馬麗 馬洪偉 段英新 劉夢雨 胡衛(wèi)震 王偉

本文基于海洋石油平臺工藝管線厚壁雙相不銹鋼管線進行焊接工藝開發(fā)，用于焊接工藝評定試驗的母材為ASTM A 928 CL1 S31803，尺寸為φ323.9mm×17.48mm，試驗標準為ASME Ⅸ、ASME B31.3，試驗結果需要同時滿足上述標準以及業(yè)主規(guī)格書要求，通過合理選用焊接材料、科學控制焊接過程，所得的焊接接頭成功通過了各項無損檢測以及理化性能試驗，成功應用于項目中，并取得了良好效果。

1. 雙相不銹鋼焊接的冶金特性

雙相不銹鋼從液相凝固后都是完全的鐵素體組織，這種組織一直保留至鐵素體溶解度曲線的溫度，只有在更低的溫度下部分鐵素體才轉變成奧氏體，形成奧氏體-鐵素體雙相組織。雙相不銹鋼焊接的特點是焊接熱循環(huán)對焊接接頭組織的影響，無論焊縫或是熱影響區(qū)都會有相變化，因此，焊接的關鍵是要使焊縫金屬和熱影響區(qū)均保持有適當比例的鐵素體和奧氏體組織。

2. 母材以及焊接材料、保護氣體選擇

用于焊接工藝評定試驗的母材為ASTM A 928 CL1 S31803，標準成分范圍以及試驗用管材成分如表1所示。

為保證焊縫組織中能有適當比例的鐵素體以及奧氏體，焊縫應當用奧氏體元素（Ni、N）進行“超合金化”，焊縫中的Ni元素含量（質量分數）從5.5%~6.5%提高到7.0%~8.5%，則焊縫中的鐵素體相可以由30%左右提高到40%~60%。因此，選用牌號為SANDVIK 22.8.3.L的埋弧焊絲，標準分類號為AWS A5.9 ER2209，φ2.4mm。焊絲化學成分如表2所示。

焊接過程需采用惰性氣體對焊縫進行保護。背面保護氣體可采用純N2或Ar+N2混合氣體，正面保護氣體可采用純Ar或Ar+2%N2。本項目正、背面保護氣體均采用純度99.99%以上Ar氣。

3. 焊接工藝

（1）焊接坡口設計 采用V形坡口，根部間隙2~4mm，鈍邊尺寸1~2mm，坡口角度60°。坡口形式及尺寸如附圖所示。

坡口形式及尺寸

表1 ASTM A 928 CL1 S31803雙相不銹鋼化學成分（質量分數） （%）

表2 焊絲化學成分（質量分數） （%）

（2）焊接方法及參數 為適應厚壁、大管徑雙相不銹鋼焊接需求，選用埋弧焊為主焊接工藝，鎢極氬弧焊作為定位焊接以及封底焊接工藝。為保證焊接接頭性能的一致性，選用與埋弧焊絲同廠家、同標準、同成分，φ2.4mm焊絲。具體的焊接參數如表3所示。

4. 焊接質量控制

（1）組對與清理 采用不銹鋼絲刷、砂輪等專用工具打磨管端≥25mm范圍內的油污、銹垢等雜物，直至露出金屬光澤；用與根焊工藝相同的焊接方法及參數等進行定位焊，保證組對間隙符合預先設計的坡口形式，可以采用橋式定位焊。

（2）背面保護氣體 定位焊完成后用專用的膠帶將焊縫以及兩個管端進行封堵，在焊縫根部形成氣腔。通氬氣并監(jiān)控氬氣濃度，氧含量＜70ppm（1ppm=10-6）時開始進行焊接。由于氬氣密度比空氣密度大，因此充氣管應位于氣腔底部，排氣口應位于氣腔頂部，氬氣濃度監(jiān)測儀器的測試端也應位于氣腔頂部。在封底焊以及后續(xù)熱焊時，焊縫背面持續(xù)通氣保護，完成熱焊后停止背面充氣保護。

（3）焊接過程質量控制 為了形成比例適宜的鐵素體-奧氏體雙相組織，應嚴格控制施工過程：一方面是要避免焊后由于冷卻速度過快而在熱影響區(qū)產生過多的鐵素體；另一方面要避免因冷卻速度過慢在熱影響區(qū)形成過多粗大的晶粒和氮化鉻沉淀。由于焊材已經選定，焊縫金屬的基礎成分已經基本定型，為了控制焊縫組織，在焊接過程中需要從層間溫度、焊接參數、人員資質及操作技能等方面采取措施。

具體措施如下：

第一，嚴格控制熱輸入以及與之相關的電流、電壓、焊接速度等參數，熱輸入應控制在1.5kJ/mm以下。

第二，焊接前不需要刻意預熱，焊接過程中層間溫度應控制在150℃以下。

第三，背部保護氣體氧含量＜70ppm時方可進行焊接，在完成焊接之后可撤出背部保護氣體。

第四，焊前距離焊縫端部20mm范圍內應當清理油污、銹跡等，焊接過程中的焊渣應及時清理，避免形成夾渣等缺陷；采用不銹鋼專用的砂輪、鋼絲刷進行清理。

第五，焊接操作工（包括定位焊、焊接及返修）必須經過焊工評定并合格才能從事焊接工作。

5. 焊接接頭性能檢測

焊接質量按照ASME IX標準要求進行外觀（VI）、滲透（PT）以及射線（RT）等檢測，合格后進行多項理化性能測試，試驗標準及結果如下：①根據ASTM A370標準進行減截面拉伸、側向彎曲、夏比V形沖擊（-46℃）以及硬度測試，結果滿足標準及規(guī)格書要求。②根據ASTM E562標準進行鐵素體含量測試，測試部位包括焊縫中心、熱影響區(qū)以及母材區(qū)域，結果顯示三個區(qū)域鐵素體含量（體積分數）分別為43.11%、46.9%、44.55%，均滿足標準及規(guī)格書40%~60%的要求。③根據ASTM A923標準方法C進行腐蝕介質中的腐蝕速率測試，測試溫度22℃，時間24h，結果顯示試驗件無點蝕現象，且三件樣品的腐蝕速率均滿足標準要求，結果良好。

表3 焊接參數

6. 結語

上述工藝已經成功應用于樂東氣田項目、GORGON項目等，效率提升效果十分顯著，比按照鎢極氬弧焊預計的工期縮短了近一半，且管壁越厚管徑越大，效率提升效果越顯著。通過對人員資質、焊接過程的合理控制，焊接一次合格率達到97%以上。

[1]杜則裕.材料焊接科學基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012：315-322.