隔72小時二次檢測仍合格。

6 效果檢驗

硫酸項目高硅不銹鋼施焊過程中綜合采用了上述一系列方法，很好的控制了焊接質量，總計3000達英DS材質管道焊接量經無損檢測探傷全部合格，我們從中隨機抽取了4道口進行破壞性試驗，根據力學性能試驗及無損檢測、光譜分析判定，本項目采取的上述幾種應對工法符合現場實際需求，可以作為定型的高硅不銹鋼管道焊接作業指導技術文件并推廣使用。

7 總結

DS高硅不銹鋼管道在我國的應用目前還主要集中在硫酸、硝酸領域，當前主要面臨的還是現場焊接可焊性較差問題，我們結合現場應用技術研究和實踐，基本解決了高硅管材的焊接問題。技術人員在后續遇到同類焊接問題時亦可結合本文的幾種分析方法并結合現場實際情況制定解決策略，或者根據本文給出的解決措施進行落實，以避免此類問題的出現，對高硅管道安裝的質量、安全、成本控制起到重要的作用。但是，高硅不銹鋼管道焊接關于焊縫和熱影響區的冶金化學方面的研究本文未展開分析，例如通過Simufact.Welding模擬焊接軟件進行有限元分析、電鏡分析等研究方法來從高硅不銹鋼材料本身的改進去提高其實際使用效果。