羅曉軍，宋滿堂

中國(guó)石油蘭州石化公司，甘肅蘭州 730060

1 工程概況

蘭州石化分公司第二套硫磺回收裝置環(huán)保達(dá)標(biāo)升級(jí)改造項(xiàng)目3×104t/a 硫磺回收裝置的煙氣管道材質(zhì)為316L，規(guī)格為D 630 mm × 10 mm。在煙氣管道焊接過(guò)程中，由于不銹鋼管道中存在Cr 元素，易與氧氣結(jié)合發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致Cr 元素?zé)龘p嚴(yán)重，影響焊縫晶間腐蝕性能，因此根焊時(shí)需對(duì)焊縫背面進(jìn)行保護(hù)。對(duì)于316L 根焊常用的焊接方法有手工電弧焊、TIG 焊、氣體保護(hù)焊三種，對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 焊接方法對(duì)比

采用手工電弧焊時(shí)，背面需要清根，對(duì)于不銹鋼在碳弧氣刨時(shí)存在滲碳的風(fēng)險(xiǎn)，一般采用角磨機(jī)打磨或者等離子氣刨，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。采用實(shí)芯焊絲TIG 焊時(shí)，由于管徑較大，焊接效率低，焊縫背面需要制作保護(hù)罩等工裝進(jìn)行充氬保護(hù)，一般不建議采用TIG 焊。采用藥芯焊絲氣保護(hù)焊具有背面無(wú)需充氬保護(hù)的優(yōu)勢(shì)，因此決定采用藥芯焊絲氣保護(hù)焊進(jìn)行根焊。首道焊縫焊接完成后，發(fā)現(xiàn)焊縫背面局部氧化嚴(yán)重，見(jiàn)圖1。利用該批次剩余焊絲重新焊接，仍然出現(xiàn)這種問(wèn)題。經(jīng)分析，認(rèn)為是藥芯焊絲內(nèi)藥粉不均勻?qū)е戮植亢缚p背面焊接時(shí)保護(hù)不夠。由于現(xiàn)場(chǎng)工期緊張，無(wú)備用焊材，因此決定采用其他焊接方式。

圖1 焊縫背面局部氧化

查閱相關(guān)資料[1]，薄壁不銹鋼容器中采用雙面同步氬弧焊取得了良好的效果。雙面同步氬弧焊即用兩把焊槍同時(shí)對(duì)焊縫正反兩面進(jìn)行TIG 焊接，本文稱之為對(duì)頂TIG 焊。此焊接工藝具有TIG 焊成熟、穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，又免去單面TIG 焊時(shí)背面單獨(dú)充氬的工序，焊接完畢后也無(wú)需清根。大口徑不銹鋼管道與薄壁不銹鋼容器類似，因此，決定采用對(duì)頂TIG焊進(jìn)行根焊。

2 焊接工藝參數(shù)的確定

對(duì)頂TIG 焊接方式較為特殊，需要兩把焊槍同時(shí)施焊，與傳統(tǒng)TIG 焊有很大區(qū)別，公司制定的工藝評(píng)定已不能適用，而很多學(xué)者對(duì)對(duì)頂TIG 焊的研究主要集中在熔池的熔透機(jī)制、力學(xué)行為、熱量傳輸、特種材質(zhì)等問(wèn)題，不適用于該現(xiàn)場(chǎng)，沒(méi)有可供參考的焊接工藝參數(shù)。因此需進(jìn)行試驗(yàn)，確定適合該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)工藝管道的焊接工藝參數(shù)。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1.1 焊接設(shè)備

焊接設(shè)備采用兩臺(tái)米勒250DX 多功能焊機(jī)。焊接采用對(duì)頂TIG焊，由兩名焊工操作同時(shí)施焊。

2.1.2 焊接母材

試驗(yàn)采用316L 板材，材質(zhì)與現(xiàn)場(chǎng)一致。板材規(guī)格為1 000 mm × 500 mm，厚度為10 mm，采用單V 型坡口，由于對(duì)頂TIG 焊熔深大，所以坡口應(yīng)設(shè)1～2 mm 鈍邊，試件如圖2 所示，化學(xué)成分及強(qiáng)度見(jiàn)表2。焊前將試件坡口及坡口兩側(cè)30 mm 內(nèi)要清理干凈，坡口型式見(jiàn)圖3。

圖2 焊接試件

圖3 焊縫坡口/mm

表2 316L試件的化學(xué)成分及強(qiáng)度

2.1.3 焊絲

焊絲采用ER316L(H03Cr19Ni12Mo2Si)，直徑為2.0 mm，鎢極采用Φ2.4 mm 鈰鎢極。保護(hù)氣體為高純氬氣，純度應(yīng)≥99.99%，含水量不應(yīng)大于50 mg/m3。ER316L 焊絲的化學(xué)成分（見(jiàn)表3）和母材基本匹配，抗拉強(qiáng)度為615 MPa。

表3 ER316L焊絲化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

2.2 焊槍位置

雙面焊TIG 一般有兩種焊接方式，一種是兩把焊槍鎢極正對(duì)，即本文研究的對(duì)頂TIG 焊，如圖4所示。一種是兩把焊槍錯(cuò)位，即兩把焊槍鎢極錯(cuò)開(kāi)一定位置，如圖5所示。

圖4 對(duì)頂TIG焊焊槍正對(duì)

圖5 對(duì)頂TIG焊焊槍錯(cuò)位

對(duì)于不銹鋼的焊接，由于雙弧錯(cuò)位會(huì)使背面保護(hù)氣不足，焊縫容易被氧化。且錯(cuò)位時(shí)熱量不均勻，使焊接接頭冷卻后，焊縫中殘余應(yīng)力較大，導(dǎo)熱焊縫變形大。對(duì)頂TIG 焊由于雙槍對(duì)頂，形成公共熔池，焊接熱量利用率高，公共熔池兩側(cè)都受到氣體保護(hù)，焊縫成型好，且焊縫兩側(cè)同時(shí)受熱，冷卻后熱應(yīng)力互相抵消，因此焊接變形較小。此次只針對(duì)正對(duì)對(duì)頂TIG焊進(jìn)行研究。

2.3 焊接位置

適合對(duì)頂TIG 焊的焊接位置為立焊與橫焊。對(duì)于橫焊，由于焊接時(shí)熔池受重力影響向下偏移，容易出現(xiàn)焊瘤，焊縫偏心等影響，而立焊較易控制，成型較好，因此選擇立焊。

2.4 兩側(cè)電流匹配性

為保持公共熔池穩(wěn)定，兩側(cè)焊接電流應(yīng)基本保持一致，如果兩側(cè)電流值相差太大，就會(huì)使熔池形態(tài)不規(guī)則，電流大的一側(cè)融化的金屬多，填充的熔敷金屬多，電流小的一側(cè)融化的金屬少，填充的熔敷金屬少，導(dǎo)致焊縫兩側(cè)受力不均勻，形成焊縫不均勻，可能影響焊縫的力學(xué)性能。同時(shí)，焊接工藝參數(shù)相差過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)電弧能量不對(duì)等，形成強(qiáng)烈的相互“沖擊”，致使保護(hù)氣產(chǎn)生紊流，保護(hù)效果變差，造成氣孔、咬邊等缺陷，因此，兩側(cè)電流應(yīng)基本一致。

2.5 焊接工藝參數(shù)試驗(yàn)

對(duì)于對(duì)頂TIG 焊，當(dāng)電流過(guò)小時(shí)容易造成未熔合、未焊透等缺陷，當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，公共熔池反應(yīng)激烈，焊縫成型差，易造成咬邊、焊穿的缺陷。參考單面TIG工藝，該工藝評(píng)定最大線能量為19.6 kJ/cm，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[2]，兩面同時(shí)焊接時(shí)熱量小于兩個(gè)焊槍分別焊接的熱量疊加，因此，只要保證兩側(cè)線能量疊加值小于工評(píng)上限即可。

為了防止焊接熱裂紋的發(fā)生和熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大及碳化物析出，確保焊接接頭塑韌性與耐蝕性，應(yīng)避免層間溫度超過(guò)100 ℃，在焊接過(guò)程中，應(yīng)使用測(cè)溫槍全程測(cè)溫，測(cè)溫點(diǎn)距焊縫中心50 mm處對(duì)稱測(cè)量。

參考單面TIG 焊時(shí)的工藝，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)電流采用80～85 A 時(shí)，易于焊接，小于此電流焊絲融化性不好，高于此電流熔池就會(huì)塌陷，最終工藝參數(shù)見(jiàn)表4。按照此工藝參數(shù)，單側(cè)最大線能量為9.35 kJ/cm，兩側(cè)疊加值為18.7 kJ/cm，小于工評(píng)上限19.6 kJ/cm，施焊過(guò)程中層間溫度也可控制在100 ℃以下，但是仍需對(duì)焊縫進(jìn)行焊后檢測(cè)，以驗(yàn)證工藝參數(shù)的合理性。

表4 最終焊接工藝參數(shù)

2.6 無(wú)損檢測(cè)

根據(jù)NB/T 47014—2011[4]對(duì)焊縫進(jìn)行RT 檢測(cè)，要求為Ⅱ級(jí)合格，最終探傷合格率100%。

2.7 力學(xué)性能試驗(yàn)

按照NB/T 47016—2011 承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能試驗(yàn)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)及硬度測(cè)量。彎曲試驗(yàn)采用彎心直徑D=4倍試件厚度，彎曲角度α=180°進(jìn)行面背彎，試件無(wú)裂紋，彎曲試驗(yàn)合格。拉伸和硬度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5～表6。從表5 可以看出，抗拉強(qiáng)度大于485 MPa，拉伸試驗(yàn)合格。從表6可以看出，焊縫、熱影響區(qū)、母材的硬度均小于187 HB，硬度試驗(yàn)合格，說(shuō)明焊縫韌性較好，焊接線能量控制得當(dāng)。

表5 室溫拉伸試驗(yàn)

表6 不同位置的硬度 單位：HB

2.8 焊縫化學(xué)成分分析及晶間腐蝕

對(duì)焊縫化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表7，焊縫中的Cr、Ni 含量與母材基本一致，說(shuō)明焊縫背面保護(hù)良好，Cr、Ni 元素沒(méi)有燒損。C 含量無(wú)增加，焊縫晶間腐蝕試驗(yàn)合格。

表7 焊縫化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

3 工程應(yīng)用

不銹鋼對(duì)頂TIG 根焊技術(shù)在蘭州石化分公司第二套硫磺回收裝置環(huán)保達(dá)標(biāo)升級(jí)改造項(xiàng)目煙氣管道焊接中進(jìn)行應(yīng)用，施焊前仔細(xì)打磨坡口，從5點(diǎn)鐘位置開(kāi)始焊接，焊接到2點(diǎn)鐘位置停止，然后再焊接下一段。管道外側(cè)的焊槍為主焊槍，內(nèi)側(cè)焊槍為輔焊槍。焊接主焊槍先起弧，輔焊槍及時(shí)跟上，焊接中主輔兩焊槍要基本同步，以形成公共熔池，切忌輔焊槍超前。焊接期間如需暫停施焊，可以敲擊筒壁為信號(hào)及時(shí)通知對(duì)方。

焊接完成后焊縫如圖6 所示，焊縫內(nèi)、外表面成型較好，寬度均勻，波紋均勻、細(xì)密，余高均勻一致，成型美觀。未出現(xiàn)咬邊、焊瘤等缺陷，焊縫背面沒(méi)有氧化現(xiàn)象，保護(hù)較好，焊縫變形小。能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)工期緊、質(zhì)量要求高的要求。

圖6 焊縫成型

3.1 焊后檢驗(yàn)

焊接完后，焊縫經(jīng)外觀檢驗(yàn)合格；并進(jìn)行10%RT 射線探傷，按照NB/T 47013.2—2015 相關(guān)要求評(píng)定，全部達(dá)到Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 效率對(duì)比

為了驗(yàn)證對(duì)頂TIG 焊的效率，在現(xiàn)場(chǎng)取3 條焊縫分別采用對(duì)頂TIG 焊、手工電弧焊打底然后清根再焊接、藥芯焊絲氣保護(hù)焊并進(jìn)行效率對(duì)比，從管段的1 點(diǎn)鐘位置焊接至5 點(diǎn)鐘位置，長(zhǎng)度約0.5 m，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表8?？梢钥闯?，雖然對(duì)頂TIG 焊增加了一名焊工，但是大幅節(jié)約了時(shí)間；同時(shí)熔敷金屬厚度相較于藥芯焊絲氣保護(hù)焊也有所增加，因此在總工時(shí)方面仍然具有優(yōu)勢(shì)。

表8 不同焊接方法效率對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)頂TIG 根焊技術(shù)在大口徑不銹鋼管道根焊中的成功運(yùn)用，有效減少了施工工序，提高了焊縫質(zhì)量和勞動(dòng)效率，同時(shí)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，在不銹鋼壓力容器的焊接中具有推廣應(yīng)用價(jià)值。