采气树制作中异种钢的焊接分析

采气树制作中异种钢的焊接分析 华东石油局井下作业公司 陈海华 摘要 某改进型采气树的制作中 涉及到 45 钢 36Mn2V 钢与 Q235 的异种钢焊接 围绕这三种母材的异种 钢焊接 本文从母材成分 组织 异种钢焊接难点 焊接方法 焊材及焊接参数的选择 预热及焊后热处理等方面进行了分 析 制定出相应的焊接工艺 关键词 45 钢 36Mn2V Q235 异种钢焊接 0 前言 煤层气是一种非常规的天然气 作为清洁的替代能源 开发利用方兴未艾 煤层气的地面采气设备主要是螺杆泵配 250 型采油树井口装置或抽油机配 150 型采油树井口装置 施工中因两套装置的连接法兰不能兼容和互换 既不利于优 化采气工艺 又为施工带来不便 现场亟需一种能同时满足 螺杆泵和抽油机连接要求的专用采气井口 图 1 便是一种改 1 进的实用新型煤层气井口采气树 它具有结构简单 重量轻 制作工艺简单 成本低等优点 满足了生产的需要 图 1 新型采气树 该装置主要由套管短节 1 接管 2 下法兰 3 上法兰 4 油管接箍 5 等组件通过焊接加工而成 见图 2 其中 上 下法兰材质为 Q235 钢 油管接箍是 45 钢 套管短节是低合 金钢 36Mn2V 显然上法兰与油管接箍的连接焊缝 6 Q235 45 钢 下法兰与套管短节的连接焊缝 7 Q235 36Mn2V 均为异种钢焊缝 为了获得性能良好的焊 缝 必须制定合理的焊 接工艺原则对焊接质量进行控制 1 母材成分及性能对焊接 性的影响 1 1 成分的影响 2 1 3 4 5 6 7 1 套管短节 2 接管 3 下法兰 4 上法兰 5 油管接箍 6 上法兰焊缝 7 下法兰焊缝 图 2 2 该装置所涉及的三种母材组织差异不大 36Mn2V 和 45 钢均为珠光体 铁素体组织 Q235 为铁素体 珠光体组织 但 化学成分及其质量分数差异较大 母材中各种元素对焊接性 的影响也各不相同 碳 硫 磷 氢 氧及合金元素锰 硅 铬 等都在不同程度上有增加焊接接头淬硬倾向和裂纹敏感性 的可能 并且随着含碳量和合金元素含量的增加而恶化 表 1 为 45 钢 36Mn2V 和 Q235 的化学成分对比 1 2 主要力学性能及碳当量的影响 母材的强度和碳当量对焊接性有很大影响 碳当量越大 材料的焊接性越差 由表 1 和表 2 可以看出 1 Q235 钢属低碳钢 焊接性优良 通常情况下不会因 焊接而引起严重的硬化组织或淬火组织 塑性和冲击韧度良 好 2 45 钢属高强度中碳钢 焊接性较低 具有一定的塑 性和韧性 3 36Mn2V 属中碳低合金钢 焊接性差 具有较高的强 度和耐磨性 表 1 母材成分对比 化学成分 质量分数 母材 种类 CSiMnS P Cr Ni Cu VAl 45 钢 0 42 0 50 0 17 0 37 0 50 0 80 0 03 5 0 03 5 0 250 250 25 Q235 0 14 0 22 0 3 0 0 35 0 65 0 05 0 04 5 0 030 030 03 36 Mn2V 0 34 0 38 0 20 0 35 1 45 1 70 0 020 010 15 0 11 0 16 0 02 表 2 强度 塑性及碳当量对比 母材种类 抗拉强度 b MPa 屈服强度 s MPa 伸长率碳当量 45 钢 600 355 16 0 71 Q235375 46023526 0 34 3 36 Mn2V 689 55216 0 73 2 焊接中的主要问题 2 1 焊接的难点 虽然三种母材同为珠光体组织 但由于成分 强度 焊接 性的差异 它们之间焊接与同种钢的焊接相比 存在不同的 问题 1 焊接过程中由于受热不均匀引起金相组织的变化而使焊 接接头的性能变差 2 熔合区及热影响区的机械性能 特别是塑性的降低 3 由于基体金属热膨胀系数不同而引起热应力 4 因塑性变差和应力增加往往容易引起裂纹 5 接头中过渡区的存在 也会增加裂纹的机率 2 2 焊接接头的不均匀性 异种钢焊接时 由于填充金属及两种母材之间的化学成 分存在差别 焊后焊缝金属的成分是不均匀的 在多道焊的 根部焊缝和靠近高含碳量母材一侧的焊缝中 因为熔合比高 使焊缝中的含碳量增高 这种成分的不均匀性在经历了焊接 热循环作用之后 焊接接头各区域的金相组织也将不同 再 加上焊接方法 焊接工艺参数 是否热处理等因素的影响 局部往往还会出现更复杂的组织结构 化学成分和金相组织的不均匀又会造成焊接接头力学性 能的不均匀性 使近缝区的塑性 韧性变差 甚至引起含碳 量高的母材一侧焊缝熔合线上产生冷裂纹 3 焊接方法的选择 大部分熔焊和压焊方法都可以用于异种钢的焊接 但焊 条电弧焊具有操作方便 焊条种类多且视不同的异种钢组合 可灵活选用等优点 除长焊缝 大批量流水作业以及不适合 熔焊方法的作业外 都可选用焊条电弧焊 该井口装置的两 处法兰焊缝相当于两道环形平角焊 选择焊条电弧焊是较合 适的 4 4 焊接材料的选择 异种钢焊接成功与否 焊接材料起关键作用 必须按照 母材的化学成分 性能 接头形式和使用要求等综合考虑 总体上有四个基本原则 1 所选所选材料必须保证异种钢焊接接头能够满足设计所 需的性能 2 所选所选材料必须在有关稀释率 熔化温度和焊接件其 他物理性能要求等方面保证焊接性需要 3 在焊接接头不产生裂纹等缺陷的前提下 当不能兼顾焊 缝金属的强度和塑性时 应优先选用塑性好的填充金属 4 焊接材料应经济 易得 并具有良好的焊接工艺性能 焊 缝成形美观 对于同类型的异种钢焊接 焊材的选用有两个方案 一 是采用珠光体类焊条加预热 二是采用奥氏体焊条不预热 因奥氏体焊缝存在屈服强度不高的问题 从生产实际出发 决定选用低匹配的低氢型焊条 J427 它具有一定的脱硫能力 熔敷金属塑性和韧性良好 扩散氢含量又少 所以既可保证 接头的抗拉强度不低于 Q235 母材 又能保证焊缝金属的抗 裂性能和塑性 焊前经 350 400 烘干 1h 放入保温桶中备 用 5 焊接工艺参数 焊接工艺参数对熔合比有直接影响 热输入量越大 母 材熔入焊缝越多 这对异种钢接头是不利的 焊接热输入又 取决于焊接电流 焊接速度等焊接工艺参数 因煤层气井具 有井口压力低 1Mpa 井下管注少 一般 500m 左右 的 特点 所以对采气树的制作工艺要求相应降低 上 下法兰 均采用角焊缝 其他参数的选择主要考虑对熔合比有利 具 体参数见表 2 表 2 主要焊接参数 焊条 牌号 焊条直经 mm 焊接电流 A 焊接速度 mm min 焊接 层次 电流 种类 J427 3 2110 12080 100 两层 三道 直流 反接 6 预热及焊后热处理 5 珠光体钢的碳当量不仅是评价其淬硬和脆化倾向的重要 指标 也是该类异种钢接头是否需要预热 预热温度多高的 依据 通过对三种珠光体钢的碳当量计算 见表 2 45 钢和 36 Mn2V 的碳当量均大于 0 6 可见 它们的淬硬倾向大 焊接时有较明显的裂纹倾向 焊前需预热到 200 250 这 样可以控制焊接冷却速度 减少或避免热影响区中淬硬马氏 体的产生 降低热影响区的硬度 同时还可以降低焊接应力 并有助于氢从焊缝接头中逸出 从而降低焊接接头的裂纹倾 向 Q235 碳当量小于 0 4 淬硬倾向小 焊接时 一般不需 要预热 控制层间温度和后热 焊后也不必采用热处理改善 组织 但该装置中法兰的厚度达 60mm 焊接时散热较快 焊 后会产生较大的拘束应力 增加接头裂纹倾向 所以 Q235 母材也需进行预热 降低散热速度 按照珠光体异种钢焊接 时按淬硬倾向较大的钢种进行预热的原则 Q235 母材按与 之连接的 45 钢或 36 Mn2V 的规范进行处理 焊后热处理温度的选择也按碳当量较高的钢种进行 对 珠光体异种钢接头焊后立即进行 600 650 回火处理 可以 改善焊缝金属和近缝区的组织和性能 消除部分焊接残余应 力 并促使焊缝中的氢逸出 防止 45 钢和 36 Mn2V 一侧的 近缝区产生冷裂纹 7