奥氏体不锈钢管道的焊接与耐蚀性

奥氏体不锈钢管道的焊接与耐蚀性2007-03-2922:56随着奥氏体不锈钢管道在各个领域内的大量应用，有关奥氏体不锈钢管道的焊接技术以及焊接对奥氏体不锈钢耐蚀性的影响，越来越受到管道工程施工人员的关注，特别是由于于焊接方法或焊接工艺不当而引起不锈钢管严重锈蚀的现象，己成为不锈钢管工程中突出的质量问题。为此，本文就奥氏体不锈钢腐蚀的形式、产生的机理、焊接热过程对其耐蚀性的影响，以及如何施工焊接确保质量作一简要论述。一、奥氏体不锈钢的耐蚀性奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性，在腐蚀介质的工作条件下，在设计院规定的工作周期内是安全可靠的，但是若设计时管材选用不当，或施工时焊接工艺技术不过关，则会产生严重影响管道质量与使用寿命的局部腐蚀问题。其腐蚀形式有以下几种：1.晶间腐蚀。沿晶粒边界产生的腐蚀现象，外观仍可有金属光泽，但因晶粒己失去联系，敲击时失去金属声音，钢质变脆。奥氏体不锈钢晶间腐蚀的机理有多种学说，其中以碳化物在晶界沉淀现象为最前提的“贫铬理论”比较为人们所接受。从实验资料可知，当钢中Cr的含量超过12%达到13%时，其电极电位由负值上升为正值，使钢具有了良好的耐蚀性。同时从18-8钢平衡图可知，室温时18-8钢中碳的溶解度小于0.03%，超过此值的碳，则需要作固溶处理。固溶处理使奥氏体为碳所过饱和，呈不稳定状态，若再次加热，超过溶解度的碳将向晶界扩散，并和晶界处的铬r结合成Cr23C6沉淀于晶界，使晶界处的含铬量低于临界值12%，因而可发生明显的晶间腐蚀现象。2.应力腐蚀开裂奥氏体不锈钢在腐蚀介质中，在拉应力的作用下，由于塑性变形出现滑移阶梯而导致表面钝化膜破裂，于是基体金属直接暴露于含氯化物的介质中，与未破裂的膜构成电极电位差，使基体金属溶解腐蚀，溶解生成的腐蚀沟沿滑移线与拉应力成垂直方向伸展而形成细微裂纹，在裂纹尖端应力集中区伴随着滑移的再现而加速溶解，裂纹进一步扩展以至断裂，即应力腐蚀开裂。3.点腐蚀（孔蚀）在含有一定浓度Cl-Br-的环境中，在钢的局部表面形成腐蚀坑的一种腐蚀现象。二、奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性奥氏体不锈钢焊接后会形成由焊缝及热影响区组成的焊接接头，焊接的热过程会使焊缝及热影响区的不锈钢金属经历一次快速高温加热和冷却的过程，从而使焊接接头区域的组织性能特别是耐蚀性与焊前母材存在较大差异，现分述如下：1.焊缝的晶间腐蚀焊缝的晶间腐蚀有两种情况：一是焊态已有碳化物的沉淀而形成贫铬层，二是因焊后经敏化温度的加热而产生晶间腐蚀倾向。2.材敏化区的晶间腐蚀在母材不含稳定化元素或含碳量较高时，经过焊接热循环的作用，处于峰值温度600~850℃的部位属焊接接头的敏化区，会形成碳化物的沉淀而产生敏化区晶间腐蚀。3.刀蚀刀蚀产生在含稳定化元素（铌、钛）的奥氏体不锈钢接头的过热区上，并且紧邻焊缝，具有晶间破坏性质，属焊接接头出现的一种特殊形式的晶间腐蚀。4.应力腐蚀开裂拉伸应力是腐蚀开裂不可缺少的重要条件，而其中残余应力（焊接应力）所引起的应力腐蚀开裂案例比例极高。奥氏体钢导热性差，线胀系数大，焊接时残留较大的焊接应力，因此最大限度地消除焊接残余应力可有效防止焊接接头的应力腐蚀开裂。三、奥氏体不锈钢管道的焊接1.奥氏体不锈钢管道焊接的特点首先，奥氏体不锈钢管道的焊接，除焊工可进入管内实施焊接的大口径管道外，均需在管外侧实施单面焊，为保证管内侧焊接接头处的耐蚀性能，焊工必须掌握单面焊双面成形技术，且管内侧高温区的保护，必须通过有效的工艺措施来保证。其次，不锈钢管道焊接后，焊接接头外侧可实施酸洗、钝化处理，而管内侧只能是焊态，因此对管内质量要求较严的不锈钢管道焊接时，必须通过合理的焊接工艺与有效的保护方法，使焊接接头的内侧焊后达到具有光亮表面的质量要求。2.奥氏体不锈钢管道的焊接（1）焊接方法：手工电弧焊，手工钨极氩弧焊，管道自动钨极氩弧焊，半自动溶化极氩弧焊。（2）焊接设备：手工电弧焊机，手工钨极氩弧焊机，管道自动钨极氩弧焊机，半自动溶化极氩弧焊机。（3）焊接材料：不锈钢手工电弧焊条，不锈钢氩弧焊丝。（4）管内保护：采用钨极氩弧焊工艺作管道初层焊时，管内必须采取充氩或纯氮的保护措施。（5）工艺评定及焊接工艺规程通过焊接工艺评定，可验证所拟定的焊接工艺是否可靠，可考核施工焊接企业的技术力量，焊工水平等综合能力能否符合产品质量要求，同时为编制施工用的焊接工艺规程提供技术依据。按评定合格的焊接工艺评定编制施工用的焊接工艺规程，作为施工作业的攻击技术文件严格贯彻执行，以保证焊接质量。（6）焊工的培训与考核按焊接工艺规程规定焊接工艺及规范参数，对焊工进行培训考核，合格后持证上岗。3.焊接对奥氏体不锈钢管道耐腐蚀性的影响奥氏体不锈钢管道经焊接的高温加热，会使焊接接头即焊缝及热影响区的不锈钢金属经历一次过饱和固溶在奥氏体内的碳的析出，并在晶界形成碳化物沉淀的过程，从而使焊接接头与母材具有了不同的耐腐蚀性能。影响焊接接头耐腐蚀性的因素很多，主要有：（1）不钢管材的含碳量以18-8奥氏体不锈钢为例，其室温时能固溶的碳≦0.03%，超过此含碳量的不锈钢管就需要作固溶处理以保证其耐腐蚀性，但经焊接的再次加热，奥氏体内过饱和固溶的碳会析出，在晶界形成碳化物沉淀而降低耐蚀性，要求焊后保持原有的耐蚀性，一是采用超低碳不锈钢管，二是焊后再次固溶处理。但现场不锈钢管焊接后是无法实施固溶处理的，因此，就产生出了含有一定量的钛、铌等稳定化元素的不锈钢管，使钛、铌在焊接过程中，优先于铬与析出的碳形成碳化物，而防止贫铬区的形成，以保证焊接接头的耐蚀性。（2）焊接材料的合金成分与含碳量焊接材料的合金成分与含碳量直接决定着焊缝金属的耐蚀性，因此需要按管材的需要选配相适应的电焊条与氩弧焊丝。一般的原则是合金成分略高于母材，以补充焊接时的烧损，而含碳量应低于母材。（3）焊接工艺规范的控制奥氏体不锈钢的导热性差，而线胀系数极大，若焊接工艺控制不当，特别是大线能量的输入，会造成焊缝及过热区的晶粒粗大而降低焊接接头的耐蚀性，因此，应严格控制焊接规范参数，采用小电流快速焊的方法，减少焊接接头在高温停留的时间，减小焊接应力，从而提高焊接接头的耐蚀性。（4）管内侧焊缝的成形与保护不锈钢管道内侧焊缝的成形和保护直接影响其耐蚀性，若焊缝根部焊接时得不到有效保护，就无法光滑成形，氧化的金属是不具耐蚀性的，因此，手工电弧焊时，必须对管内作充氩气或纯氨气体的保护。（5）焊接接头的酸洗、钝化焊后对焊接接头实施酸化、钝化或机械抛光，可有效提高其耐蚀性，特别是对焊接飞溅物的清除，消除了会引起点腐蚀的腐蚀源，故不锈钢管道的初层宜采钨极氩焊弧，以保证管内侧焊缝及热影响区的耐蚀性。4.薄壁不锈钢管道现场焊接需关注的事项⑴选择合适的接头形式宜采用对接接头，若采用搭接接头，需考虑实施双侧焊或增加管件厚度以增大焊脚尺寸来提高接头的强度。（2）选择合理的焊接工艺薄壁不锈钢管道宜采用钨极氩弧焊工艺，当壁厚小于1毫米时，宜采用脉冲氩弧焊工艺，以保证焊接质量。（3）采用有效的管内保护方法应根据现场条件，实施管内全部或局部冲氩气或纯氨气的保护，整管充气保护方法简单，但成本较高，适用于中小口径的管道，局部充气保护较为复杂，需要有专用的工具来实施。（4）配备合格的焊工管道焊接均在管外侧单面焊，且要保证管内焊缝的质量，现场管道焊接的位置属全位置焊接，对焊工的技能要求较高，因此焊工必须经培训考核后上岗焊接，方能保证焊接接头的焊接质量及耐蚀性。