石油化工工程不銹鋼復合鋼管的焊接

張曉亮，馮 杰，田波清，魏玉春

(中國石油天然氣第一建設公司，河南 洛陽 471023)

0 前言

不銹鋼復合鋼是一種以碳鋼或低鉻鉬合金鋼（珠光體鋼）為基體、以高合金不銹鋼為復層材料，通過堆焊、爆炸復合和熱軋復合等工藝手段將兩種金屬結合在一起的高效節(jié)能材料。基層材料承擔著管道的承壓作用，質量占鋼管總質量的大部分；復層材料是能滿足工藝管道耐腐蝕性要求的高合金不銹鋼材料，厚度通常為3 mm。不銹鋼復合鋼管主要為在碳鋼或低鉻鉬合金鋼無縫鋼管內壁堆焊高合金不銹鋼材質和不銹鋼復合鋼板通過卷制焊接而成的直縫鋼管，既具有基層材料鋼管的強度和剛度，又具有復層材料良好的耐腐蝕性能，非常適合石油化工裝置耐高溫、抗腐蝕的要求，如常減壓裝置的常壓側線柴油管道、常壓轉油線及減壓轉油線等場合，在催化裂化和延遲焦化等裝置也有廣泛的應用。

不銹鋼復合鋼作為一種新型的材料被廣泛應用于石油、化工等行業(yè)用于取代全不銹鋼。由于兩種鋼材的不同物理性能和金屬合金成分的不同，使得焊接及熱處理等工程施工中的關鍵環(huán)節(jié)與單一鋼種相比變得復雜化，特別是由不銹鋼復合鋼制成的復合鋼管的現(xiàn)場焊接施工由于其結構的特殊性使得現(xiàn)場施工增加了很多限制條件。

1 不銹鋼復合鋼組成和焊接特點分析

不銹鋼復合鋼組成形式主要有：低碳鋼+奧氏體不銹鋼、低碳鋼+馬氏體（或鐵素體）不銹鋼、低鉻鉬合金鋼+奧氏體不銹鋼及低鉻鉬合金鋼+馬氏體（或鐵素體）不銹鋼。不銹鋼復合鋼是由兩種不同的鋼材通過技術手段結合在一起，這兩種材質的物理特性往往存在很大的差別，如常減壓蒸餾裝置中的Q245R+316L、Q345R+316L復合鋼，基層為低碳鋼材質Q245R，復層為奧氏體不銹鋼316L，這兩種材質的物理性能相差很大，表現(xiàn)為：（1）奧氏體不銹鋼316L線脹系數(shù)大，且隨溫度升高而增加，比低碳鋼Q245R高大約40%；（2）奧氏體不銹鋼316L熱導率低，約為低碳鋼Q245R的1/3。

在焊接不銹鋼復合鋼過渡層時，由于熱膨脹和冷收縮速度的差異，導致過渡層出現(xiàn)熱裂紋或結晶裂紋，再加上焊接過程中基層材質對焊縫金屬的成分稀釋，非常容易導致裂紋的產生。這種特性對于基層為鉻鉬合金鋼，復層為奧氏體不銹鋼的不銹鋼復合鋼表現(xiàn)得尤為明顯。因此，要想很好地完成不銹鋼復合鋼過渡層的焊接，對于焊接材料的選?。ǜ鶕?jù)舍弗勒相圖）、焊工的資質、焊接坡口型式、及焊接工藝參數(shù)都有特定的要求。

2 焊接

2.1 焊接坡口型式、尺寸和加工

不銹鋼復合鋼管的焊接坡口原則上采用機械加工，在施工現(xiàn)場時也可采用等離子弧切割和火焰切割等方法來加工坡口，但是需要留有足夠的加工余量以備清除坡口加工面的氧化層和過熱層。從焊接工藝的角度，不銹鋼復合鋼管可以采用焊條電弧焊進行焊接，也可以采用埋弧焊結合焊條電弧焊的焊接工藝，在此介紹現(xiàn)場常采用的焊條電弧焊的焊接工藝（以復層厚度3 mm為例），其坡口制備及尺寸型式大致可分為兩種，如圖1、圖2所示，大直徑不銹鋼復合鋼管的焊縫坡口應盡可能采用X形坡口（見圖 2）。

圖1 V形坡口焊接接頭

2.2 焊接錯邊量控制

要保證不銹鋼復合鋼管焊接接頭的質量，焊件組對要嚴格控制錯邊量。管壁厚度相同的不銹鋼復合鋼管，組對應以復層為基準，錯邊量不得超過復層厚度的1/2，且不超過2 mm；管壁厚度不同（或復層厚度不同，或基層厚度不同，或兩者均不同）的不銹鋼復合鋼管，組對應以內壁平齊為原則，內壁錯邊量不超過2 mm，其余根據(jù)實際進行調整和加工。

圖2 X形坡口焊接接頭

2.3 焊工資質和焊接工藝評定

焊接不銹鋼復合鋼的焊工需要具備焊接基層和復層母材的焊工資質，焊接過渡層的焊工同時還應具有耐蝕堆焊資質。

施焊之前必須有合格的焊接工藝評定。焊接工藝評定編制前，必須明確所要選取的焊材、焊接順序、是否要求焊前預熱及焊后熱處理。對所采取的復層焊接→過渡層焊接→基層焊接的焊接順序，原則上可以理解為復層母材的焊接工藝評定與相對應的耐蝕堆焊焊接工藝評定的組合焊接工藝評定，但需要注意耐蝕堆焊焊接工藝評定的覆蓋范圍是否滿足要求。

2.4 焊接

受管徑限制，不銹鋼復合鋼管一般采取V形坡口單面焊背面自由成形的焊接工藝，采取復層焊接→過渡層焊接→基層焊接的焊接順序。

復層焊接宜采取鎢極氬弧焊，焊接時管子內壁應整體或局部充氬保護，也可采用自保焊絲（如日本油脂TGF系列焊絲）進行復層（底層）焊縫的焊接，復層焊接應根據(jù)所設計的坡口型式，焊接至距復合界面0.5~1.5 mm（以復層3 mm為例），或焊接完后打磨至坡口鈍邊部位。復層焊縫焊接材料的選取根據(jù)復層材料進行確定，復層為奧氏體不銹鋼的選用相對應的奧氏體不銹鋼焊絲，復層為馬氏體（或鐵素體）不銹鋼的可選用相對應的不銹鋼焊絲，為避免熱處理，宜選用Cr含量相當?shù)膴W氏體不銹鋼焊絲進行復層焊接。復層應采用小電流、不擺動或微擺動焊接，在確保焊道根部完全熔合的前提下盡量避免將基層母材的成分熔入到復層焊縫，否則會產生微裂紋或晶間腐蝕。

過渡層是確保在使用過程中能夠有效阻止基層中的碳向復層不銹鋼進行滲透稀釋，甚至形成硬脆馬氏體組織，導致焊縫從復層（耐蝕層）開始失效至關重要的一層焊縫，過渡層焊接在復層焊縫表面及無損檢測合格后進行，宜采用焊條電弧焊焊接工藝，焊接時選用小直徑焊條、采用較小的焊接線能量，焊接時盡量做到不擺動、多道焊接，以減少焊接過程中的成分稀釋。過渡層屬于異種鋼組織接頭，以Q245R+316L不銹鋼復合鋼為例進行分析，根據(jù)舍夫勒組織圖（見圖3）及相關資料，可用兩種方法進行焊接。

圖3 舍夫勒組織

第一種方法：采用純鐵素體焊材（圖3中Cr、Ni當量對應的d點，de線段代表采用純鐵素體焊材進行焊接不同熔合比下的焊縫金屬組織）焊接過渡層，用與基層材料匹配的焊材焊接基層，因為在不銹鋼復層焊縫上堆焊純鐵素體焊縫作過渡層，純鐵素體焊縫中混入少量的鉻鎳合金元素（小于35%）不致形成塑性較差的金屬組織（A+M+F或A+F），而在純鐵素體焊縫上熔焊基層類焊縫金屬不會產生任何問題。

第二種方法：用高鉻鎳奧氏體焊材（A042焊條，圖3中Cr、Ni當量對應的c點，ce線段代表采用A042焊條進行焊接不同熔合比下的焊縫金屬組織）焊接過渡層和基層，雖然該方法形成了異種金屬組織接頭，蠕變強度有所下降，但是只要控制基層材料熔于焊縫金屬中的比例（小于22.5%），即可獲得A+F的金屬組織。

考慮到國內尚無純鐵素體焊材產品，焊接單面V形坡口的不銹鋼復合鋼管過渡層主要采取第二種方法。

不銹鋼復合鋼管采用V形坡口單面焊接工藝時，基層部分的焊接也應選取高鉻鎳奧氏體焊材，否則會在基層與過渡層及坡口部分焊縫熔合區(qū)形成馬氏體組織，甚至出現(xiàn)微裂紋。為減小焊縫金屬熔合比，基層焊接應采用較小的焊接線能量分道焊接，盡可能地減少電弧在坡口處的停留時間。

2.5 焊前預熱和焊后熱處理

2.5.1 預熱

不銹鋼復合鋼管道在基層或復層焊前需要預熱時，預熱溫度參照相關規(guī)范中各種材質的預熱溫度，過渡層的預熱根據(jù)基層或復層材質來確定，當基層和復層都需要預熱時，按預熱溫度高的一側執(zhí)行。

2.5.2 焊后熱處理

焊后熱處理應根據(jù)材質要求和焊接工藝特點來考慮是否熱處理。不銹鋼復合鋼板焊后熱處理時，對于不同材料有不同影響，復層為奧氏體不銹鋼時，由于復層材料與基層材料熱膨脹系數(shù)差別較大，在熱處理過程中，復合界面附近產生附加殘余應力，影響復合界面結合強度或引起局部脫層。同時，不含穩(wěn)定化元素的奧氏體復層在焊后熱處理過程中，可能有鉻的碳化物析出，降低其耐腐蝕性能；鐵素體不銹鋼復層在焊后熱處理過程中，容易形成σ相，復層組織脆化，降低了復合鋼板的使用性能，因此，不銹鋼復合鋼管焊接后原則上不進行焊后熱處理，在確定焊接工藝時，應盡量避免焊后熱處理，當管道壁厚較大要求進行焊后熱處理時，應在基層焊完進行熱處理后，再進行過渡層和復層的焊接。

3 焊縫返修

不銹鋼復合鋼焊縫出現(xiàn)缺陷需要返修時，需要超聲波檢測對缺陷進行定位，缺陷位于基層部位且靠近過渡層時，宜在復層一側進行返修，返修焊材可選用過渡層焊材和復層焊材，先用過渡層焊材焊接基層部位加工過的刨槽直至復層處的厚度0.5~δ/2 mm（δ為復層厚度），且不大于2 mm，然后使用復層焊材進行焊接，并圓滑過渡到復層母材；當缺陷位置位于復層或過渡層位置，則需要將復層缺陷部位清除，并打磨至基層1~2 mm深度，然后采用過渡層焊條焊接，最后采用復層焊材焊接，并圓滑到復層母材。當缺陷位于基層位置，且距離復層表面較遠（大于等于8 mm），應在基層側進行返修，并控制刨槽深度，不得傷及過渡層焊縫，采用基層母材所對應的焊材進行施焊。對于無法在復合層側進行返修且缺陷位置位于復層或過渡層的焊縫，需要自基層開始打磨至缺陷位置，然后采用過渡層焊材將整個刨槽填滿。

4 焊接檢驗

不銹鋼復合鋼管道焊縫的檢驗主要分兩個步驟：復層焊縫的表面檢測和整條焊縫的無損檢測。復層焊縫焊接完畢，經外觀檢查合格后應根據(jù)JB/T4730.5-2005進行滲透檢測，I級合格，整條焊縫的無損檢測可根據(jù)JB/T4730.2-2005進行射線檢測，檢測比例及合格要求應符合設計和規(guī)范要求。

5 結論

在中國石油廣西石化1 000萬t/年常減壓蒸餾裝置的建設工作中，將上述技術應用于實踐中，取得了顯著的成效，管道焊接一次合格率高達98%，裝置投產運行至今相關部位未出現(xiàn)任何故障，進一步證實了施工工藝的可行性，為類似工程提供了成功的經驗。

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