(1) 碳 C 碳是影响钢材强度的重要元素, 较高的碳含量能提高钢的强度和耐磨性, 但钢的耐腐蚀和焊接性能下降, 而且与碳化物形成元素(如 Mo) 结合, 在晶界上形成粗大的碳化物。 (2) 钛 Nb 铌在高温条件下也不被完全氧化, 高温条件下可以与硫、 氮、 碳直接化合, 不与无机酸或碱作用, 可以有效提高焊接接头的耐腐蚀性能和抗氧化性。 (3) 铬 Cr 铬可以提高钢的脆性转变温度, 随着铬含量的增加, 钢的脆性转变温度也进一步提高, 冲击值随铬含量增加而下降。 由于不平衡的加热和冷却, 晶界可能产生偏析产物, 从而增加热裂纹倾向。 (4) 锰 Mn 锰有脱硫作用, 能置换 FeS 为 MnS, 同时也能改善硫化物的分布形态,使薄膜状 FeS 改变球体分布, 从而提高焊缝的抗裂性。 (5) 硅 Si 硅能溶于铁素体, 对钢有一定的强化作用。 (6) 硫和磷 S、 P 硫使钢产生热脆, 磷使钢产生冷脆。 1. 2 坡口制备及组对 炉管坡口采用坡口机加工, 坡口型式为 YV 型坡口, 组对间隙为 2±1mm(见图 1)。 δ /3 图 1 炉管坡口组对图 2. 焊接工艺 2. 1 焊接方法 焊接方法是焊好炉管的关键, 为了防止管道在焊接时存在焊接热裂纹、 δ 相脆变,铁素体含量高等问题。 焊接时采用以下措施: 选用钨极氩弧焊打底, 背面充氩保护, 手工电弧焊填充及盖面焊。 焊后及时进行热处理的焊接工艺。 2. 2 焊接要点 (1) 打底时从两定位焊缝中间起焊, 背面通氩保护, 采用小摆动操作, 确保两侧熔合良好, 背面成型高度保证在 1-2 mm。 (2) 焊接工艺采用小线能量, 快速焊, 填充及盖面焊道采用多层多道焊, 小摆动或不摆动操作, 层间清理要彻底, 各层道之间接头应相互错开。 (3) 焊接过程中应严格控制层间温度不超过 100℃。 (4) 焊接收弧时要慢, 弧坑要填满, 防止弧坑裂纹。 (5) 手工电弧焊填充及盖面时, 应在坡口两侧各不小于 100mm 范围内的母材上涂以白垩粉, 以防止焊接飞溅损伤母材。 2. 3 钨极氩弧焊焊接工艺 钨极氩弧焊具有热能量集中、 能量密度大, 热能量容易控制的优点, 同时根部焊缝成型较好。 因此采用它作为焊接打底。 选用 H0Cr20Ni10Nb 焊丝, 它的化学成分见表 2。 表 2 H0Cr20Ni 10Nb 的化学成分(%) 焊 丝 C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu H0Cr20Ni 10Nb 0. 08 0. 06 2. 4 0. 30 0. 02 11 21. 5 0. 16 0. 18 (1) 氩气作保护气体 氩气是一种惰性气体, 它既不与金属起化学反应, 也不溶解与金属中, 另一特点是导热系数很小, 而且是单元子气体, 高温时不分解吸热, 在氩气中燃烧的电弧热量损失较少。 钨极氩弧焊氩气的纯度不应低于 99. 96%, 焊接时氩气的流量为 15L/min。 (2) 钨极 钨极耐高温, 在焊接过程中不易损耗。 若焊接电流越过许用电流, 就易使钨极端部熔化形成熔球, 则位于熔球表面上的电弧斑点易受外界因素干扰而游动,使电弧飘荡, 电弧不稳定。 钨极磨成尖部直径 0.3mm, 夹角 30~60 度的尖状, 可保证电弧稳定。 (3) 工艺特点 焊接焊丝应采用横向方位上下摆动, 焊接参数尽量选用小电流和小电压, 以控制热输入。 焊接参数见表 6。 2. 4 手工电弧焊工艺 (1) 焊条的采用 焊条采用 A137, 它的化学成分见表 3。 使用前应检验焊条是否在保质期内, 表面药皮是否圆整光滑, 无皱皮(因表面涂料压涂时处置不当造成焊条表面起皱现象)、 气泡、 开裂现象。 A137 为碱性低氢型焊条, 焊前需要烘干, 烘干温度250℃, 恒温 1h。 待用温度为 100~150℃。 表 3 A137 的化学成分(%) 焊 条 C Si Mn P S Ni Cr Mo Nb A137 0. 08 0. 90 2. 0 0. 0350. 03 10 20. 5 0. 75 1 (2) 工艺特点 为防止热裂纹, 严格控制好层间温度, 氩弧焊打底后, 待焊道冷却后进行电弧焊接, 焊接时, 焊道分多层多道焊接, 焊完一层后间歇几分钟, 待焊道冷却后进行下一层焊接, 严格的把层间温度控制在 100℃以下, 确保铁素体含量控制在 4~8%范围内。 焊接过程中焊条采用微摆动, 焊接时采用直流反接, 同时要避免焊接缺陷(气孔、 夹渣、 未焊透等) 的形成。 焊接参数(见表 4) 应尽量选用较小电流电压,以控制热输入。 表 4 焊接参数 焊接方法 焊材牌号 规格(mm)电流(A)电压(V)氩气流量(L/mi n) 电特性 GTAW H0Cr20Ni 10Nb φ 2. 5 80-90 18-19 15 直流正接 SMAW A137 φ 3. 2 90-100 31-33 直流反接 焊接时应严格按焊接工艺及参数进行, 严禁在坡口之外的母材表面引弧和试验电流, 并应防止电弧擦伤母材。 焊缝宽度以每边盖过坡口 2mm 为宜。 焊缝余高: 0~2mm。 3. 焊后检验 焊后经外观检查, 焊缝表面无气孔、 夹渣、 未焊透、 未熔合、 咬边等缺陷。 焊后经100%射线检测, 全部合格。 4. 焊后热处理 奥氏体不锈钢焊缝金属中铁素体含量关系到抗热裂性, σ 相变和热强性能。 从抗热裂性出发, 要求焊缝金属内含有一定量的铁素体, 从σ 相变和热强性能考虑, 铁素体含量过高容易引 475℃高温脆变, 铁素体含量愈低愈好。 妥善合理解决这一问题是奥氏体耐热钢焊接的核心技术。 通过合适的焊后热处理方法不但可以降低焊道铁素体含量,还能改善焊缝金属及其热影响区的组织, 降低接头各区的硬度, 提高接头的韧性、 变形能力、 接头耐腐蚀能力和高温持久强度以及消除焊接应力。 焊后热处理设备: 智能型温度程序控制箱 WCK-360-1212。 焊后热处理方法: 电加热法(绳式加热器)。 焊后热处理工艺参数见下表 5: 表 5 热处理工艺参数表 母 材 TP347测温方法: 红外线测温仪。 焊后热处理加热范围: 以焊缝中心为基准, 每侧在焊缝宽度的 3 倍以上, 且不小于25mm(见图 2), 加热应均匀。 保温宽度: 加热宽度及其以外 100mm 范围内。 图 2 焊道加热范围 热处理的加热速度、 恒温时间及冷却速度应符合下列要求: 加热升温至 400℃后, 加热速度不应大于 5000/δ ℃/h 计算, 且不大于 150℃/h; (说明: δ 表示炉管壁厚) 在恒温期间各测点的温度均应在热处理温度规定的范围内, 且温差不应大于 28℃; 规 格 热处理温度 加热速度 恒温时间 冷却速度 φ 168.3×18.26 886~914℃<150℃/h 4h 急速空冷 b3b加热范围3b 恒温结束后管内通风进行急速空冷。 热处理曲线(见图 3): 热处理时应用热处理自动记录仪记录热处理曲线。 图 3 热处理曲线图 5. 结论 热处理后对焊缝、 热影响区、 母材进行硬度及铁素体含量检测, 结果全部合格。 装置运行 1 年多来, 未出现任何质量问题, 焊接管理及焊接质量均受到业主的高度评价,该装置被中国工程建设焊接协会评为全国优秀焊接工程一等奖。 。 参考文献 [1]《焊接手册》 第 2 卷(第 2 版) 机械工业出版社 [2]《石油化工厂设备检修手册》 第二分册 中国石化出版社 [3]《机械工程材料》 第二版 机械工业出版社 [4]《焊接冶金学》 基本原理 机械工业出版社 王其志, 男, 生于 1970 年, 高级工程师, 从事安装施工及焊接管理工作, 联系电话 13070398811 150℃/h 900±14℃/h急速空冷 900℃0 h 610