工業(yè)管道焊接技術(shù)

日期： 2017-03-30

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　　工業(yè)管道的安裝、焊接的主要標(biāo)準(zhǔn)是GB50235—1997《工業(yè)金屬管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》。化工、石油、機(jī)械、電力等行業(yè)的碳素鋼、合金鋼、不銹鋼、有色金屬等材質(zhì)的工業(yè)管道的焊接施工及驗(yàn)收均應(yīng)按照該標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。　　　　一、工業(yè)管道的分級(jí) 　　工業(yè)管道可按設(shè)計(jì)壓力的主要參數(shù)進(jìn)行分級(jí)：　　1.真空管道：設(shè)計(jì)壓力 < 0 Mpa 　　2.低壓管道：設(shè)計(jì)壓力 > 0 Mpa；≤ 1.6 Mpa；　　3.中壓管道：設(shè)計(jì)壓力 > 1.6 Mpa；≤ 10 Mpa；　　4.高壓管道：設(shè)計(jì)壓力 > 10 Mpa。　　　　二、工業(yè)管道焊接工藝方法　　1.氣焊　　氣焊是工業(yè)管道焊接中使用較廣的一種方法。氣焊的特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，火焰對(duì)熔池的壓力及火焰能率調(diào)節(jié)比較方便，焊炬在較窄的空間內(nèi)操作也較容易，焊接過程中熔池及尺寸較易控制，可進(jìn)行各種位置焊接，背面容易成型，特別適用于薄壁管的焊接。在鍋爐、壓力容器制造中，主要焊接碳鋼和低合金鋼管道。氣焊的缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低，變形大，氣焊火焰對(duì)熔池保護(hù)較差，容易造成熔池金屬氧化，出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷。所以焊縫質(zhì)量較差，適應(yīng)不了高壓高強(qiáng)度管道的焊接。因此，在壓力管道施工中，實(shí)際上已經(jīng)很少應(yīng)用氣焊工藝，而逐步由焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊、等離子弧焊等其他熔焊方法所代替。　　2.焊條電弧焊　　焊條電弧焊是廣泛應(yīng)用的方法，在焊接小口徑鋼管單面焊雙面成形中發(fā)揮著重要的作用。焊條電弧焊采用斷弧法或連弧法，在管道外面焊接，使管壁內(nèi)表面自由形成焊縫，達(dá)到全熔透的技術(shù)要求。焊接過程中焊工全神貫注，雙目盯住“熔池”變化，耳聽“響聲”，及時(shí)靈活運(yùn)條并注意操作手勢(shì)。　　焊條電弧焊生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度高，焊接質(zhì)量受焊工技術(shù)水平、環(huán)境等因素影響，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。　　3.鎢極氬弧焊　　鎢極氬弧焊這種方法又稱TIG焊，采用鎢極氬弧焊進(jìn)行小口徑管焊接打底，質(zhì)量很好，其缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低，成本高。　　4.自動(dòng)埋弧焊　　自動(dòng)埋弧焊是焊管中的首選工藝。它可以采用較大的焊接參數(shù)，焊接電流大，熔深大，較厚件也可選用I型坡口，這種工藝的生產(chǎn)效率高。由于是機(jī)械操作，人員只需操作機(jī)器，勞動(dòng)強(qiáng)度低，質(zhì)量穩(wěn)定，適用于大批量同一類型接頭形式的焊接。自動(dòng)埋弧焊的特點(diǎn)是只能焊接平焊、平角焊、或者焊縫的傾斜度很小。　　5.二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊　　二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊最大的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)全位置焊接，非常適合焊接管道。其焊接成本只有焊條電弧焊的30%～50%，而生產(chǎn)效率是焊條電弧焊的2～3倍，采用陶瓷襯墊可以實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型。　　各種焊接方法有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，取其優(yōu)點(diǎn)，綜合運(yùn)用，就是復(fù)合焊接；例如，采用鎢極氬弧焊打底，然后用焊條電弧焊進(jìn)行填充焊及蓋面焊；對(duì)于厚壁管可用鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊填充，或用自動(dòng)埋弧焊填充，可取得很好的效果。　　6.等離子弧焊　　等離子弧焊是利用等離子弧作為熱源進(jìn)行管道焊接的一種方法。它的特點(diǎn)是溫度高，通常可達(dá)16000～33000℃；速度高，可達(dá)300～100 m/s；能量密度大，可達(dá)480 kW/cm2，一次熔透深度大。等離子專用焊管機(jī)，對(duì)于8mm厚的管壁，可對(duì)I形坡口一次焊透，已用于電站鍋爐的管道焊接。　　　　三、不銹鋼管道焊接　　1.不銹鋼管道焊接特點(diǎn) 　　奧氏體不銹鋼具有良好的耐蝕性、塑性和韌性。它的焊接性良好；不會(huì)發(fā)生任何淬火硬化；很少出現(xiàn)冷裂紋。由于熱脹冷縮特別大，造成焊接變形大，焊縫冷卻時(shí)收縮應(yīng)力大，可能出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕破壞現(xiàn)象、475℃脆化、σ相析出脆化、晶間腐蝕等缺陷。　　馬氏體型不銹鋼，具有強(qiáng)烈的淬硬傾向，容易出現(xiàn)冷裂紋，焊接接頭受熱超過1150℃區(qū)域，晶粒顯著長大，過快過慢的冷卻速度可能引起接頭脆化，具有475℃脆化傾向。　　鐵素體型不銹鋼不會(huì)發(fā)生淬火硬化現(xiàn)象。當(dāng)加熱高于950℃，焊縫及熱影響區(qū)晶粒嚴(yán)重長大，無法用焊后熱處理細(xì)化晶粒。容易出現(xiàn)475℃脆化及σ相析出脆化。600℃以上短時(shí)加熱后空冷可消除475℃脆化，加熱到930～980℃急冷可消除σ相析出脆化。　　2.奧氏體不銹鋼管道焊接技術(shù) 　　1）焊條電弧焊技術(shù)要求　　適用于焊接厚度大于3mm以上壁厚的不銹鋼管道及其特點(diǎn)是熱影響區(qū)窄，易于保證焊接質(zhì)量。一般采用直流反接，窄焊道焊接。焊接過程中盡量不擺動(dòng)，一次焊成的焊道寬度不大于3～4倍焊條直徑，短弧焊、收弧要慢，填滿弧坑。與腐蝕介質(zhì)接的觸焊層最后焊接。若采用多層焊，每層厚度小于3mm，層間焊渣徹底清除，一層焊接后，待冷卻至室溫再焊下一層；焊后可采用水冷、風(fēng)冷等措施促使強(qiáng)制冷卻，以縮短焊接區(qū)在450～850℃的停留時(shí)間。焊后宜用冷加工矯正焊接部位引燃電弧，焊接時(shí)要防止晶間腐蝕、475℃脆化、σ相析出脆化、刀狀腐蝕。不能用強(qiáng)制拘束的辦法組裝，注意焊接順序，防止接頭產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。　　2）自動(dòng)埋弧焊技術(shù)要求　　埋弧焊保護(hù)效果較好，沒有飛濺，可用大電流焊接，生產(chǎn)效率高，工藝穩(wěn)定，焊縫成分和組織均勻，接頭耐腐蝕性高。但由于焊接熱輸入量大，熔池大，熱影響區(qū)寬，冷卻速度慢，促進(jìn)元素偏析、焊縫接頭組織易過熱，故而對(duì)熱裂敏感性較大，25-20型不銹鋼不適用埋弧焊。　　自動(dòng)埋弧焊在壓力容器及管道制造中，適用于焊不銹鋼以及-40℃和-70℃低溫鋼等材料，特別適合焊中、厚鋼板的管道。　　焊接電源極性為直流反接，要求控制母材的稀釋低于40%，以便獲得含4%～10%鐵素體的致密焊縫，為防止燒穿，常用焊接墊（純銅板墊）或用焊條電弧焊打底，當(dāng)使用鎢極氫弧焊打底時(shí)，可使單面焊的根部成型良好。　　3）鎢極氬弧焊技術(shù)要點(diǎn) 　　鎢極氬弧焊適用于焊接0.5～0.3mm厚度的工件，保護(hù)效果優(yōu)良。焊縫成型美觀。焊接技術(shù)工藝要點(diǎn)：　　（1）適用于焊接厚度3mm以下的薄板結(jié)構(gòu)，焊接時(shí)可不加焊絲；　　（2）可用于管子接頭的打底焊。進(jìn)行正面打底焊時(shí)，應(yīng)選擇較大坡口和較小鈍邊，保證焊透。　　（3）焊接電源選用直流正接、鎢極采用鈰鎢極；　　（4）薄板焊接最大的難點(diǎn)是變形較大，容易燒穿，可采用脈沖鎢極氬弧焊電源，以控制熱輸入。　　4）熔化極氬弧焊技術(shù)要點(diǎn) 　　適用于焊接厚度大于3mm厚的工件，生產(chǎn)效率高。焊接厚板采用射流過渡，直流反接，焊絲直徑1.2～2.4mm，混合氣體98%Ar+2%O2。適用于焊接大于6.5mm的奧氏體不銹鋼。焊接薄板采用短路過渡，混合氣體97.5%Ar+2.5%CO2，焊絲直徑0.8mm。焊接時(shí)背面焊道表面應(yīng)用氬氣保護(hù)，防止背面焊道表面氧化及獲得良好的成型。 5）等離子弧焊技術(shù)要點(diǎn) 　　等離子弧焊是利用高能量密度的焊接方法。溫度高、能量集中、熔透深，可用I形坡口單面焊雙面成形，尤其適合于焊不銹鋼板對(duì)接及不銹鋼管子對(duì)接。　　2.鐵素體不銹鋼管道焊接　　鐵素體類不銹鋼包括0Cr13 ，Cr17 ，Cr17Ti ，Cr25Ti ，Cr28，Cr28Ti等。　　（1）鐵素體不銹鋼不能熱處理強(qiáng)化。它的力學(xué)性能、抗腐蝕性能以及焊接性能比奧氏體不銹鋼差。它的優(yōu)點(diǎn)是抗氧化性好，成本低，抗應(yīng)力腐蝕開裂性能比奧氏體不銹鋼好。　　（2）這類鋼在加熱和冷卻過程中不發(fā)生相變，沒有淬火硬化現(xiàn)象。　　（3）加熱到950℃以上的部分，例如焊縫及熱影響區(qū)，晶粒長大相當(dāng)嚴(yán)重，且不能用焊后熱處理辦法使粗大的晶粒細(xì)化。接頭韌性降低。　　（4）焊縫及熱影響區(qū)在400～600℃溫度區(qū)間停留，容易出現(xiàn)475℃脆化。焊接時(shí)，必須密切關(guān)注上述兩個(gè)敏感溫度區(qū)的加熱和冷卻速度。　　（5）600℃以上短時(shí)加熱后空冷可以消除475℃脆化；加熱到930～980℃急冷，可消除σ相析出脆化。　　（6）超高純鐵素體不銹鋼在1100℃水淬后，與普通鐵素體不銹鋼不同，腐蝕率很低，不產(chǎn)生晶間腐蝕；在1100℃空冷，晶界上有碳、氮化合物析出，則晶間腐蝕嚴(yán)重；在900℃保溫，析出物聚集長大并變得不連續(xù)，但沒有晶間腐蝕；在600℃短時(shí)保溫，晶界上有析出物，可能產(chǎn)生晶間腐蝕；在600℃長時(shí)保溫，晶界上雖有析出物，但消除了晶間腐蝕。普通高鉻鐵素體不銹鋼焊接熱影響區(qū)，由于受到熱循環(huán)高溫作用，產(chǎn)生敏化，在強(qiáng)氧化性酸中產(chǎn)生晶間腐蝕，位置在鄰近焊縫的高溫區(qū)，焊后經(jīng)700～850℃退火處理，使鉻均勻化，可恢復(fù)其耐蝕性。　　3.馬氏體類不銹鋼管道焊接　　馬氏體不銹鋼包括：1Cr13 和2Cr13、熱強(qiáng)馬氏體不銹鋼2CrWMoV、2Cr12MoV、以及超低碳復(fù)相馬氏體不銹鋼0.01C-13 Cr-7Ni-3Si、0.03C-12.5Cr-4Ni-0.3Ti、0.03C-12.5Cr-5.3Ni-0.3Mo等。　　馬氏體不銹鋼焊接特點(diǎn)：　　普通1Cr13鋼，熱強(qiáng)馬氏體不銹鋼有脆硬傾向，含碳量越高，脆性傾向越大。因此焊接馬氏體不銹鋼時(shí)，常見的缺陷是熱影響區(qū)脆化和冷裂紋。　　（1）熱影響區(qū)脆化。馬氏體不銹鋼具有較大的晶粒長大傾向。這與冷卻速度有關(guān)。當(dāng)冷卻速度較小時(shí)，焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)粗大的鐵素體和碳化合物；當(dāng)冷卻速度較大時(shí)，熱影響區(qū)出現(xiàn)硬化傾向，形成粗大的馬氏體。因此，焊接時(shí)必須有效地控制冷卻速度。　　（2）有強(qiáng)烈的淬硬傾向。含碳量越高，淬硬傾向越大。由于導(dǎo)熱性差，殘余應(yīng)力較大。當(dāng)焊縫中含氧量較高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的氫致延遲裂紋。　　（3）焊接接頭中受熱超過1150℃的區(qū)域晶粒長大顯著，過快或過慢的冷卻速度均可能引起接頭脆化。　　（4）馬氏體不銹鋼也會(huì)產(chǎn)生475℃脆化。　　（5）晶間腐蝕傾向較小。　　4.鐵素體—奧氏體雙相不銹鋼管道焊接　　鐵素體—奧氏體雙相不銹鋼具有良好的焊接性，不預(yù)熱，不后熱，均不會(huì)出現(xiàn)焊接裂紋。無Ni或低Ni雙相不銹鋼熱影響區(qū)有單相鐵素體及晶粒粗化的傾向。雙相不銹鋼中鐵素體占的比例很大，因此也會(huì)出現(xiàn)475℃脆化現(xiàn)象。高鉻雙相不銹鋼中將產(chǎn)生顯著的σ相析出脆化現(xiàn)象。　　典型的鐵素體—奧氏體雙相不銹鋼有：　　（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、鈦合金管道焊接　　鈦對(duì)氧、氮、氫等氣體有很強(qiáng)的親和力，因此對(duì)焊接區(qū)必須采取良好的保護(hù)措施，以確保焊接熔池及溫度超過350℃的熱影響區(qū)正反面與空氣隔絕。此外，焊縫背面應(yīng)通氬保護(hù)。當(dāng)焊縫正面已脫離噴嘴時(shí)，處在350℃以上的焊縫和熱影響區(qū)表面，仍需繼續(xù)保護(hù)。生產(chǎn)上常采用通有氬氣的托罩，托罩長100～180mm，寬30～40mm，具體尺寸可按工件形狀、板厚及工藝參數(shù)確定。結(jié)合管道焊接的特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)管道對(duì)接環(huán)焊縫的托罩。　　　　五、鎳合金管道焊接　　鎳及鎳合金焊接時(shí)，由于S、Si等雜質(zhì)在熔池形成Ni-NiS等低熔點(diǎn)共晶及脆性硅酸鹽薄膜，促使焊縫產(chǎn)生熱裂紋。以鋁、鈦為主要合金元素的沉淀硬化合金，若焊后的殘余應(yīng)力較大，在時(shí)效過程中或工件溫度高于時(shí)效溫度時(shí)，易產(chǎn)生“應(yīng)變-實(shí)效”裂紋，有些耐熱合金易產(chǎn)生熱影響區(qū)顯微裂紋。鎳及鎳合金流動(dòng)性差，溶深小，不宜采用大電流焊接。

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