厚壁不銹鋼管道焊接變形分析及控制方法

鄭學(xué)慶

（大慶油田第一采油廠，黑龍江大慶 163514）

0 引言

隨著當(dāng)前油田開(kāi)開(kāi)采油氣中二氧化硫、硫化氫等含量的不斷增加，在進(jìn)行高壓天然氣管道輸送過(guò)程中厚壁不銹鋼材質(zhì)管道取代傳統(tǒng)碳鋼管道已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，應(yīng)用厚壁不銹鋼管道也全面提升了天然氣輸送管道耐腐蝕能力。但是不銹鋼材料本身具有較高的熔點(diǎn)，熱膨脹系數(shù)也較高，其自身的熱影響區(qū)域非常大，導(dǎo)致在實(shí)際焊接施工過(guò)程中非常容易出現(xiàn)焊接變形或者是應(yīng)力集中等現(xiàn)象。

焊接變形是焊接施工過(guò)程中非常普遍的一種焊接質(zhì)量通病，厚壁不銹鋼管道在實(shí)際進(jìn)行焊接施工過(guò)程中由于其本身導(dǎo)熱較慢，而且焊接施工過(guò)程中的變形系數(shù)較高，熔池填充量非常大，因此很難實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接施工過(guò)程中焊接變形的有效控制。

1 焊接變形原因分析

1.1 熱膨脹系數(shù)高

與普通的低碳鋼相比較，奧氏體不銹鋼熱膨脹系數(shù)要高1.5倍左右，在焊接施工過(guò)程中不銹鋼材質(zhì)會(huì)受到熱膨脹系數(shù)的嚴(yán)重影響，非常容易出現(xiàn)變形現(xiàn)象。

1.2 熱影響區(qū)大

在不銹鋼材質(zhì)中銘元素的含量超過(guò)了13%，而這種元素實(shí)際的熔點(diǎn)能夠達(dá)到1855。不銹鋼管道在實(shí)際焊接施工過(guò)程中必須要保證焊接電流更大，同時(shí)還要讓熔池的溫度更高。在針對(duì)厚壁不銹鋼管道進(jìn)行焊接施工過(guò)程中熔池以及填充量都非常大，而且實(shí)際施工過(guò)程中焊接成數(shù)都基本超過(guò)3 層，這使得焊接過(guò)程中的變形量非常大[1]。

1.3 焊接應(yīng)力產(chǎn)生

在高溫的影響下，會(huì)導(dǎo)致焊縫融合區(qū)快速融化，在這種情況下，周圍溫度較低的區(qū)域會(huì)對(duì)整個(gè)融合區(qū)產(chǎn)生一定的約束作用，從而使得進(jìn)一步產(chǎn)生應(yīng)力。完成焊接施工后融合區(qū)材料在冷卻收縮的過(guò)程中與溫度常處在不均勻的狀態(tài)下，加之周邊區(qū)域的影響，導(dǎo)致其在實(shí)際產(chǎn)生的收縮變形呈現(xiàn)出不均勻狀態(tài)，焊接區(qū)域以及周邊區(qū)域就會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在產(chǎn)生應(yīng)力之后，不僅會(huì)導(dǎo)致焊接過(guò)程中產(chǎn)生嚴(yán)重變形，而且也會(huì)對(duì)焊接母材的局部耐腐蝕以及物理性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

2 焊接變形控制措施

（1）通過(guò)提前進(jìn)行預(yù)熱能夠有效控制焊接施工過(guò)程中熱膨脹系數(shù)的影響。通過(guò)針對(duì)熱膨脹系數(shù)對(duì)奧氏體的影響進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在溫度不斷提升的情況下，熱膨脹系數(shù)對(duì)其產(chǎn)生的影響也會(huì)逐步增加，但是當(dāng)溫度達(dá)到一定的臨界值之后，熱膨脹系數(shù)對(duì)其影響速度會(huì)逐步趨于平緩。充分利用這一特征，可以針對(duì)焊接施工前的母材進(jìn)行提前預(yù)熱處理，讓其溫度達(dá)到150，這樣就可以使焊接母材的熱膨脹量得到提前釋放，從而將熱膨脹系數(shù)對(duì)焊接變形的影響控制在最低。

（2）機(jī)械加工坡口。針對(duì)不銹鋼管材通常情況下會(huì)使用手工等離子切割磨光機(jī)來(lái)進(jìn)行坡口加工或切割，但是這種方法在施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)掌握難度較大。充分利用機(jī)械切割的方式，不僅能夠進(jìn)一步提升加工速度，而且現(xiàn)場(chǎng)操作也非常方便，能夠有效提升加工的標(biāo)準(zhǔn)化程度。在充分保證焊口加工標(biāo)準(zhǔn)程度的前提下，能夠?qū)附邮┕ば纬纱龠M(jìn)作用，而且也能夠保證焊接施工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)熱影響區(qū)的均勻分布[2]。

（3）合理控制焊接熱影響區(qū)。在實(shí)際針對(duì)厚壁不銹鋼管道進(jìn)行施工作業(yè)的過(guò)程，首先必須要充分利用多點(diǎn)定位對(duì)稱施焊方法，對(duì)直徑約80 mm 的不銹鋼管道進(jìn)行焊接的過(guò)程中，可以充分利用兩點(diǎn)定位方法進(jìn)行，對(duì)直徑80～200 mm 的不銹鋼管道可以利用三點(diǎn)定位組織方法，直徑超過(guò)200 mm 的可以利用4 點(diǎn)定位組隊(duì)方法。在整個(gè)焊接施工過(guò)程中必須保證采取對(duì)稱焊接方法，這樣才能有效抵消熱影響區(qū)對(duì)焊接變形的影響。其次，還必須要針對(duì)層間溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，針對(duì)不同焊接層類要合理地應(yīng)用間斷焊接的方法，保證再實(shí)施下一步焊接施工之前，必須要將坡口內(nèi)的溫度嚴(yán)格控制在200～600，這樣才能將厚壁不銹鋼管道焊接施工過(guò)程中焊接熱影響區(qū)對(duì)焊接變形的影響控制在最低[3]。

（4）利用熱處理有效消除焊接施工后的焊接應(yīng)力。在對(duì)不銹鋼進(jìn)行熱處理的過(guò)程中通常采取的是退火或者是固溶熱處理方法。針對(duì)不銹鋼進(jìn)行固溶熱處理之后，能夠全面提升及耐腐蝕性能。在不銹鋼管道焊接施工現(xiàn)場(chǎng)，通常會(huì)使用退火熱處理方法來(lái)消除焊接施工后所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力變形，在具體處理過(guò)程中，應(yīng)該將溫度嚴(yán)格控制在600左右并保持約10 min，再進(jìn)行緩慢冷卻。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，厚壁不銹鋼管道由于本身的壁厚相對(duì)比較大，在具體的焊接施工過(guò)程中非常容易產(chǎn)生焊接變形，而且完成焊接施工后變形矯正難度非常大。焊接變形會(huì)對(duì)厚壁不銹鋼管道耐腐蝕性能以及安裝誤差等都會(huì)形成巨大影響，因此在實(shí)際的施工作業(yè)過(guò)程中，可以充分利用提前預(yù)熱、合理焊接組對(duì)、調(diào)整焊接順序等方法來(lái)最大限度地消除焊接應(yīng)力，將焊接變形控制在最小程度。在實(shí)際施工過(guò)程中，必須要由焊接施工技術(shù)人員做好數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，并制定出合理焊接施工計(jì)劃，這樣才能進(jìn)一步提升焊接質(zhì)量。