尿素级不锈钢管道的焊接技术及质量控制

 

一、尿素级不锈钢简介

 

  用于尿素高压圈的奥氏体不锈钢形成了不同于常规的奥氏体不锈钢，尿素级奥氏体不锈钢材料的化学成分符合德国不锈钢材料标准中材料号1.4435(317L)1.4429(00Grl7Nil 3M02N)或美国标准AISI 316L的要求，但对Cr、Ni、Mo的最低含量另外做了限制，其目的是通过化学成分的控制使不锈钢在终极热处理后(包括焊接熔敷金属)能获得全奥氏体组织，并使铁素体的含量不超过0.6％。此外，对晶间腐蚀倾向试验(休氏试验)和选择性腐蚀提出了要求。这类不锈钢材料通常称为尿素级(Urea Grade)316L或改良型(Mod)316L，尿素级或改良型奥氏体不锈钢广泛用于尿素高压设备以及相应的管道。国外一些著名的不锈钢厂商均生产尿素级316L不锈钢，其中最有影响的是荷兰斯太米卡邦公司的316Lmod，其他有瑞典Sandvk公司的3R60uG、Avesta公司的832sKRN，日本神户制钢所的KES-UI。目前，国内生产的一些尿素级不锈钢还不能完全满足质量要求，尿素装置用尿素级不锈钢材料主要来源于进口。

 

    几种尿素级不锈钢的化学成分见下表。

二、尿素级不锈钢焊接性分析

 

  一般说来，尿素级不锈钢与其他奥氏体不锈钢一样有比较好的焊接性能，但由于焊接过程是一个在短时间内完成的复杂冶金过程，焊接接头(包括熔敷金属、熔合线及热影响区)的力学性能、金相组织及耐腐蚀性能总是难于达到母材的水平。焊缝是一个薄弱的环节，很多设备的腐蚀和损坏经常发生在焊缝四周，因此正确选用焊接材料和制订公道的焊接工艺在尿素设备制造中是一个很重要的题目。

 

    尿素级不锈钢为纯奥氏体不锈钢，纯奥氏体不锈钢在焊接时轻易产生热裂纹，这种裂纹属于结晶裂纹，发生在高温状态，常温下不再扩展。热裂纹产生的原因是由于奥氏体不锈钢导热系数小、膨胀系数大，延长了焊缝金属在高温区的停留时间，增加了焊缝在高温时经受的拉伸应变。另外，纯奥氏体焊缝的晶问往往存在低熔点的夹杂物，在凝固结晶后期以液态膜的形式存在于奥氏体晶粒之间，在一定的拉应力下开裂并扩展形成晶间裂纹，能形成低熔点夹杂物的元素有S、P等。防止纯奥氏体不锈钢焊接热裂纹产生可以采用很多措施，如进步焊缝中Mn的含量，ωMN=4％～6％时对防止热裂纹相当有效，严格限制焊缝中s、P等杂质元素含量。在焊接时进步焊接熔池的冷却速度，在工艺上采取相应措施如短弧焊、低热输进、窄焊道技术等以加快熔池冷却，对防止焊接热裂纹都是有效的。

 

    尿素级不锈钢是单相的奥氏体组织，但在钢种标准成分规定的范围内，由于成分配比和生产工艺控制过程的不同往往可能存在少量的铁素体，由于铁素体在尿素介质中轻易产生相的选择性腐蚀，尿素级不锈钢(包括焊接熔敷金属)要求铁素体含量不超过0.6％。

 

    通过以上分析可以看出，在尿素级不锈钢焊接时有两个关键控制内容：铁素体含量和焊接热裂纹。

 

 

三、尿素级不锈钢焊接技术和质量控制措施

 

  1．材料的验收、保管

 

  材料必须具有材料试验报告和合格证。

 

  管道、管道组成件逐件测定铁素体含量。检验设备采用铁素体丈量仪，铁素体含量检验前，应将被检测部位及检测探头用丙酮或酒精清洗干净，再进行检测；检测过程中，要常清洗检测探头，确保其不受铁索体的污染，以保证检测结果的正确性。铁素体含量分歧格的管道及管道组成件和焊接材料严禁投进施工。

 

    经过检验合格的原材料及焊材的保管要求设专库进行同一治理，不答应与其他材料接触。对检验合格的不锈钢材料，应作确认标记。在施工过程中应将该标记移植到零件的明显部位。使用不含金属颜料、硫化物或氯离子含量≤25mg／L的防水墨水或油漆等在不锈钢上书写标记。

 

    焊条、焊丝等焊接材料的按炉(批)号检验铁素体含量。有疑问时进行化学成分分析、铁素体含量测定、晶问腐蚀倾向试验、选择性腐蚀检查及金相检查。

 

  2．焊接方法

 

  壁厚≤8mm，采用全氩弧焊焊接；壁厚>8mm，采用氩弧焊与焊条电弧焊相结合焊接，氩弧焊打底焊接两层，其余各层采用焊条电弧焊，只能采用窄的堆焊焊缝。氩弧焊时管内充氩保护。

 

    采用氩孤焊的接头其耐蚀性比焊条电弧焊要好，由于氩弧焊焊接熔池的保护比焊条电弧焊好，焊缝质量高，同时氩弧焊的热输进低对焊缝及热影响区的敏化作用小，减小产生裂纹的可能性。

 

 3．焊接材料

    焊材的正确使用是保证尿素级超低碳不锈钢焊接质量的条件。尿素级不锈钢为单相奥氏体组织，因此必须使用纯奥氏体焊材进行焊接。一般采用25—22-2型焊接材料，可以取得比较理想的效果。

    建立严格的保管、烘下、发放和回收制度，使焊材从进库到回收均能全过程追踪。焊材领用由施焊焊_T填写焊材领用申请单，由焊接技术员审核后保管员按单发放。领用焊条时必须使用保温简，同一保温筒内不答应同时装有两种及以上的焊条，防止错用。在整个施工过程中焊材的发放与使用要处于受控状态。

 4．焊接工艺评定

  产品施焊前严格进行焊接工艺评定。焊接过程中记录所有焊接数据(例如：安培、伏特、交流、直流、极性)以及焊接材料的型号和直径、惰性气体流量(保护气和背面保护气)、焊接设备的型号、钨极直径、喷嘴内径等各项相关内容。

    评定试验进行拉伸试验、面弯试验、根弯试验、焊缝横断面的金相检查、休氏试验等。

  5．焊接职员要求

  焊接尿素级不锈钢的焊工必须具有相应的资质，且要有经验、受过良好培训，并熟悉不锈钢焊接。

  6．不锈钢焊接坡口的制备

  尿素级不锈钢管主要采用机械加工方法制备焊接坡口。厚壁管主要采用下图所示的坡口形式，这样可减小热输进和焊接变形，有利于焊缝的耐蚀性。

    加工好的坡口表面须经铁素体含量测定及渗透检测。

    坡口必须平整清洁，任何杂质(如水、锈、油污以及油漆等)都会对焊缝质量造成有害的影响。必要时采用丙酮等有机溶剂清洗。焊接过程中也要保持焊道及整个焊接区域的清洁干净，这一条对尿素级不锈钢的焊接很重要。

 7．焊接技术措施

  焊接应尽可能减小热输人，减轻焊接接头的敏化程度，从而进步耐蚀性。因此要求采用多层多道窄焊道焊接工艺，采用小热输进、短电弧、不摆动或小摆动的焊接方法。

    多层焊时，每焊完一层焊缝，必须彻底打磨清渣，打磨引弧收弧处很重要。经质量检查合格后方可进行下一层焊接。多层焊的层问接头应错开。

    严格控制层间温度，层问温度不超过100℃。层问温度可采用红外线丈量仪检测。

    8．焊接检验

    钢管直径~40mm，终极焊接后检查：外观检查、铁素体含量检查、渗透检查(对于对接焊缝采用射线检测代替渗透检测)。

    钢管直径>40ram，壁厚≤5mm的焊缝，终极焊接后应进行如下检查：外观检查、铁素体含量检查(如有可能检查管内焊缝)、渗透检测以及射线检测100％。

    钢管直径>40mm，壁厚>5mm的焊缝检查：

    (1)打底焊层和第一层填充焊接后应进行如下检查：外观检查、铁素体含量检查(如有可能检查管内焊缝)、渗透检测。

    (2)第二层填充焊后应做如下检查：外观检查、渗透检测、射线检测100％。

    (3)终极焊接后应进行如下检查：外观检查、铁素体含量检查、渗透检测以及射线检测100％。

  9．施工过程中的保护

  316L尿素级不锈钢高压管道预制最好在专用车问进行，车间内不同时进行其他钢种施工作业。预制平台用碳钢钢板制作，但必须在平台上平展上木板、石棉板或橡胶皮，其预制平台要求干净。不论是存放在预制车问还是临时堆放在施工现场的预制管段，都应在其底部平展上石棉板或橡胶皮；且预制管段应及时清扫封闭。

    施工过程中应防止胎具、工夹具、电弧以及飞溅等损伤材料表面，对影响耐腐蚀性能的损伤必须修磨，修磨深度应符合有关规定。

    施工过程中应防止水、锈、油污、油漆以及含氯离子物料等污染。焊接区域内不答应同时进行涂漆作业。

    施工过程中不答应在不锈钢件上焊接非尿素用不锈钢件。若需要焊接工艺装配用临时件、夹具等应使用同种不锈钢材料。往除临时焊接件和临时支撑时，只能使用专用不锈钢砂轮片扪‘磨铲除。清理焊缝时不答应使用普通钢丝刷，需要使用不锈钢刷清理。

四、结语

  尿素级不锈钢焊接焊接工艺要求高，焊接工艺评定、焊工培训考试、先进公道的焊接工艺及严格的过程质量控制是优良焊接质量的保证。

    实践证实：在进行尿素级不锈钢管接头焊接时，只有在以上环节加以良好控制，才能确保焊接质量，满足产品使用要求。