工业管道焊接技术

日期： 2017-03-30

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　　工业管道的安装、焊接的主要标准是GB50235—1997《工业金属管道工程施工及验收规范》。化工、石油、机械、电力等行业的碳素钢、合金钢、不锈钢、有色金属等材质的工业管道的焊接施工及验收均应按照该标准执行。　　　　一、工业管道的分级　　工业管道可按设计压力的主要参数进行分级：　　1.真空管道：设计压力 < 0 Mpa 　　2.低压管道：设计压力 > 0 Mpa；≤ 1.6 Mpa；　　3.中压管道：设计压力 > 1.6 Mpa；≤ 10 Mpa；　　4.高压管道：设计压力 > 10 Mpa。　　　　二、工业管道焊接工艺方法　　1.气焊　　气焊是工业管道焊接中使用较广的一种方法。气焊的特点是设备简单，火焰对熔池的压力及火焰能率调节比较方便，焊炬在较窄的空间内操作也较容易，焊接过程中熔池及尺寸较易控制，可进行各种位置焊接，背面容易成型，特别适用于薄壁管的焊接。在锅炉、压力容器制造中，主要焊接碳钢和低合金钢管道。气焊的缺点是生产效率低，变形大，气焊火焰对熔池保护较差，容易造成熔池金属氧化，出现气孔、夹渣等缺陷。所以焊缝质量较差，适应不了高压高强度管道的焊接。因此，在压力管道施工中，实际上已经很少应用气焊工艺，而逐步由焊条电弧焊、气体保护焊、等离子弧焊等其他熔焊方法所代替。　　2.焊条电弧焊　　焊条电弧焊是广泛应用的方法，在焊接小口径钢管单面焊双面成形中发挥着重要的作用。焊条电弧焊采用断弧法或连弧法，在管道外面焊接，使管壁内表面自由形成焊缝，达到全熔透的技术要求。焊接过程中焊工全神贯注，双目盯住“熔池”变化，耳听“响声”，及时灵活运条并注意操作手势。　　焊条电弧焊生产效率低，劳动强度高，焊接质量受焊工技术水平、环境等因素影响，焊接质量不稳定。　　3.钨极氩弧焊　　钨极氩弧焊这种方法又称TIG焊，采用钨极氩弧焊进行小口径管焊接打底，质量很好，其缺点是生产效率低，成本高。　　4.自动埋弧焊　　自动埋弧焊是焊管中的首选工艺。它可以采用较大的焊接参数，焊接电流大，熔深大，较厚件也可选用I型坡口，这种工艺的生产效率高。由于是机械操作，人员只需操作机器，劳动强度低，质量稳定，适用于大批量同一类型接头形式的焊接。自动埋弧焊的特点是只能焊接平焊、平角焊、或者焊缝的倾斜度很小。　　5.二氧化碳气体保护焊　　二氧化碳气体保护焊最大的特点是可以实现全位置焊接，非常适合焊接管道。其焊接成本只有焊条电弧焊的30%～50%，而生产效率是焊条电弧焊的2～3倍，采用陶瓷衬垫可以实现单面焊双面成型。　　各种焊接方法有优点也有缺点，取其优点，综合运用，就是复合焊接；例如，采用钨极氩弧焊打底，然后用焊条电弧焊进行填充焊及盖面焊；对于厚壁管可用钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊填充，或用自动埋弧焊填充，可取得很好的效果。　　6.等离子弧焊　　等离子弧焊是利用等离子弧作为热源进行管道焊接的一种方法。它的特点是温度高，通常可达16000～33000℃；速度高，可达300～100 m/s；能量密度大，可达480 kW/cm2，一次熔透深度大。等离子专用焊管机，对于8mm厚的管壁，可对I形坡口一次焊透，已用于电站锅炉的管道焊接。　　　　三、不锈钢管道焊接　　1.不锈钢管道焊接特点　　奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性、塑性和韧性。它的焊接性良好；不会发生任何淬火硬化；很少出现冷裂纹。由于热胀冷缩特别大，造成焊接变形大，焊缝冷却时收缩应力大，可能出现应力腐蚀破坏现象、475℃脆化、σ相析出脆化、晶间腐蚀等缺陷。　　马氏体型不锈钢，具有强烈的淬硬倾向，容易出现冷裂纹，焊接接头受热超过1150℃区域，晶粒显著长大，过快过慢的冷却速度可能引起接头脆化，具有475℃脆化倾向。　　铁素体型不锈钢不会发生淬火硬化现象。当加热高于950℃，焊缝及热影响区晶粒严重长大，无法用焊后热处理细化晶粒。容易出现475℃脆化及σ相析出脆化。600℃以上短时加热后空冷可消除475℃脆化，加热到930～980℃急冷可消除σ相析出脆化。　　2.奥氏体不锈钢管道焊接技术　　1）焊条电弧焊技术要求　　适用于焊接厚度大于3mm以上壁厚的不锈钢管道及其特点是热影响区窄，易于保证焊接质量。一般采用直流反接，窄焊道焊接。焊接过程中尽量不摆动，一次焊成的焊道宽度不大于3～4倍焊条直径，短弧焊、收弧要慢，填满弧坑。与腐蚀介质接的触焊层最后焊接。若采用多层焊，每层厚度小于3mm，层间焊渣彻底清除，一层焊接后，待冷却至室温再焊下一层；焊后可采用水冷、风冷等措施促使强制冷却，以缩短焊接区在450～850℃的停留时间。焊后宜用冷加工矫正焊接部位引燃电弧，焊接时要防止晶间腐蚀、475℃脆化、σ相析出脆化、刀状腐蚀。不能用强制拘束的办法组装，注意焊接顺序，防止接头产生较大的残余应力。　　2）自动埋弧焊技术要求　　埋弧焊保护效果较好，没有飞溅，可用大电流焊接，生产效率高，工艺稳定，焊缝成分和组织均匀，接头耐腐蚀性高。但由于焊接热输入量大，熔池大，热影响区宽，冷却速度慢，促进元素偏析、焊缝接头组织易过热，故而对热裂敏感性较大，25-20型不锈钢不适用埋弧焊。　　自动埋弧焊在压力容器及管道制造中，适用于焊不锈钢以及-40℃和-70℃低温钢等材料，特别适合焊中、厚钢板的管道。　　焊接电源极性为直流反接，要求控制母材的稀释低于40%，以便获得含4%～10%铁素体的致密焊缝，为防止烧穿，常用焊接垫（纯铜板垫）或用焊条电弧焊打底，当使用钨极氢弧焊打底时，可使单面焊的根部成型良好。　　3）钨极氩弧焊技术要点　　钨极氩弧焊适用于焊接0.5～0.3mm厚度的工件，保护效果优良。焊缝成型美观。焊接技术工艺要点：　　（1）适用于焊接厚度3mm以下的薄板结构，焊接时可不加焊丝；　　（2）可用于管子接头的打底焊。进行正面打底焊时，应选择较大坡口和较小钝边，保证焊透。　　（3）焊接电源选用直流正接、钨极采用铈钨极；　　（4）薄板焊接最大的难点是变形较大，容易烧穿，可采用脉冲钨极氩弧焊电源，以控制热输入。　　4）熔化极氩弧焊技术要点　　适用于焊接厚度大于3mm厚的工件，生产效率高。焊接厚板采用射流过渡，直流反接，焊丝直径1.2～2.4mm，混合气体98%Ar+2%O2。适用于焊接大于6.5mm的奥氏体不锈钢。焊接薄板采用短路过渡，混合气体97.5%Ar+2.5%CO2，焊丝直径0.8mm。焊接时背面焊道表面应用氩气保护，防止背面焊道表面氧化及获得良好的成型。 5）等离子弧焊技术要点　　等离子弧焊是利用高能量密度的焊接方法。温度高、能量集中、熔透深，可用I形坡口单面焊双面成形，尤其适合于焊不锈钢板对接及不锈钢管子对接。　　2.铁素体不锈钢管道焊接　　铁素体类不锈钢包括0Cr13 ，Cr17 ，Cr17Ti ，Cr25Ti ，Cr28，Cr28Ti等。　　（1）铁素体不锈钢不能热处理强化。它的力学性能、抗腐蚀性能以及焊接性能比奥氏体不锈钢差。它的优点是抗氧化性好，成本低，抗应力腐蚀开裂性能比奥氏体不锈钢好。　　（2）这类钢在加热和冷却过程中不发生相变，没有淬火硬化现象。　　（3）加热到950℃以上的部分，例如焊缝及热影响区，晶粒长大相当严重，且不能用焊后热处理办法使粗大的晶粒细化。接头韧性降低。　　（4）焊缝及热影响区在400～600℃温度区间停留，容易出现475℃脆化。焊接时，必须密切关注上述两个敏感温度区的加热和冷却速度。　　（5）600℃以上短时加热后空冷可以消除475℃脆化；加热到930～980℃急冷，可消除σ相析出脆化。　　（6）超高纯铁素体不锈钢在1100℃水淬后，与普通铁素体不锈钢不同，腐蚀率很低，不产生晶间腐蚀；在1100℃空冷，晶界上有碳、氮化合物析出，则晶间腐蚀严重；在900℃保温，析出物聚集长大并变得不连续，但没有晶间腐蚀；在600℃短时保温，晶界上有析出物，可能产生晶间腐蚀；在600℃长时保温，晶界上虽有析出物，但消除了晶间腐蚀。普通高铬铁素体不锈钢焊接热影响区，由于受到热循环高温作用，产生敏化，在强氧化性酸中产生晶间腐蚀，位置在邻近焊缝的高温区，焊后经700～850℃退火处理，使铬均匀化，可恢复其耐蚀性。　　3.马氏体类不锈钢管道焊接　　马氏体不锈钢包括：1Cr13 和2Cr13、热强马氏体不锈钢2CrWMoV、2Cr12MoV、以及超低碳复相马氏体不锈钢0.01C-13 Cr-7Ni-3Si、0.03C-12.5Cr-4Ni-0.3Ti、0.03C-12.5Cr-5.3Ni-0.3Mo等。　　马氏体不锈钢焊接特点：　　普通1Cr13钢，热强马氏体不锈钢有脆硬倾向，含碳量越高，脆性倾向越大。因此焊接马氏体不锈钢时，常见的缺陷是热影响区脆化和冷裂纹。　　（1）热影响区脆化。马氏体不锈钢具有较大的晶粒长大倾向。这与冷却速度有关。当冷却速度较小时，焊接热影响区出现粗大的铁素体和碳化合物；当冷却速度较大时，热影响区出现硬化倾向，形成粗大的马氏体。因此，焊接时必须有效地控制冷却速度。　　（2）有强烈的淬硬倾向。含碳量越高，淬硬倾向越大。由于导热性差，残余应力较大。当焊缝中含氧量较高时，会产生危险的氢致延迟裂纹。　　（3）焊接接头中受热超过1150℃的区域晶粒长大显著，过快或过慢的冷却速度均可能引起接头脆化。　　（4）马氏体不锈钢也会产生475℃脆化。　　（5）晶间腐蚀倾向较小。　　4.铁素体—奥氏体双相不锈钢管道焊接　　铁素体—奥氏体双相不锈钢具有良好的焊接性，不预热，不后热，均不会出现焊接裂纹。无Ni或低Ni双相不锈钢热影响区有单相铁素体及晶粒粗化的倾向。双相不锈钢中铁素体占的比例很大，因此也会出现475℃脆化现象。高铬双相不锈钢中将产生显著的σ相析出脆化现象。　　典型的铁素体—奥氏体双相不锈钢有：　　（1）Cr18型：18-5、18-5Nb、3RE60（瑞典）等；　　（2）Cr21型：0Cr21Ni5Ti、0Cr21Ni6Mo2Ti、SAF2205（瑞典）等；　　（3）Cr25型：00Cr25Ni5Ti、00Cr26NiMo2Ti、SUS329J1（日本）、IN44（美）、DP3（美）、ZERON（美）。　四、钛合金管道焊接　　钛对氧、氮、氢等气体有很强的亲和力，因此对焊接区必须采取良好的保护措施，以确保焊接熔池及温度超过350℃的热影响区正反面与空气隔绝。此外，焊缝背面应通氩保护。当焊缝正面已脱离喷嘴时，处在350℃以上的焊缝和热影响区表面，仍需继续保护。生产上常采用通有氩气的托罩，托罩长100～180mm，宽30～40mm，具体尺寸可按工件形状、板厚及工艺参数确定。结合管道焊接的特点，可以设计管道对接环焊缝的托罩。　　　　五、镍合金管道焊接　　镍及镍合金焊接时，由于S、Si等杂质在熔池形成Ni-NiS等低熔点共晶及脆性硅酸盐薄膜，促使焊缝产生热裂纹。以铝、钛为主要合金元素的沉淀硬化合金，若焊后的残余应力较大，在时效过程中或工件温度高于时效温度时，易产生“应变-实效”裂纹，有些耐热合金易产生热影响区显微裂纹。镍及镍合金流动性差，溶深小，不宜采用大电流焊接。

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