SU304/Q235B 不銹鋼復(fù)合管環(huán)焊及補焊工藝研究*

張 君， 趙紅波， 李中祥， 牛 輝，姜 帆， 李 鵬， 趙頗如

（1. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞 721008；2. 國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心， 陜西 寶雞 721008； 3. 上海寶世威石油鋼管制造有限公司，上海 200941； 4. 中國石油天然氣集團有限公司， 北京 100007）

0 前 言

SU304 不銹鋼復(fù)合管是近年來在輸水、 熱力等民用管道市場逐步獲得廣泛認可的一種經(jīng)濟型新產(chǎn)品[1]， 可有效克服熔結(jié)環(huán)氧（FBE）、 水泥砂漿內(nèi)襯及塑料襯里鋼管的諸多缺點[2-3]。 由于基層碳鋼與覆層不銹鋼采用冶金結(jié)合的方式， 不會形成空腔和長時間服役后的防腐層脫落， 適合管徑范圍大， 不需要現(xiàn)場內(nèi)補口， 覆層為不銹鋼， 非常適用城市熱力管道等高溫介質(zhì)， 是未來比較有發(fā)展前景的一種管材類型[4]。 但在實際制管過程中， 因斷弧、 燒穿及機械損傷等需要對焊縫進行補焊和修補， 同時在管道施工中需對不銹鋼復(fù)合管進行環(huán)縫焊接。 故本研究針對以上問題開展了一系列試驗研究， 為不銹鋼復(fù)合管生產(chǎn)及工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 試驗管材及其焊接性

1.1 試驗用管材

本試驗選用規(guī)格為Φ820 mm×8（6.7+1.3） mm SU304/Q235B 螺旋埋弧焊不銹鋼復(fù)合管為試驗材料， 復(fù)合管基層Q235B 和覆層SU304 的化學(xué)成分見表1。

表1 覆層和基層材料化學(xué)成分

1.2 焊接性分析

SU304 組織為奧氏體， 單相合金焊縫多邊化晶界的形成與發(fā)展易產(chǎn)生多邊化裂紋， 此外， 在焊接過程中， Ni 易與S 等非金屬元素及Pb、 Zn 等形成低熔點共晶物， 增大焊接熱裂紋傾向[5]。 其次， 焊縫流動性和潤濕性差， 電弧穿透力小且熔深較淺， 從而易產(chǎn)生未熔合與未焊透等缺陷。

SU304+Q235B 不銹鋼復(fù)合管的焊接主要特點是： 一是覆層在焊接時， 焊縫中的Ni、 Cr 等合金元素易發(fā)生稀釋， 造成腐蝕性能下降， 尤其是抗晶間腐蝕性能； 二是基層Q235B 焊接時因覆層高合金元素摻入易導(dǎo)致焊縫金屬硬化與脆化， 在應(yīng)力條件下易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋[6]； 三是由于覆層SU304 與基層Q235B 的熱導(dǎo)系數(shù)和熱膨脹系數(shù)差別較大， 焊接作業(yè)的高溫及金屬結(jié)晶冷卻收縮（尤其是較厚的基層焊縫收縮） 導(dǎo)致過渡層與基層底部焊縫拘束應(yīng)力集中[7]。

2 試驗方案及焊接工藝參數(shù)

2.1 試驗方案

本研究主要針對SU304+Q235B Φ820 mm×8（6.7+1.3） mm 不銹鋼復(fù)合管生產(chǎn)過程焊縫修補與管道施工環(huán)縫焊接工藝進行試驗研究。 具體工藝方案為： 環(huán)焊對接工藝試驗、 內(nèi)外斷弧補焊工藝試驗、 燒穿補焊工藝試驗以及不銹鋼覆層SU304 的損傷堆焊修補工藝試驗。

首先， 針對SU304 和SU304+Q235B 焊接性研究與分析， 本次焊接選用GTAW、 GMAW 及GTAW+SMAW 組合焊方法和內(nèi)外雙面焊工藝，并采用較小的焊接參數(shù)以降低熱輸入。

其次， 通過合理的焊縫接頭設(shè)計， 有效減少焊縫稀釋并改善焊縫局部拘束應(yīng)力過渡集中。 一方面， 覆層焊縫設(shè)計在保證較小焊接參數(shù)可充分融合的條件下， 盡量降低基層母材Fe、 C 的過渡； 另一方面， 基層采用多層多道焊接工藝， 且減少每層熔敷金屬厚度， 盡可能降低因焊接熱源引起的局部應(yīng)力過高現(xiàn)象。

最后， 優(yōu)化焊縫合金元素， 選用Ni、 Cr等合金成分較高的焊材， 通過焊接冶金過渡方式， 解決覆層焊縫稀釋問題[8]。 覆層選用AWS A-5.9 ER309L 不銹鋼焊絲和AWS A-5.14 ERNiCrMo-3 鎳基合金焊絲； 基層選用GB/T 5117 E5015 細晶粒鋼焊條、 AWS A-5.4 E309-16 不銹鋼焊條及AWS A-5.11 ENiCrMo-3 鎳基合金焊條。

根據(jù)焊接工藝要求和實際加工能力， 坡口設(shè)計為U 形和V 形， 環(huán)縫坡口如圖1 所示。

圖1 環(huán)縫對接坡口形式及焊接位置示意圖

由于小直徑不銹鋼復(fù)合管環(huán)焊對接難以實現(xiàn)單面焊雙面成形， 本研究增加環(huán)縫單面焊雙面成形焊接工藝， 為避免管內(nèi)通Ar 氣進行環(huán)境保護的復(fù)雜工序， 選用Ni、 Cr 成分較高且具有藥皮自保護的AWS A-5.9/ASME SFA-5.9 TGF309L 焊絲。

2.2 焊接工藝參數(shù)

針對環(huán)縫對接， 設(shè)計內(nèi)外雙面焊接和單面焊雙面成形2 種工藝， 焊接工藝參數(shù)見表2 和表3。

表2 環(huán)縫內(nèi)外雙面焊接工藝參數(shù)

表3 環(huán)縫單面焊雙面成形工藝參數(shù)

生產(chǎn)中螺旋縫內(nèi)外斷弧的補焊， 設(shè)計氣刨+SMAW 工藝， 即依次先將基層焊縫刨開后進行填充與蓋面焊， 再將覆層刨開清理補焊。 為避免基層焊縫中因合金元素過量與覆層中Fe、 C 的擴散，工藝設(shè)計要求基層氣刨深度小于基層厚度， 覆層氣刨深度則大于覆層厚度， 補焊工藝參數(shù)見表4。

表4 螺旋縫缺陷補焊工藝參數(shù)

SAW 螺旋縫燒穿補焊， 首先采用氣刨將內(nèi)外焊縫全部刨開， 清理焊渣后先進行基層焊接， 再進行覆層焊接的補焊工藝。 焊接參數(shù)見表5。

表5 螺旋縫燒穿補焊工藝參數(shù)

管內(nèi)SU304 覆層的損傷修補， 采用GTAW和SMAW 工藝方法進行堆焊修復(fù)對比， 其中GTAW 采用TGF309L 和ERNiCrMo-3 不同合金成分焊絲進行試驗研究， 焊接工藝參數(shù)見表6。

表6 管內(nèi)覆層損傷堆焊修補工藝參數(shù)

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 金相組織

焊接接頭宏觀形貌如圖2 所示。 由圖2 可知， 覆層、 基層及母材融合良好， 未發(fā)現(xiàn)微裂紋等缺陷。 U 形坡口焊接接頭、 內(nèi)外斷弧補焊接頭及燒穿補焊接頭采用內(nèi)、 外雙面焊工藝，焊縫形貌為標準高斯曲線狀， 經(jīng)測量焊縫成形系數(shù)為1.3； V 形坡口焊接采用單面焊雙面成形工藝， 為獲得良好的背面焊縫成形效果， 覆層打底焊的焊接速度較低， 焊縫熔覆量較大， 焊縫形貌呈垂直狀， 焊縫成形系數(shù)為1.0， 且覆層焊縫較易被腐蝕液 （CuSO4） 腐蝕， 宏觀照片顏色淺， 如圖2 （a）、 圖2 （b） 所示。

圖2 焊接接頭宏觀形貌

環(huán)縫接頭及燒穿補焊接頭的微觀組織如圖3所示， 由于基層均采用了ENiCrMo-3 （625） 焊材， 其Ni、 Cr 含量高（w（Ni）=58%， w（Cr）=20%），焊縫均為奧氏體（A） +網(wǎng)狀δF+碳化物的鑄態(tài)組織， 在HAZ 區(qū)可清晰看到焊縫金屬由融合線邊界形核、 長大及再結(jié)晶過程， 晶粒成長方向與融合線的切線垂直。 覆層組織是典型的奧氏體焊縫組織A+δF+碳化物[9]， 基層焊縫組織相δF 和碳化物形態(tài)為點狀或塊狀， 在HAZ 的母材側(cè)由于焊接熱源作用， 可觀察到在晶界過飽合C 化物析出的蝕刻區(qū)。

圖3 環(huán)縫及燒穿補焊接頭的顯微組織

內(nèi)外斷弧補焊焊接接頭微觀組織如圖4 所示， 基層采用普通低合金鋼焊條， 焊縫組織為PF+P， 覆層焊縫組織主要為A+δF+碳化物。

圖4 內(nèi)外斷弧補焊焊接接頭微觀組織

為進一步掌握坡口形式和錯邊量的變化對組織的影響， 本次試驗針對U 形環(huán)縫接頭、 V 形環(huán)縫接頭以及補焊接頭 （錯邊1.2 mm） 的焊縫組織進行對比分析。

U 形坡口底部平緩， 覆層焊接區(qū)基本全部為不銹鋼SU304， 同時采用TGF309L （Ni 質(zhì)量百分比為13.25%， Cr 質(zhì)量百分比為24.5%） 與合金元素較高的ENiCrMo-3 焊材， 焊接過程合金元素Ni、 Cr 過渡較多， 焊縫組織以A 為主， 同時存在點狀密排的δF+碳化物， δF 相的出現(xiàn)一方面可以打亂柱狀晶的方向性以免形成連續(xù)貧Cr 層， 另一方面， δF 有良好的供Cr 作用， 可減少A 晶粒形成貧Cr[1]， 組織形貌如圖5 所示。

圖5 U 形坡口覆層焊縫組織

V 形坡口的鈍邊兩側(cè)基本為基層Q235B，選用單面焊雙面成形用TGF309L 自保護不銹鋼焊絲， 焊接過程由于基層過量的Fe、 C 熔入，導(dǎo)致覆層焊縫合金元素被大量稀釋， 在焊縫組織中發(fā)現(xiàn)分布層狀馬氏體（M） 組織[10-12]， 其形貌如圖6 所示。 在錯邊1.2 mm 的補焊接頭中， 由于基層母材被熔覆到焊縫中的量較多， 導(dǎo)致焊縫被稀釋， 其覆層焊縫中δF 呈現(xiàn)塊狀結(jié)構(gòu)， 補焊錯邊覆層組織形貌如圖7 所示。

圖6 V 形坡口覆層焊縫組織

圖7 補焊錯邊覆層組織

3.2 力學(xué)性能

焊縫力學(xué)性能試驗結(jié)果如圖8 所示。 從圖8 （a） 可看出， 在0 ℃溫度條件， U 形環(huán)縫沖擊功范圍為34～45 J， 平均值為39 J； V 形環(huán)縫沖擊功范圍為30～37 J， 平均值為31 J； 內(nèi)外斷弧補焊沖擊功范圍為53～66 J， 平均值58 J； 燒穿補焊沖擊功范圍為45～57 J， 平均值為49 J。 由結(jié)果可以看出， V 形坡口焊縫沖擊韌性值最低，內(nèi)外斷弧補焊焊縫沖擊韌性值最高。 由圖8 （b）可知， 焊縫抗拉強度為511～556 MPa， 數(shù)據(jù)穩(wěn)定且斷口位置均在母材， 符合標準要求[13-14]。

圖8 焊縫力學(xué)性能試驗結(jié)果

經(jīng)分析可知， V 形坡口環(huán)縫對接采用單面焊雙面成形工藝， 焊縫融合比較大； 且焊縫組織中含有大量層狀M 蝕刻區(qū)； 故降低了焊縫韌性；而內(nèi)外斷弧補焊采用雙面焊工藝和強韌性較好的E5015 細晶粒鋼焊條； 焊縫組織為PF+P， 強度及韌性均較好。

3.3 耐腐蝕性能

鹽霧腐蝕試驗如圖9 所示， 分別對環(huán)縫接頭、 內(nèi)外斷弧補焊接頭、 燒穿補焊接頭及覆層損傷堆焊接頭的覆層焊縫在5%NaCl 溶液中進行鹽霧試驗[15]， 經(jīng)過96 h 腐蝕， 焊縫 （圖中紅線間的區(qū)域） 均未出現(xiàn)腐蝕銹斑。 試驗表明， 不同工藝和焊材的焊縫均具有抗NaCl 腐蝕性能。

圖9 鹽霧腐蝕試驗結(jié)果

晶間腐蝕試樣如圖10 所示， 試驗結(jié)果在沸騰硫酸銅溶液中經(jīng)過20 h 腐蝕后彎曲[16]， V 形環(huán)焊接頭和GTAW （采用TGF309L 焊絲） 堆焊試樣表面出現(xiàn)層狀裂紋， 如圖10 （b）、 圖10 （e）所示， 其余試樣表面光滑， 在10 倍放大鏡下觀察， 未發(fā)現(xiàn)微裂紋， 這表明不同坡口形式及焊材對焊縫晶間腐蝕影響較大。

圖10 晶間腐蝕試驗結(jié)果

此外， 當(dāng)補焊錯邊達到1.2 mm 時， 由于基層母材對覆層焊縫的稀釋， 在經(jīng)硫酸銅溶液腐蝕后， 在錯邊處均有不同程度的腐蝕， 彎曲后焊縫處發(fā)生啟裂和斷裂， 腐蝕試驗結(jié)果如圖11 所示。

圖11 錯邊焊縫接頭晶間腐蝕試驗結(jié)果

對腐蝕開裂試樣進行掃描電鏡（SEM） 及能譜分析， 如圖12 所示。 由圖12 可知， 啟裂部位有明顯腐蝕現(xiàn)象， 能譜分析結(jié)果顯示， 覆層焊縫中成分分布不均勻， 啟裂區(qū)焊縫成分以Fe 為主。

圖12 斷口掃描電鏡及能譜分析結(jié)果

4 結(jié) 論

（1） 對于SU304+Q235B Φ820 mm×8 （6.7+1.3） mm 不銹鋼復(fù)合管環(huán)縫焊接， 當(dāng)設(shè)計U 形坡口時， 采用GTAW+SMAW 內(nèi)外雙面焊方法并匹配TGF309L 和ERNiCrMo-3 焊材的焊接工藝，焊縫覆層組織以A 為主+點狀密排δF 和碳化物，焊縫理化性能、 鹽霧腐蝕及晶間腐蝕均達到標準要求； 當(dāng)設(shè)計V 形坡口時， 采用GTAW 單面焊雙面成形方法并匹配TGF309L 焊材的焊接工藝，覆層焊縫稀釋率較大， 組織出現(xiàn)層狀M 蝕刻區(qū)，焊縫韌性差， 晶間腐蝕出現(xiàn)開裂。

（2） SU304+Q235B Φ820 mm×8 （6.7+1.3） mm不銹鋼復(fù)合管內(nèi)外斷弧補焊和燒穿補焊采用SMAW 方法并匹配E5015+ERNiCrMo-3 焊材，同時采用SMAW 方法匹配E5015 +ERNiCrMo -3焊材的工藝， 其焊縫理化性能、 鹽霧腐蝕及晶間腐蝕均達到標準要求。 但當(dāng)焊縫錯邊接近覆層厚度時， 覆層焊縫組織中的δF 呈現(xiàn)塊狀， 焊縫抗晶間腐蝕性能變差。

（3） 管體覆層SU304 損傷修補采用GTAW和SMAW 方法并匹配ERNiCrMo-3 焊材進行堆焊， 焊縫鹽霧試驗和晶間腐蝕試驗結(jié)果均良好。