用异种钢焊接二氧化碳液体输送管道

中原油田建设集团公司

用异种钢焊接二氧化碳液体输送管道

杨金广 邓纪华中原油田建设集团公司

二氧化碳输送管道在与增压泵连接时需要焊接不锈钢法兰，焊接固定在Ø76mm×10mm的20#钢管上。由于不锈钢与碳钢在物理、化学特性上存在本质的不同，所以在现场焊接前，根据两种母材的化学成分、物理特性、焊接环境、焊接方式及工艺参数制定合理的焊接工艺措施。找出了1Cr13N i9不锈钢与20#碳钢异种钢焊接施工中的问题，并针对这些问题采取了相应的措施。

注CO2；输送管道；不锈钢；；碳钢；焊接

二氧化碳（CO2）输送管道在与增压泵连接时需要焊接不锈钢法兰，焊接固定在Ø76mm×10mm 20#钢管上。由于不锈钢与碳钢在物理、化学特性上存在本质的不同，所以在现场焊接前，根据两种母材的化学成分、物理特性、焊接环境、焊接方式及工艺参数制定合理的焊接工艺。

1 构件焊接性能

金属元素Cr在不锈钢1Cr13 Ni9中的含量界于11.5%～13.5%之间，C元素含量小于0.15%，Cr在铁晶粒中置换固熔，降低间隙固熔的C原子能量，使其不易析出，增加了过冷奥氏体的稳定性，防止珠光体的形成，再降温形成硬脆马氏体组织；同时在不锈钢1Cr13Ni9中，C当量约为2.75%～2.77%，这将直接导致其焊接性能较差。在导热性能方面不锈钢1Cr13Ni9与20#碳钢相比较，前者较差，使其焊接残余应力大于碳钢，所以在从焊接时的高温状态冷却至110℃左右时，易导致冷裂纹缺陷。构件在焊接过程中，由于热源的移动，产生焊件上某点温度的热循环，造成焊接区组织不均匀。产生复杂的应力、应变，表现为热影响区铁素体、碳化物组织粗大，降低不锈钢塑性，出现冷裂纹。

2 焊接中存在的问题

不锈钢1Cr13Ni9法兰和20#碳钢管线是2种不同的工程材料，化学成分差别较大，属异种钢焊接范畴，在手工电熔焊条件下，影响焊接质量的因素较多，焊接难度较大。

（1）两种钢材比热容、热导率对比。钢材的比热容是指钢材变化单位温度所吸收或放出的热量多少；钢材的热导率是指钢材内部对热量传递速度的快慢。由于两种焊材组成成分不同，导致比热容、热导率不同，这将影响到材料熔化的速度、熔池的形成、焊接区域温度场的形成以及焊缝结晶的速度。碳钢的热导率约是不锈钢的2倍，这将导致金属熔化不同步，从而影响熔池的形成，造成两种金属无法良好结合，使焊缝的内部结构及外观质量无法达到标准要求。

（2）两种钢材线膨胀系数的对比。线膨胀系数是指钢材温度每变化1℃，管材在线性方向上长度的变化。由于两种钢材线膨胀系数不同、形状不同、长度不同，这就使得在焊缝形成后的冷却过程中，焊缝两端收缩量有所不同，导致焊缝位置存在复杂的焊接应力，加速焊接裂纹缺陷出现。

（3）1Cr13Ni9不锈钢与20#碳钢焊接时同样存在焊缝稀释和形成过渡层的问题，导致20#碳钢一侧焊缝形成脱碳层而1Cr13Ni9不锈钢一侧形成增碳层，随着扩散的持久，使20#碳钢一侧的含碳量降低，变成了铁素体组织，从而使得接头焊缝组织变为奥氏体和铁素体的复合组织。

3 焊接工艺措施

为保证不锈钢与碳钢焊接接头不出现裂纹，应最大程度上使焊缝金属与接头熔合线组织保持一致性，并使不锈钢一端不出现明显的稀释现象，应采取如下施工工艺。

3.1 正确选择焊接材料和焊接方法

1Cr13Ni9不锈钢与20#碳钢焊接接头的焊缝金属化学成分主要取决于填充金属。为了保证结构使用性能的要求，焊缝金属的成分应力求接近其中一种钢的成分。现场施工中，由2名焊工从构件的两侧对称焊接，采用的焊接方式为氩电联焊，选用A302焊条，这样不仅能减小焊接部位的变形，而且经回火处理后，管材与法兰联接构件具备更优越的力学性能，金属Cr在焊缝处含量为5.5%左右。

3.2 控制预热温度和焊接层间温度

（1）预热可以放慢焊后的冷却速度，加快焊缝中氢的逸出，避免焊接过程中产生裂纹缺陷，防止构件热影响区和焊缝处淬火过硬，提高抗裂性。

（2）构件焊接过程中会产生应力，对构件连接部分均匀预热，可以缩小构件与焊接区间的温度梯度，降低了焊接应力及应变速率，减少了焊接裂纹产生的可能性。

（3）构件预热会降低焊接结构约束度，尤其是角接接头。

（4）层间温度是指焊接时焊道的最高温度，根据焊接工艺评定，确定合适的层间温度区间，实际操作时应严格执行。温度低于区间下限，会使焊缝内部产生应力，且此时冷却速度较大，影响焊缝组织的结构；温度高于区间上限，会使熔池内金属温度过高，并升高母材温度，增大焊缝区金属晶粒，产生魏氏组织，影响构件的力学性能。

3.3 焊后温度的控制及回火热处理

构件焊后的温度控制即采用保温措施，使构件焊接接头组织完全转变成马氏体。构件焊后回火热处理主要有消氢、消除焊接应力、改善焊缝组织及焊缝综合性能的作用。回火主要有两种方式：整体高温回火和局部高温回火。前者消除焊接应力效果较好，能消除80%～90%的应力，但现场操作不便；后者虽然效果不如前者，但操作简便，适用于现场施工。

3.4 操作工艺

在焊接施工中，不锈钢焊接时易出现结晶体粗大、脆裂等缺陷，现场应采取以下工艺措施，以避免此类缺陷的出现：

（1）选用小的热输入，小的焊接电流以及较快的焊接速度。

（2）为保证不锈钢及碳钢受热均匀，宜采用短弧焊接方式，并适当将电弧偏向碳钢一侧。

（3）由于管线属于大壁厚的结构，应采用多层焊，并严格控制每一层焊缝的冷却温度，减少热量输入，减小焊道变形量，确保焊缝质量。

（4）焊后采取一定保温措施进行缓冷以防止裂纹缺陷的产生。

4 结语

通过以上分析，找出了1Cr13Ni9不锈钢与20#碳钢异种钢焊接施工中的问题，并针对这些问题采取了相应的措施。这些措施在实践中得到检验，并取得了成功，使得该技术在中原油田地面建设项目中得到广泛推广。

（栏目主持 杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.7.011