S31803双相不锈钢管线焊接方法及应用

袁启东，陈不友，黄 鑫，姜荦荦

（深圳海油工程水下技术公司，广东深圳 518067）

0 引言

双相不锈钢从20世纪40年代诞生以来，已发展到第3代。其主要特点有：1）屈服强度高，可达400～550 MPa；2）在抗腐蚀方面，特别是介质环境比较恶劣（如海水、氯离子含量较高）的条件下，双相不锈钢的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性能明显优于普通的奥氏体不锈钢，可以与高合金奥氏体不锈钢媲美。基于双相不锈钢全面和良好的综合性能，在各种焊接制造业已得到极广泛的应用，尤其在石油平台建设及改造项目中，双相不锈钢已成为不可缺少的生产材料。

在对双相不锈钢性能特点进行分析的基础上，了解双相不锈钢S31803的焊接特点，设计双相不锈钢S31803的焊接工艺试验，通过焊后各项试验分析，进而认可双相不锈钢的焊接工艺及技术，通过比较分析不同的焊接工艺方法，确定各种焊接工艺方法的最佳适用范围。

1 S31803钢管的特性

1.1 焊接特性

S31803双相不锈钢具有良好的焊接性能，与铁素体不锈钢及奥氏体不锈钢相比，其既不像铁素体不锈钢的焊接热影响区，塑韧性随着晶粒严重粗化而大幅降低，也不像奥氏体不锈钢那样，对焊接热裂纹比较敏感。其导热系数大，线膨胀系数小，使焊后呈现良好的双相组织，具有优秀的耐晶间腐蚀和塑韧性。

1.2 化学成分及机械性能

化学成分及机械性能见表1、表2。

表1 S31803钢管化学成分（单位：%）

表2 机械性能

2 S31803焊接方法

依据S31803双相不锈钢材料的物理性能、力学性能和化学成分，按等强度（或强度偏高于母材）及成分相近或相同的原则选择焊接材料，可以选Sandvik 22.9.3LR焊条和Sandvik 22.8.3L焊丝作为双相不锈钢S31803焊材，其化学成分及机械性能见表3和表4。

表3 化学成分（单位：%）

表4 机械性能

由焊丝和焊条的化学成分可知：C、P、S含量非常低，Mn、Cr、Ni、Mo、N含量均很高，与母材钢管的Ni含量偏高，镍含量是保证焊缝金属在较高的抗拉强度下获得韧性的有效手段；同时，Ni元素还可以降低脆性断裂的倾向。而Mn含量与母材相当，这样既保证了焊缝化学成分和机械性能，又能有利于细化晶粒，提高焊缝的低温韧性。

众所周知，P是增加冷脆性的有害元素，易产生焊接裂纹；焊缝金属中磷含量从0.01%提高到0.04%时，室温缺口冲击韧度从200 J降低到20 J。S会增加焊缝金属的热脆性，易使焊缝产生热裂纹和气孔，是有害杂质。为保证焊缝金属具有足够的韧性，P、S含量应低于母材。

鉴于焊接材料可以使用焊条和焊丝2种，因而对应的焊接方法及组合焊接方法有3种。第1为氩弧焊（GTAW），第2为手工电弧焊（SMAW），第3为氩弧焊与手工电弧焊组合焊接（GTAW＋SMAW）。然而，在手工电弧焊中使用焊条焊接时，因此种焊条焊接熔化后熔池熔液黏稠度较大，打底焊易于形成未焊透或未熔合，不适用于打底焊接。故此手工电弧焊方法不适用于此双相钢焊接，最终焊接方法只有：1）氩弧焊（GTAW）；2）氩弧焊与手工电弧焊组合焊接（GTAW＋SMAW）。

3 焊接工艺评定

根据确定的2种焊接方法，严格进行6G位置的焊接工艺评定，可知工艺评定是合格的[1]。

3.1 焊接工艺参数

焊接工艺组对的坡口尺寸设计见图1及工艺参数设计详见表5和表6。

表5 GTAW焊接工艺参数[2-3]

表6 GTAW＋SMAW焊接工艺参数

图1 坡口尺寸设计及焊层设计（单位：mm）

3.2 焊接工艺评定的主要试验

焊接工艺评定的主要试验见表7、表8、表9、表10[4]。

表7 GTAW拉伸、弯曲性能试验结果

表8 GTAW+SMAW拉伸、弯曲性能试验结果

表9 -90 ℃冲击韧性试验结果

表10 22 ℃、24 h点腐蚀试验结果

4 GT AW和GTAW+SMAW方法建议应用范围

4.1 GTAW和GTAW+SMAW方法对比

根据焊接参数，2种方法最大不同时填充和盖面方法不一样，方法不一样主要反映于焊接速度、熔敷金属量上，最终体现于完成时间长短[5]。

由表5和表6参数可知，GTAW焊填充速度最快为62 mm/min，SMAW焊填充速度最快为147 mm/min，假设GTAW焊填充焊接速度为v1、熔敷率为η1，SMAW焊填充焊接速度为v2、熔敷率为η2，单道焊缝体积为V，单道焊缝截面积为A，GTAW完成单道焊时间T1，SMAW完成单道焊时间T2。2种方法在完成相同厚度（相同截面积）、相同体积单道焊的时间计算公式为

由此可得：T1/T2＝v2η2/v1η1。

由相关标准可知：GTAW焊熔敷率为0.95，SMAW焊熔敷率为0.55。因此，T1/T2＝1.37。

即GTAW完成单道焊时间是SMAW的1.37倍，这是理论的计算量，通过实际的测量完成同一长度、同一体积量的焊道填充焊接，GTAW用时约为SMAW的1.5倍左右。盖面焊接和填充类似，GTAW用时约为SMAW的1.5倍。

4.2 GTAW和SMAW方法的焊道宽度及同板厚焊道数量

通常焊道宽度确定最佳要求是焊条或焊丝的3倍直径，即：GTAW的焊道宽度为8 mm最佳，SMAW的焊道宽度为10～12 mm。一般正常情况下，焊接每道焊道的厚度为3 mm。由此可知，GTAW在9 mm厚度以下为单焊道，而SMAW在12 mm以下时为单焊道[4-5]。

按60°坡口核算，不同板厚的焊道数量见表11。

表11 不同板厚的焊道数量

经多次实践施工显示，随着焊道数量的增加，焊缝焊接完成时间也会额外增加。经粗劣统计得出，2种焊接方法在15 mm以下厚度完成时间基本不增加，GTAW方法在18～24 mm的厚度相比SMAW方法完成时间增加5%～10%，焊接厚度为24 mm以上，焊道数量增加更为严重。

4.3 GTAW、GTAW+SMAW方法建议应用范围

根据4.1、4.2章节的分析，相同板厚的焊缝完成时间，GTAW大约为GTAW＋SMAW的1.5倍，板厚越厚GTAW＋SMAW速度越优越。考虑GTAW的合格率比GTAW+SMAW的合格率优越，建议GTAW和GTAW＋SMAW方法的应用范围见表12。

表12 GTAW和GTAW+SMAW方法的建议应用范围

5 结论

通过对双相不锈钢S31803的氩弧焊（GTAW）和氩弧焊＋手工电弧焊（GTAW＋SMAW）的焊接评定试验，验证了氩弧焊（GTAW）和氩弧焊＋手工电弧焊（GTAW＋SMAW）工艺均可适用于双相不锈钢S31803焊接；同时，通过分析比较这2种方法的完成时间、合格率和管直径等方面因素，提出氩弧焊（GTAW）和氩弧焊＋手工电弧焊（GTAW＋SMAW）工艺的建议使用范围，以此给予参考。