不锈钢复合管道焊接工艺

不锈钢复合管道焊接工艺

0不锈钢复合管道伊哈吉忠团站位于新疆库车县。主要任务是对凝析油进行分离和提取，收集和储存凝析油来自处理站附近的各种开采井。由于从井口采集的凝析油存在大量腐蚀介质,其中以Cl-(NaCl)的腐蚀最为严重,其含量为115900mg/L。同时,管道设计压力为30MPa,属高压管道。我公司本次施工的目的是对2002年投入运行的井口附近碳钢管道进行改造,因为旧的碳钢管道由于受到严重腐蚀,已有多个井口管道发生泄漏,存在极大安全隐患。为了在保证管道运行安全的前提下节约投资,设计采用了不锈钢复合管道,其基材采用20G材质,复合层采用1.5mm厚的316L不锈钢材质。这次改造工程共有不锈钢复合管6km左右,我公司首次焊接不锈钢复合管道,没有相关经验可借鉴。并且,此工程竣工后,将紧接着对所有井口至集中处理站的所有碳钢管道进行更换,大约40km的不锈钢复合管焊接工作量。以ϕ114mm×(12+1.5)mm不锈钢复合管为例,系统介绍不锈钢复合管的焊接工艺特点。131不锈钢复合层材料316L+20G不锈钢复合管基材采用常用的20G材质,属优质低碳钢,是压力容器和压力管道的常用钢材。具有较高的强度和良好的塑韧性,焊接性很好。基材厚度一般较大,其主要作用是承受介质压力。复合层为316L奥氏体不锈钢,316L等同于00Cr17Ni14Mo2,是一种超低碳不锈钢,具有优异的耐蚀性。复合层厚度一般较小,从而将生产成本控制到最低。316L不锈钢化学成分见表1。由于受生产工艺和技术的限制,目前国产的复合钢管还不能象复合板材一样,基层和复合层完全熔焊在一起。复合管的基层和复合层实际上只是通过内挤外压达到紧密接触,由于接触面有空气、水分和油污等杂质,给焊接造成了难度。2边坡设计、加工和组成2.1半门设计坡口尺寸设计和焊道设计见图1。2.2砂轮机复合层的制备坡口采用坡口机或车床进行加工,封焊前用角向砂轮机(不锈钢专用砂轮片)进行除锈,加工时应注意不要伤及复合层。在正式组焊前用角向砂轮机对复合层进行整形打磨,并除去管端的铁锈,油污和水分。管端内壁用内磨机打磨平整,露出金属光泽,加工量不宜过大。2.3固定和密封设计方案组对应在坡口加工及坡口清理干净后进行,组对应符合相关标准的要求。组对前先将背面气体保护装置装入坡口内,一端用铁丝拴牢后以便焊接后拉出管外。组对完毕后,用连接块进行点焊固定,固定两个点,分别为12点位和3点位,连接块材质应和基层材质一样,为20G。然后用透明胶将坡口密封,由于氩气气密度比空气大,所以应在12点位开一小孔以便管内空气排出。将背面保护气打开进行氩气置换,置换进行10min后,用测氧仪检测保护气体纯度,当氧含量低于150×10-6时,即可开始焊接。氩气内保护装置及充氩方法见图2。3焊接工艺参数3.1复合管复合层的焊接由于不锈钢导热系数小,且焊接时高温停留时间不宜太长,所以,焊接复合层时,应选择热输入量小的焊接方法。同时,由于复合管的焊接顺序为先焊复合层,后焊基层,所以,复合层的焊接质量是整个焊接过程中最为重要的,故应考虑采用焊接质量高的焊接方法。手工钨极氩弧焊具有以上特点,是复合管复合层最为理想的焊接方法。由于复合层和基层之间没有熔焊在一起,所以在组对前必须首先进行封焊。封焊应选用热输入量小的焊接方法,所以,对于封焊,我们仍然采用手工钨极氩弧焊。对于过渡层,其熔敷金属成分十分复杂,为了使合金浓度梯度不致于太大,应选择热输入稍微大一些的焊接方法,所以,我们选择焊条电弧焊进行焊接。由于基层材质为20G,是一种常见的材质,焊接工艺也十分成熟,所以对于基层的焊接,仍然采用焊条电弧焊,以提高焊接施工效率。3.2焊接材料的选择3.2.1封焊层和不锈钢焊接由于复合层和基层之间没有熔焊在一起,所以在组对前必须首先进行封焊。由于复合层厚度只有1.5mm,所以封焊层选用ER316L(H00Cr19Ni12Mo2)ϕ1.2mm不锈钢焊丝。不锈钢焊接选用焊材的基本原则是与母材化学成分相匹配,所以,这种焊丝化学成分和316L不锈钢最为接近,其熔敷金属化学成分见表2。打底焊道,同样采用ER316L焊丝,直径2.0mm,可以提高焊接效率。3.2.2材料的熔贴材料过渡层的熔敷金属由于存在合金被稀释的问题,为保证过渡层中铬镍合金的比例,过渡层焊接材料的铬镍含量应比母材偏高。所以,我们选用E309-15(A307)焊条,其熔敷金属化学成分见表3。为保证打底焊层不被烧穿,选用ϕ2.5mm焊条进行过渡层的焊接。3.2.3氢型焊材由于基层材质为20G,所以选择E4315(J427)低氢型焊条最为合适,可以保证焊缝金属的强度和得到很好的塑韧性。盖面层采用ϕ4.0mm的焊条可提高焊接效率。所有焊条在使用前应按说明书进行烘烤,并做到妥善保管,随取随用。3.2.4气的使用氩气纯度不低于99.99%,如果焊接时发现焊道表面无金属光泽,颜色呈灰色或黑色,说明氩气纯度不够,应及时更换。3.3焊接参数焊接工艺参数见表4。表中的DC-表示钨极或焊条接负。4316-20兄弟的复合管焊接技术4.1熔池的焊接封焊层的焊接是复合管焊接的关键工序,是复合管焊接质量的重要保证。由于复合管的基层和复合层实际上只是通过内挤外压达到紧密接触,接触面存在空气、水分和油污等杂质。焊接时杂质受热会分解为水蒸气和CO2气体,在熔池内产生大量气体,严重时发生爆裂破坏熔池。所以,焊接之前应仔细清理接触层,必要时用丙酮清洗坡口表面。焊接时,应注意观察熔池,如果发现熔池由里往外冒气泡,或是发生爆裂时,应立即停止焊接,将接头处打磨干净后重新开始焊接。焊接时,电流不宜过大,应控制在60A左右,以防止复合层被烧穿,摆幅不宜过大,焊接速度应稍大一点,焊道不宜太厚太宽,以免增加坡口加工量并给打底焊增加难度。焊接完成后焊道表面应呈银白、金黄或蓝色,焊道成形均匀、美观。4.2焊接焊接及密封性能观察打底层焊接是复合管焊接质量要求最高的工序,焊工必须具有过硬的技术水平和高度的责任感。如果打底层出现焊接问题,返修时将会十分困难。为了保证根部质量,采用钨极氩弧焊进行焊接,焊接前将封焊层焊道打磨平整。焊接顺序由下到上,对称焊接,注意观察熔池成形和铁水是否到位,并注意钝边是否被完全熔化。焊接电流应合适,控制在80～100A以内,过小的电流容易造成未焊透,过大的电流容易造成根部内凹。在焊完一段焊缝后,用手电筒观察根部焊道表面颜色,若呈灰色和黑色,说明根部保护不佳,应检查内保护器密封性能是否良好,检测氧含量应不高于150×10-6。焊接时,若风速超过4m/s,应使用防风棚,以保证焊接质量。4.3熔敷金属合金的焊接过渡层是复合管熔敷金属合金成分最为复杂的焊层,如果焊接参数选择不当,容易造成熔敷金属合金浓度梯度过大,从而影响接头的防腐蚀性能。焊接时采用ϕ2.5mm焊条,过小的焊接电流易造成层间未熔合及熔敷金属合金浓度梯度较大,过大的电流易将根部烧穿。填充、盖面层采用焊条电弧焊。4.4焊缝两侧水冷冷却由于不锈钢导热系数仅为碳钢的1/3左右,且不锈钢高温时间过长时容易产生晶间渗碳现象从面导致晶间腐蚀,所以焊接时不但要采用小参数进行焊接,而且要将层间温度控制在150℃以下。对于全不锈钢管,每道焊缝完成后时可以用水直接冷却,但复合管如果直接冷却会造成碳钢的淬硬。当基层厚度较大而环境温度又比较高时,如果直接空冷,既降低了生产效率又使焊缝金属高温停留时间过长,所以,采用焊缝两侧水冷的冷却方法。所谓两侧水冷法,就是将湿毛巾包裹在距焊缝80mm以外的两侧钢管上,并适当浇水,将焊缝及热影响区温度尽快降到150℃以下。5复合管道的主要缺陷和防止措施5.1两侧让边难以分布根部未焊透和内凹产生的主要原因是氩弧焊时焊工操作不当,焊接时应仔细观察熔池形状,注意两侧钝边是否完全熔化,铁水是否到位。正常情况下,这两种缺陷是不容易出现的,但是,如果坡口间隙过小或是钝边过大,就容易造成未焊透。焊接时,如果产生磁偏吹,也容易造成单边未焊透和内凹。所以,在焊接过程中,遇到上述两种情况,就应立即停止焊接进行处理后再继续施焊。5.2气孔的形成和检验过渡层气孔是复合管常见缺陷,产生的主要原因是过渡层焊接时,电弧将封焊层熔化,同时由于复合层和基层之间存在的杂质在受热后分解,产生大量气体,不能及时逸出,从而形成气孔。过渡层气孔一般呈不规则状,且尺寸较大,或是呈连续分布状。为了避免气孔的产生,首先应注意封焊层的焊接质量。焊接过程中,如果感觉到熔池中有气泡冒出或是发生爆裂,应立即停下,用砂轮机将接头打磨干净后重新施焊。焊接过渡层时,也应仔细观察熔池,若发现熔池中有大量气泡冒出,一定不要以为靠熔池运动就能将气体排出,应立即停止焊接,此时通常会看到深度较大的贯穿性气孔,将缺陷清理干净后继续施焊。5.3层间未熔合的缺陷层间未熔合(图3)的产生机理和过渡层气孔相似,也是由于复合层和基层之间存在的杂质在受热后分解造成的,杂质分解产生的气体吸走了热量,并在瞬间形成气膜,熔池不能将上一层焊道表面熔化,从而导致层间未熔合。所以,层间未熔合一般存在于过渡层,少部分存在于过渡层与碳钢填充层之间。面积较大,呈不规则块状。对于这种缺陷的防止措施,和过渡层气孔的方法一样。以上两种缺陷,由于其深度接近于根部,返修时经常要将焊道磨穿才能将缺陷完全清理干净,即使不磨穿,所剩焊道厚度也不大,返修焊时很容易将根部烧穿或烧塌,返修难度相当大。所以,焊接时,应小心仔细,尽量避免这两类缺陷的产生。5.4填充涂层缺陷填充盖面层焊接是指对基层的焊接,所以,填盖层的焊接缺陷通常有气孔和夹渣。5.5打焊工艺对复合层焊接工艺的影响对于根部缺陷,通常需要将焊道磨穿才能彻底将缺陷清除干净,而根部材质为不锈钢,所以,返修时难度很大。由于焊道两端通常已连接了相当长的钢管,已不能进行根部氩气保护,而只能用不锈钢焊条进行打底焊接。焊接前,将坡口加工成形,然后用ϕ2.5mm的E316-15(A207)超低碳不锈钢焊条进行打底焊,打底焊完成后,将焊道表面焊渣清理干净,然后用ϕ2.5mm的E309-15(A307)焊条进行过渡焊接,最后用E4315(J427)焊条进行填充和盖面。返修焊工应选择技术全面、过硬、责任心强的焊工进行操作。如果打底焊返修不成功,将复合层破坏,就只有将焊道割掉重焊,需要增加短截管。短截管的长度应大于500mm,增加短截管后,第一道焊口采用氩弧焊工