电厂建设奥氏体不锈钢管道焊接质量控制分析

杨 杰 马振北 中国电建集团山东电力建设第一工程有限公司

1 前言

不锈钢有很多种，在我国国家标准GB/T 13304—2008《钢的分类》中，根据不锈钢的金相组织可分为五类，即铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体-铁素体不锈钢、奥氏体型和不锈钢沉淀硬化。其中，奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性，优异的抗氧化性和最佳的机械性能，因此被广泛用于石油，化工，电力等行业。

在电力行业，常用的奥氏体不锈钢有1Cr18Ni9Ti，0Cr18Ni9，SA213-TP347H，SA213-TP304H，SA213-TP316L，SA213-TP304L等。其中SA213-TP347H，SA213-TP304H由于其高温强度，良好的耐久性和良好的耐磨性，它被广泛用于过热和加热蛇形管，这些蛇管具有较高的工作温度和压力，并受到烟道气的严重腐蚀。0Cr18Ni9，SA213-TP316L，SA213～TP304L具有低碳含量，低机械性能和良好的附着力。它们通常用于润滑具有低工作压力和低工作温度但要求高纯度的油管和仪用压缩空气管、热仪表管等。

2 工程特点

#1机组不锈钢管道主要包括热控仪表管道、热控取样管道、锅炉补给水管道、室外水箱管道、加药系统管道、凝结水精处理管道、制氢站管道、酸碱储存间管道等。主要施工区域为锅炉、汽机房、化学水处理、制氢站等施工区域。涉及到系统、材质比较多，工作量大，施工环境复杂。对工艺、工序要求较为严格，参与施工人员要具备相应的从业资格证和一定的工作经验，相关人员明确各自分工职责，做好施工前准备工作和技术交底，做好危险因素分析与排查工作。火电厂常用钢材为奥氏体不锈钢18Cr-8Ni（304、316、316H等）、奥氏体不锈钢24Cr-13Ni等，是火力发电机组中的常用不锈钢钢种，具有良好的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械特性。焊接过程中需要充氩保护以及层间温度的控制，焊接性良好，焊前无须预热，焊后也无须热处理。

3 奥氏体不锈钢的焊接特点

3.1 奥氏体不锈钢焊接接头热裂纹

（1）奥氏体不锈钢的热导率相对较低。通常，w（C）为1%的普通碳钢的热导率为45W/(m·K)，而不锈钢的热导率仅为16W/(m·K)。由于奥氏体不锈钢的线膨胀系数大，在焊接过程中，在局部加热和冷却条件下，可能会产生高拉伸应力。（2）奥氏体不锈钢的液相线和固相线范围大，结晶时间长，容易导致有害杂质如低熔点S和P的分离。低熔点杂质在晶界处的分离形成低熔点晶间液膜。在凝固过程中，低熔点晶间液膜在拉伸应力的作用下易于破裂。（3）奥氏体钢和焊接金的成分更为复杂。不仅杂质（如S和P）可以形成低熔点晶间液膜，而且某些合金元素（如Si和Nb）由于溶解度有限，还易于形成可溶性低共熔物，如硅化物共晶，铌化物共晶。这些共晶在弹性应力下也容易开裂。

3.2 奥氏体不锈钢焊接接头的耐腐蚀性

保持在400℃～850℃或缓慢冷却，奥氏体不锈钢会产生严重的晶间腐蚀破坏。这是由于晶界处Cr23C6的富Cr沉淀引起的，这导致周围的基体形成较差的Cr区域。碳含量越高，晶间腐蚀的趋势越大。当焊接奥氏体不锈钢时，焊缝和热影响区的晶间腐蚀特别严重，这可能导致晶粒剥落和钢零件变脆。此外，由奥氏体不锈钢制成的焊接接头也容易出现应力腐蚀开裂和凹坑腐蚀。应力腐蚀裂纹与焊接应力的存在密切相关。点蚀的主要原因是抗点蚀成分Cr和Mo的分离。

3.3 奥氏体不锈钢焊缝的脆化

（1）焊缝金属低温脆化。当在低温下使用奥氏体不锈钢的焊接接头时，焊缝金属的可塑性是一个主要问题，并且焊缝中铁素体的存在会导致焊缝塑料大量下落。因此，在低温下工作的焊接奥氏体钢应为纯奥氏体焊接，并且可以通过选择纯奥氏体焊条并制定合理的焊接工艺来获得纯奥氏体焊接。（2）焊缝σ相脆化。一旦将焊缝加热到高温一定时间，就会在焊缝中析出脆性的非磁性σ相，这会导致整个接头的松脱，并且会显著降低焊缝的可塑性和耐用性。σ相的析出温度在650℃～850℃之间变化。在高温加热期间，σ相主要由铁素体转变。加热时间越长，就会析出更多的σ相。

4 焊前的准备工作

4.1 焊工技能的确认

从事焊接作业的焊工必须持证上岗，按照相关规定严格进行作业。与此同时，上岗的焊工必须经过培训且考核通过，做好技术交底工作，确定无误后方可开始作业。

4.2 焊接材料的管理

焊条涂层在储存和运输过程中会吸收水分，这会增加涂层中的水分。使用前应将焊条干燥，以减少涂层中的水含量。目的是减少焊接过程中的飞溅，使焊接电弧稳定燃烧。防止在焊接中产生气孔；防止某些合金的焊接时，钢中氢引起的延迟裂纹。烘烤应使用温度可控制的特殊烤箱。用多少烘多少，随用随取。烘干后的焊条应放在保温筒内使用。外露超过2h应重新烘焙。重复不宜超过3次。

4.3 管道的坡口加工

不锈钢管的斜度可以用等离子加工或切割。在焊接之前，必须去除氧化物层和沟槽开挖。由于不锈钢和碳钢之间的接触会引起“渗碳”，因此在焊道和飞溅清洁中应使用特殊的砂轮和不锈钢刷。

5 奥氏体不锈钢管道焊接工艺及选材原则

火电厂不锈钢焊接施工中较常用的是奥氏体，如：0Cr18Ni9Ti、1Crl8Ni9Ti等。奥氏体不锈钢具有更好的耐久性，并且相对容易粘结。即使在焊接状态下，焊接接头也具有高电阻。但是，与普通碳钢相比，其热导率约为碳钢的1/3，其膨胀系数是碳钢的1.5倍。虽然奥氏体不锈钢具有较低的导热率和较高的膨胀系数，但是在焊接过程中容易发生变形和伸长。焊接质量主要取决于焊接工艺是否与母材兼容。因此，确定焊接工艺时应考虑以下因素。

5.1 焊接方法的选择

不锈钢常用的焊接方法有手工电弧焊、氩弧焊及等离子弧焊。主要根据系统设计介质温度、压力、施工条件和操作环境，以及施工成本等确定。在工艺管道施工中，因管径大小不等，且管道上阀门、热控仪表、取样管件较多，使得焊口位置变化较复杂。所以一般采用手工电弧焊。

在凝结水精处理系统管道施工中，由于输送的介质有一定清洁度要求（避免污染），况且管子口径均在Φ159mm以上，通常我们都是采用氩弧焊打底、手工电弧焊盖面的方式焊接。

5.2 焊缝坡口形式的选择

焊缝坡口应与焊接方法一起考虑，不同的焊接方法特点不同，所以坡口选择要求不同，坡口与管子壁厚、产品要求、实际情况有关，焊接时的穿透力（熔深）也不同。在施工过程中，应根据具体材料调整凹槽的间隙和角度。如果槽尺寸太大，不仅会增加施工成本，还会使接缝应力过大，容易变形和开裂；当沟槽尺寸很小时，容易出现质量缺陷，例如渗透不完全和夹渣。当使用手工电弧焊进行工作时，因为不锈钢的渗透性低于碳钢焊条。因此，必须适当增加沟槽的角度和间隙，可以根据规范给出的正偏差值进行检查，也可以通过试焊来确定。

奥氏体不锈钢管道口径多为中径（Φ159mm）以下薄壁管道，坡口形式间隙相比碳钢管较大，坡口形式一般选择V型坡口。

5.3 焊接材料的选择

焊接材料的选择主要应从母材的化学成分、管道介质温度和压力、焊机电流（交流或直流），各种考虑因素，例如焊接方法和焊接过程中的环境温度。奥氏体不锈钢通常使用铬镍不锈钢电极（品牌前缀“A”）。可以根据电极的成本效益选择特定等级。

当需要下沉氩弧焊时，通常选择含Ti和Nb的氩弧焊丝，钨极为铈WCe-20钨极，惰性保护气体为99.99%氩气。

6 奥氏体不锈钢焊接过程中易出现的问题及解决办法

6.1 裂纹

在焊接应力和其他脆性因素共同作用下，局部焊接接头区域中金属原子的结合强度被破坏，并形成新的界面，从而产生裂纹。产生原因主要是熔池结晶时，受到拉应力的作用，凝固时低熔点晶间液膜受拉应力而开裂。为了防止焊接裂纹，应减少焊缝中的S，P等杂质的含量，防止熔池中低熔点晶间液膜的产生；同时，应控制焊缝形状，避免焊缝深而窄。此外，可以采用钨极氩弧焊或采用碱性焊条焊接，焊条经过烘焙后保温桶盛装，采用小电流、快速焊、一次焊接成型。

6.2 咬边

产生咬边缺陷的原因是焊工操作不当或焊接工艺参数选择不当，或施焊时焊丝、焊条、焊枪角度不当，使熔化的母材未被焊缝金属所填满。为了防止咬边，应选择合适的电流、焊条角度和焊速，焊缝两侧适当延长停留时间。

6.3 气孔

由于高温时焊缝溶解了很多气体（如H2，O2），这些气体在焊缝凝固过程中来不及逸出就会产生气孔。最根本的解决办法就是消除H，O的来源，将焊丝、母材表面的水分、油污等清理干净，焊条按要求烘干，同时操作时降低焊接速度、加大焊接电流、进行短弧焊接也能有效防止气孔产生。

6.4 未焊透

焊接时根部未完全熔透。主要原因有坡口钝边过大、坡口角度小、对口间隙小、焊丝或焊条角度不当、焊接电流过小、焊接速度过快、电弧过长、坡口或层间氧化皮等没有清理干净。防止未焊透的主要方法有：选择合适的焊接电流、坡口钝边、对口间隙及坡口角度，焊接时长弧预热再压低施焊，使根部充分熔合。

6.5 焊瘤

焊接过程中，焊缝金属流到焊缝之外的母材上，形成金属瘤。主要原因是熔池温度过高、焊材伸入太深、熔化金属背面过多所致，焊材角度不当及焊接速度过慢也是主要原因。选择合适的焊接电流、对口间隙不宜太大能有效防止焊瘤产生，操作上应注意焊条摆动时中间稍快些，两边稍慢，一旦发现熔池有下坠现象，立即灭弧。

6.6 夹渣

在焊接过程中，熔池中产生的氧化物和硫化物迅速硬化并保留在焊接金属中，形成熔渣夹杂物。主要原因是焊接电流很小，不能区分液态金属和渣。焊接速度非常快，炉渣为来不及浮起。连接器清洁不干净；焊条角度不正确等，为了避免夹杂炉渣，在焊接过程中应选择合理的焊接电流和适当的焊接速度，并应控制沟槽两侧的电弧停留时间，并应加强各层之间的间隙。

7 结束语

影响奥氏体钢焊接质量的因素有很多，为了改善焊接质量，必须遵守相关技术规程和产品技术条件，并根据实际情况，合理选用焊接材料和焊接工艺参数，保证设备达到使用要求。