LNG用奧氏體不銹鋼氬弧對接焊縫鐵素體超標問題解決對策

范仲輝，顧艷，丁玉芳

（張家港中集圣達因低溫裝備有限公司，江蘇張家港215600）

近年來，隨著全球天然氣等清潔能源需求量的快速增加，中國對外出口LNG設備的貿易發展迅速。部分項目中，國外客戶對奧氏體不銹鋼氬弧對接焊縫（以下簡稱焊縫）鐵素體含量的超高要求，曾給項目制造帶來一定困擾。

從某種意義上說，過程控制也是事前控制的驗證及調整過程，而結果的檢查是對事前控制的復核和總結。嚴格來說，在事前控制完成后，事后質量控制的目的就是評定操作過程中的不確定因素所產生影響和造成偏差的數據是否在允許范圍內。關于焊接工藝參數對焊縫金屬鐵素體數的影響，國內學者已開展了一些工作。王恒等采用鐵素體測試儀、Schaeffler圖及WRC-1992圖三種測試方法，研究了不同焊接工藝參數對E309L藥芯焊絲焊縫金屬鐵素體數(Ferrite Number,FN)的影響。劉飛等對核電廠穩壓器用不銹鋼焊條E308L在開展復驗時出現的鐵素體含量超標問題進行了原因分析，并制訂相應的處理和預防措施。

本文以出口歐洲的LNG加氣站全套設備項目為例，從焊接前控制的角度進行分析和論述。項目中，客戶對焊縫鐵素體含量原來要求是4%～9%，但從第二套設備開始，客戶臨時把要求提高至FN 3～8，導致制造過程中，產品焊縫鐵素體超標問題突出，造成大量返修，這對產品質量及生產進度產生較大影響。

本文所述鐵素體值均由鐵素體測試儀測量得到。本文描述并分析了焊縫鐵素體超標問題，論述了解決對策，但未列出焊接電流、電壓、保護氣體、化學成分、道間溫度等詳細焊接條件。

1 問題描述

客戶臨時提高焊縫鐵素體含量要求后，焊縫鐵素體含量不穩定且檢測一次合格率逐步下降，10月份一次合格率為76.3%，見圖1。

圖1 焊縫鐵素體檢測一次合格率趨勢圖

2 對策分析

根據圖2 WRC-1992圖，決定焊縫組織內鐵素體含量的重要因素是焊縫組織中的鉻當量Cr與鎳當量Ni的比值，即焊材本身的化學成份。在選定焊材后，根據其焊縫組織FA凝固模式、焊縫的冷卻速度最終決定了焊縫中的鐵素體含量。焊縫的冷卻速度與焊件的規格、焊接環境、預熱及層間溫度、焊接電流、焊接速度以及焊工技能息息相關。

圖2 WRC-1992圖

3 對策

從焊接前控制的角度，以全面質量管理理論——人機料法環的五個方面分析對策。

3.1 料——優化材料

3.1.1 焊材

當前，《ER308L的氬弧焊絲采購技術要求》中對其鐵素體含量的要求為FN 3～8。實際到貨的部分批次焊材鐵素體含量偏上限，接近FN 7，使用焊接后出現焊縫鐵素體超標。

對策：更改《ER308L的氬弧焊絲采購技術要求》，對其鐵素體含量要求由原來的FN 3～8提高為FN 4～6。

3.1.2 耗材

當前，焊縫清理使用的不銹鋼絲刷實際為201鐵素體不銹鋼材質，經PMI和FN檢測，Cr、Ni含量較低，FN含量極高，使用清理焊接后的焊縫表面，可能會對焊縫及母材造成污染。

對策：定制304材料的不銹鋼絲刷，替代原201材料的不銹鋼絲刷。

3.1.3 對策效果

焊縫鐵素體平均值下降明顯，焊縫鐵素體檢測一次合格率上升到95.02%，見圖3。

圖3 焊縫鐵素體檢測一次合格率趨勢圖

3.2 人——焊工技能培養

（1）當前，根據試驗，在同樣的焊接工藝參數、焊材、母材的條件下，持證焊工的實際施焊手法有較大差別，個別焊工的試樣焊縫鐵素體超差明顯，有個別點甚至低于FN 3。

對策：對焊縫焊后鐵素體超差的焊工，由焊接工程師現場輔導培訓，并且安排有經驗的老師傅以“幫”“帶”形式傳授實際操作經驗。

（2）對策效果

通過指導、培訓及實踐，原本焊縫鐵素體超差的焊工焊接水平有較高提升，測得他們焊接的產品焊縫鐵素體含量較為穩定，平均值維持在FN 4～7之間。焊縫鐵素體檢測一次合格率上升至98.69%，見圖4。

圖4 焊縫鐵素體檢測一次合格率趨勢圖

3.3 環——過程防護改善

（1）當前，個別焊縫仍有局部鐵素體超標的情況，但通過焊縫表面打磨可以降低鐵素體含量。經分析，車間現場環境鐵離子污染嚴重，過程防護不及時造成焊縫表面污染。

對策：編寫《清洗防護作業要領書》，在制造過程中對不銹鋼焊接零部件及時使用塑料薄膜進行覆蓋，防止鐵離子污染。

（2）對策效果

通過編寫《清洗防護作業要領書》，對工人定期宣貫，焊縫表面鐵素體污染情況有所好轉。

3.4 法——細化檢驗程序

（1）當前，沒有針對焊縫鐵素體檢測的專用程序文件，沒有權威的法規支撐，且沒有與客戶達成共識，制造廠家、第三方檢測機構、客戶各自解讀，對實際測量的結果存在分歧，造成過度、重復檢驗。制造廠家的檢測點為每條焊縫4～6個點，記錄平均值。客戶方工程師對每條焊縫檢測近幾十甚至上百個點，有一個超標就認為不合格。

對策：通過研究并引用ISO 8249，GB/T 1954等法規、標準，編制《奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體檢測程序》，詳細規定鐵素體的檢測方法、檢測點數量、檢測時機、評判標準，并報客戶審批達成統一意見，規避過度檢測。

（2）對策效果

焊縫鐵素體檢測一次合格率上升。

4 效果量化

焊縫鐵素體一次合格率從10月底的76.3%，上升到目前的98.69%，解決對策成果明顯。

在此過程中，優化更新了《ER308L的氬弧焊絲采購技術要求》，新形成了《清洗防護作業要領書》《奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體檢測程序》。

5 結束語

從焊接前控制的角度，以全面質量管理理論——人機料法環的五個方面，針對LNG用奧氏體不銹鋼氬弧對接焊縫鐵素體超標問題，進行分析并形成對策，在此過程中優化并且新形成了一些過程控制文件。按照這個思路和方法，在項目實踐中，對不良結果產生前的各項環節、條件及檢測程序進行分析和查驗，最大程度減小不確定性，從而保證項目產品質量。