大口径厚壁S32205双相不锈钢管道焊接技术

田彩刚

中国石油天然气第一建设公司，新疆库尔勒 841000

大口径厚壁S32205双相不锈钢管道焊接技术

田彩刚

中国石油天然气第一建设公司，新疆库尔勒 841000

S32205双相不锈钢综合了铁素体钢和奥氏体钢良好的塑性、韧性、耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀性能，具有较高的机械强度。但在大管径、厚壁管S32205双相不锈钢管道焊接施工时，发现铁素体含量普遍偏低，且厚壁管的壁厚越厚，铁素体含量越低。针对具体工程，分析了影响铁素体含量的要因，通过采取优化焊接工艺参数、控制焊接电流和焊接速度、强制冷却、优选焊条等措施，减少了奥氏体组织的形成，避免了有害中间相的析出，使得焊道铁素体质量分数由23%～26%提高到37%～42%，达到了改善焊道室温脆性、韧性和耐腐蚀性的目的。

厚壁管；S32205双相不锈钢；焊接；铁素体

塔里木油田公司克拉苏气田大北区块天然气处理厂为西气东输气源地之一，设计天然气处理能力30亿m3/a。井口的高压、高含硫、高含氯离子的原料气，经集气装置、脱水脱烃装置进入该处理厂进行处理，处理厂的设计运行压力为16 MPa，因此，对处理厂该部分的设备及管道的材质性能要求较高。我单位承接了该天然气处理厂的施工任务，整个处理厂需要焊接S32205双相不锈钢焊口1 106道，最大管径406 mm，最大壁厚17 mm。在该工程中，塔里木油田公司首次使用了国产S32205双相不锈钢管材料，因此建设各方对此非常重视。

在不锈钢焊接中，铁素体含量过低就会造成焊道强度、耐晶间腐蚀、耐氯化物应力腐蚀性能降低；铁素体含量过高，焊道塑性、韧性降低，产生室温脆性。所以焊道铁素体含量是影响焊道强度、耐蚀性等性能的关键因素。按照Q/SY TZ 0110-2004《2205双相不锈钢材料焊接施工及验收规范》要求，焊道铁素体质量分数必须控制在30%～60%之间。业主方要求铁素体质量分数尽可能控制在36%～45%之间。

1 管材

本工程所用S32205管材由山西太钢不锈钢管有限公司生产，为焊接直缝管，化学成分见表1。

表1 管材化学成分质量分数/%

2 焊接工艺的确定

受项目部委托，我公司焊培中心对该项目的焊接工艺进行了评定，试件规格为φ168 mm×11 mm，选用的焊 丝型号为 ER2209，焊丝牌号 为H03Cr22Ni18Mo3N，直径为 2.5 mm；焊条型号E2209-16，牌号为JWE2209-16，直径为3.2 mm。焊接工艺条件、参数见表2～3，焊接接头示意见图1。

表2 S32205钢材焊评焊接工艺条件

图1 焊接接头示意

3 现场施工中出现的问题及解决措施

3.1 现场焊接出现的问题

正式施焊前，项目部组织通过考试的焊工试焊了2道φ325 mm×14 mm规格的S32205双相不锈钢焊道，检测得到铁素体质量分数为27.6%和25.3%，不符合规范要求。随后，项目部组织试焊了规格为φ168 mm×17 mm和φ168 mm×7 mm的焊道各2道，检测壁厚17 mm焊道的铁素体质量分数为24.8%和25.2%，均不合格；壁厚为7 mm焊道的铁素体质量分数为34.5%和33.8%，铁素体含量合格。从试焊结果初步判断，铁素体含量偏低现象主要存在于厚壁管焊道，壁厚越厚，铁素体含量越低。

表3 S32205钢材焊评焊接工艺参数

3.2 现场问题分析与对策的制订

质量分析小组通过调查和分析，对影响因素进行了剖析，找出了问题发生的主要影响因素，并针对性地制订了对策[1-3]，见表4。

3.3 对策的实施过程

（1）对策实施过程1：解决表4要因1“焊接速度较慢”的问题。

焊接速度的提高可以从两方面来控制，一是采用多层多道焊，二是采用多层单道摆动焊，即通过选用更薄的填充厚度来提高焊接速度。但无论采用哪种方法，后一焊道都会影响前一焊道，从而导致更多的奥氏体析出，降低铁素体含量，见表5。

经对比发现，对于壁厚大于12 mm的管道，自第4层开始全部采用多层多道焊（微摆动）来提高焊接速度，这样便于保持较小的线能量，有利于铁素体的保持。

表4 要因对策

表5 多层多道焊与多层单道摆动焊对比

（2）对策实施过程2：解决表4要因2“焊接电流过大”的问题。

焊接作业指导书要求焊接电流为90～120 A，焊接试件操作电流为105 A。但焊工为了保证焊接速度，在开始进行厚壁管焊接时，也均使用了120 A的焊接电流。

经多次试验，优化了焊接参数，规定初始焊接电流不大于115 A，当焊道两侧母材温度上升到65℃后，控制焊接电流不大于105 A，以保持较小的线能量，见图2。

图2 焊接电流调整前后输入线能量对比

通过在焊接不同阶段对焊接电流进行调整，既保证了焊接初期焊条正常融敷，又避免了焊接后期线能量输入较大，不利于铁素体形成的不利因素。经过对比试验，焊接电流调整后，焊道铁素体质量分数能够提高2%～3%。

（3）对策实施过程3：解决表4要因3“管壁较厚、热量散失慢”的问题。

查阅资料发现，焊接过程中融敷金属组织从凝固点到1 200℃为铁素体组织，从1 200℃降至800℃时奥氏体从铁素体中析出，从800℃降至470℃时将可能有中间相析出，这会使焊接接头的耐蚀性和韧性下降。因此，将焊道温度迅速由1 200℃降低到470℃以下，不仅可以提高铁素体含量，更能够避免有害中间相的析出。

厚壁管焊接时，可以通过采用提高焊缝、热影响区与母材温差的方法，达到快速降温的目的。

经过多次试验，在第2层焊道焊接前，将石棉布浸湿，包裹在焊缝两侧100 mm以外，并及时往石棉布上补充水分，焊接完毕后将石棉布移至距焊缝50 mm处，继续在石棉布上补充水分，达到提高热传导的作用，强制冷却。经检验，在整个施工过程中，S32205双相不锈钢焊接未产生气孔缺陷。

现场随机抽检1道焊道进行了“有害金属间相检测”和“沸腾MgCl2应力腐蚀检测”。经西安摩尔石油工程实验室检测，“有害金属间相检测”和“沸腾MgCl2应力腐蚀检测”全部合格。

经过对比发现，在相同条件下，通过采取降温措施，提高热传导作用，铁素体质量分数平均增加3.2%，改善了焊道耐腐蚀性和韧性。

（4）对策实施过程4：解决表4要因4“焊接材料铁素体含量较低”的问题。

考虑到在焊接工艺评定和焊工实际操作考试中，铁素体质量分数均在32%～35%之间靠近下限值的情况，对标称铁素体质量分数为30%的某牌号的焊条进行了铁素体检测，检测结果为铁素体质量分数为28%～30%。

经过市场调查，项目部采购了型号同为E2209-16，而由另一厂家生产的焊条，其铁素体质量分数检测结果为42.9%，见表6。

表6 同型号两种牌号焊条使用效果对照

经过对比发现，通过选用合适的焊条，焊道铁素体质量分数比试焊件提高了4.2%。

4 结束语

实践证明，通过优化焊接工艺参数，控制焊接电流和焊接速度，减少线能量输入，采取强制冷却措施，优选焊条，减少了奥氏体组织的形成，避免了有害中间相的析出，大口径、厚壁管焊道的铁素体质量分数由23%～26%提高到37%～42%，达到了提高焊道铁素体含量，改善焊道耐腐蚀性和韧性的目的，焊接一次合格率达到98%，满足了业主的要求，收到了良好的效果。

[1]岳斌，马鹏举，王大治，等.2205双相不锈钢的焊接工艺研究[J].化工机械，2009，36（1）：5-8.

[2]李为卫，宫少涛，熊庆人，等.2205双相不锈钢的焊接性及焊接技术[J].热加工工艺，2006，35（3）：36-38.

[3]姜方，曹晓燕，施岱艳，等.双相不锈钢在油气工业中的工程应用[J].天然气与石油，2011，6（3）：58-60.

DualPhase Stainless SteelS32205 Welding Technologyfor Pipeline with L arge Diameter and Thick Wall

TIAN Caigang
China Oiland NaturalGas First Construction Company，Kuerle 841000，China

Dual phase stainless steel S32205 combines the good performances of ferrite steel and austenite steel，such as good plasticity，toughness，intergranular corrosion resistance，chloride stress corrosion resistance and higher mechanical strength.But it is found in S32205 steel welding construction that the ferrite content in S32205 steel is generally low，and the thicker the pipe wallis，the lower the ferrite content is.For an actualproject，the key factors affecting ferrite content is analyzed.By taking the measures of optimizing welding process parameters，controlling welding current and welding velocity，compulsory cooling and optimal welding rod selection，the austenite organization formation is reduced.The harmful medium phase precipitation is avoided.Thus，the mass fraction of the ferrite in welds increases from 23% ～26% to 37% ～42%.The goals of improving weld brittleness and toughness at room temperature as wellas corrosion resistance are reached.

thick-walled pipe；dualphase stainless steelS32205；welding；ferrite

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.013

田彩刚（1982-），男，河北石家庄人，工程师，2007年毕业于辽宁石油化工大学机械设计制造及其自动化专业，现从事油气田地面建设施工管理工作。254788998@qq.com

2016-06-25