工業管道焊接技術

日期： 2017-03-30

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　　工業管道的安裝、焊接的主要標準是GB50235—1997《工業金屬管道工程施工及驗收規范》。化工、石油、機械、電力等行業的碳素鋼、合金鋼、不銹鋼、有色金屬等材質的工業管道的焊接施工及驗收均應按照該標準執行。　　　　一、工業管道的分級　　工業管道可按設計壓力的主要參數進行分級：　　1.真空管道：設計壓力 < 0 Mpa 　　2.低壓管道：設計壓力 > 0 Mpa；≤ 1.6 Mpa；　　3.中壓管道：設計壓力 > 1.6 Mpa；≤ 10 Mpa；　　4.高壓管道：設計壓力 > 10 Mpa。　　　　二、工業管道焊接工藝方法　　1.氣焊　　氣焊是工業管道焊接中使用較廣的一種方法。氣焊的特點是設備簡單，火焰對熔池的壓力及火焰能率調節比較方便，焊炬在較窄的空間內操作也較容易，焊接過程中熔池及尺寸較易控制，可進行各種位置焊接，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。氣焊的缺點是生產效率低，變形大，氣焊火焰對熔池保護較差，容易造成熔池金屬氧化，出現氣孔、夾渣等缺陷。所以焊縫質量較差，適應不了高壓高強度管道的焊接。因此，在壓力管道施工中，實際上已經很少應用氣焊工藝，而逐步由焊條電弧焊、氣體保護焊、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用的方法，在焊接小口徑鋼管單面焊雙面成形中發揮著重要的作用。焊條電弧焊采用斷弧法或連弧法，在管道外面焊接，使管壁內表面自由形成焊縫，達到全熔透的技術要求。焊接過程中焊工全神貫注，雙目盯住“熔池”變化，耳聽“響聲”，及時靈活運條并注意操作手勢。　　焊條電弧焊生產效率低，勞動強度高，焊接質量受焊工技術水平、環境等因素影響，焊接質量不穩定。　　3.鎢極氬弧焊　　鎢極氬弧焊這種方法又稱TIG焊，采用鎢極氬弧焊進行小口徑管焊接打底，質量很好，其缺點是生產效率低，成本高。　　4.自動埋弧焊　　自動埋弧焊是焊管中的首選工藝。它可以采用較大的焊接參數，焊接電流大，熔深大，較厚件也可選用I型坡口，這種工藝的生產效率高。由于是機械操作，人員只需操作機器，勞動強度低，質量穩定，適用于大批量同一類型接頭形式的焊接。自動埋弧焊的特點是只能焊接平焊、平角焊、或者焊縫的傾斜度很小。　　5.二氧化碳氣體保護焊　　二氧化碳氣體保護焊最大的特點是可以實現全位置焊接，非常適合焊接管道。其焊接成本只有焊條電弧焊的30%～50%，而生產效率是焊條電弧焊的2～3倍，采用陶瓷襯墊可以實現單面焊雙面成型。　　各種焊接方法有優點也有缺點，取其優點，綜合運用，就是復合焊接；例如，采用鎢極氬弧焊打底，然后用焊條電弧焊進行填充焊及蓋面焊；對于厚壁管可用鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊填充，或用自動埋弧焊填充，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行管道焊接的一種方法。它的特點是溫度高，通常可達16000～33000℃；速度高，可達300～100 m/s；能量密度大，可達480 kW/cm2，一次熔透深度大。等離子專用焊管機，對于8mm厚的管壁，可對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　　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；不會發生任何淬火硬化；很少出現冷裂紋。由于熱脹冷縮特別大，造成焊接變形大，焊縫冷卻時收縮應力大，可能出現應力腐蝕破壞現象、475℃脆化、σ相析出脆化、晶間腐蝕等缺陷。　　馬氏體型不銹鋼，具有強烈的淬硬傾向，容易出現冷裂紋，焊接接頭受熱超過1150℃區域，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發生淬火硬化現象。當加熱高于950℃，焊縫及熱影響區晶粒嚴重長大，無法用焊后熱處理細化晶粒。容易出現475℃脆化及σ相析出脆化。600℃以上短時加熱后空冷可消除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　　1）焊條電弧焊技術要求　　適用于焊接厚度大于3mm以上壁厚的不銹鋼管道及其特點是熱影響區窄，易于保證焊接質量。一般采用直流反接，窄焊道焊接。焊接過程中盡量不擺動，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、風冷等措施促使強制冷卻，以縮短焊接區在450～850℃的停留時間。焊后宜用冷加工矯正焊接部位引燃電弧，焊接時要防止晶間腐蝕、475℃脆化、σ相析出脆化、刀狀腐蝕。不能用強制拘束的辦法組裝，注意焊接順序，防止接頭產生較大的殘余應力。　　2）自動埋弧焊技術要求　　埋弧焊保護效果較好，沒有飛濺，可用大電流焊接，生產效率高，工藝穩定，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，熱影響區寬，冷卻速度慢，促進元素偏析、焊縫接頭組織易過熱，故而對熱裂敏感性較大，25-20型不銹鋼不適用埋弧焊。　　自動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，當使用鎢極氫弧焊打底時，可使單面焊的根部成型良好。　　3）鎢極氬弧焊技術要點　　鎢極氬弧焊適用于焊接0.5～0.3mm厚度的工件，保護效果優良。焊縫成型美觀。焊接技術工藝要點：　　（1）適用于焊接厚度3mm以下的薄板結構，焊接時可不加焊絲；　　（2）可用于管子接頭的打底焊。進行正面打底焊時，應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）熔化極氬弧焊技術要點　　適用于焊接厚度大于3mm厚的工件，生產效率高。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。焊接時背面焊道表面應用氬氣保護，防止背面焊道表面氧化及獲得良好的成型。 5）等離子弧焊技術要點　　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接及不銹鋼管子對接。　　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化。它的力學性能、抗腐蝕性能以及焊接性能比奧氏體不銹鋼差。它的優點是抗氧化性好，成本低，抗應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生相變，沒有淬火硬化現象。　　（3）加熱到950℃以上的部分，例如焊縫及熱影響區，晶粒長大相當嚴重，且不能用焊后熱處理辦法使粗大的晶粒細化。接頭韌性降低。　　（4）焊縫及熱影響區在400～600℃溫度區間停留，容易出現475℃脆化。焊接時，必須密切關注上述兩個敏感溫度區的加熱和冷卻速度。　　（5）600℃以上短時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，則晶間腐蝕嚴重；在900℃保溫，析出物聚集長大并變得不連續，但沒有晶間腐蝕；在600℃短時保溫，晶界上有析出物，可能產生晶間腐蝕；在600℃長時保溫，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，由于受到熱循環高溫作用，產生敏化，在強氧化性酸中產生晶間腐蝕，位置在鄰近焊縫的高溫區，焊后經700～850℃退火處理，使鉻均勻化，可恢復其耐蝕性。　　3.馬氏體類不銹鋼管道焊接　　馬氏體不銹鋼包括：1Cr13 和2Cr13、熱強馬氏體不銹鋼2CrWMoV、2Cr12MoV、以及超低碳復相馬氏體不銹鋼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：　　普通1Cr13鋼，熱強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，常見的缺陷是熱影響區脆化和冷裂紋。　　（1）熱影響區脆化。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。當冷卻速度較小時，焊接熱影響區出現粗大的鐵素體和碳化合物；當冷卻速度較大時，熱影響區出現硬化傾向，形成粗大的馬氏體。因此，焊接時必須有效地控制冷卻速度。　　（2）有強烈的淬硬傾向。含碳量越高，淬硬傾向越大。由于導熱性差，殘余應力較大。當焊縫中含氧量較高時，會產生危險的氫致延遲裂紋。　　（3）焊接接頭中受熱超過1150℃的區域晶粒長大顯著，過快或過慢的冷卻速度均可能引起接頭脆化。　　（4）馬氏體不銹鋼也會產生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，不預熱，不后熱，均不會出現焊接裂紋。無Ni或低Ni雙相不銹鋼熱影響區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，因此也會出現475℃脆化現象。高鉻雙相不銹鋼中將產生顯著的σ相析出脆化現象。　　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　　鈦對氧、氮、氫等氣體有很強的親和力，因此對焊接區必須采取良好的保護措施，以確保焊接熔池及溫度超過350℃的熱影響區正反面與空氣隔絕。此外，焊縫背面應通氬保護。當焊縫正面已脫離噴嘴時，處在350℃以上的焊縫和熱影響區表面，仍需繼續保護。生產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、板厚及工藝參數確定。結合管道焊接的特點，可以設計管道對接環焊縫的托罩。　　　　五、鎳合金管道焊接　　鎳及鎳合金焊接時，由于S、Si等雜質在熔池形成Ni-NiS等低熔點共晶及脆性硅酸鹽薄膜，促使焊縫產生熱裂紋。以鋁、鈦為主要合金元素的沉淀硬化合金，若焊后的殘余應力較大，在時效過程中或工件溫度高于時效溫度時，易產生“應變-實效”裂紋，有些耐熱合金易產生熱影響區顯微裂紋。鎳及鎳合金流動性差，溶深小，不宜采用大電流焊接。

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