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上海蓝铸特种合金材料有限公司
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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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