不銹鋼復合管道焊接工藝

0不銹鋼復合管道伊哈吉忠團站位于新疆庫車縣。主要任務是對凝析油進行分離和提取，收集和儲存凝析油來自處理站附近的各種開采井。由于從井口采集的凝析油存在大量腐蝕介質,其中以Cl-(NaCl)的腐蝕最為嚴重,其含量為115900mg/L。同時,管道設計壓力為30MPa,屬高壓管道。我公司本次施工的目的是對2002年投入運行的井口附近碳鋼管道進行改造,因為舊的碳鋼管道由于受到嚴重腐蝕,已有多個井口管道發(fā)生泄漏,存在極大安全隱患。為了在保證管道運行安全的前提下節(jié)約投資,設計采用了不銹鋼復合管道,其基材采用20G材質,復合層采用1.5mm厚的316L不銹鋼材質。這次改造工程共有不銹鋼復合管6km左右,我公司首次焊接不銹鋼復合管道,沒有相關經驗可借鑒。并且,此工程竣工后,將緊接著對所有井口至集中處理站的所有碳鋼管道進行更換,大約40km的不銹鋼復合管焊接工作量。以?114mm×(12+1.5)mm不銹鋼復合管為例,系統(tǒng)介紹不銹鋼復合管的焊接工藝特點。131不銹鋼復合層材料316L+20G不銹鋼復合管基材采用常用的20G材質,屬優(yōu)質低碳鋼,是壓力容器和壓力管道的常用鋼材。具有較高的強度和良好的塑韌性,焊接性很好?；暮穸纫话爿^大,其主要作用是承受介質壓力。復合層為316L奧氏體不銹鋼,316L等同于00Cr17Ni14Mo2,是一種超低碳不銹鋼,具有優(yōu)異的耐蝕性。復合層厚度一般較小,從而將生產成本控制到最低。316L不銹鋼化學成分見表1。由于受生產工藝和技術的限制,目前國產的復合鋼管還不能象復合板材一樣,基層和復合層完全熔焊在一起。復合管的基層和復合層實際上只是通過內擠外壓達到緊密接觸,由于接觸面有空氣、水分和油污等雜質,給焊接造成了難度。2邊坡設計、加工和組成2.1半門設計坡口尺寸設計和焊道設計見圖1。2.2砂輪機復合層的制備坡口采用坡口機或車床進行加工,封焊前用角向砂輪機(不銹鋼專用砂輪片)進行除銹,加工時應注意不要傷及復合層。在正式組焊前用角向砂輪機對復合層進行整形打磨,并除去管端的鐵銹,油污和水分。管端內壁用內磨機打磨平整,露出金屬光澤,加工量不宜過大。2.3固定和密封設計方案組對應在坡口加工及坡口清理干凈后進行,組對應符合相關標準的要求。組對前先將背面氣體保護裝置裝入坡口內,一端用鐵絲拴牢后以便焊接后拉出管外。組對完畢后,用連接塊進行點焊固定,固定兩個點,分別為12點位和3點位,連接塊材質應和基層材質一樣,為20G。然后用透明膠將坡口密封,由于氬氣氣密度比空氣大,所以應在12點位開一小孔以便管內空氣排出。將背面保護氣打開進行氬氣置換,置換進行10min后,用測氧儀檢測保護氣體純度,當氧含量低于150×10-6時,即可開始焊接。氬氣內保護裝置及充氬方法見圖2。3焊接工藝參數(shù)3.1復合管復合層的焊接由于不銹鋼導熱系數(shù)小,且焊接時高溫停留時間不宜太長,所以,焊接復合層時,應選擇熱輸入量小的焊接方法。同時,由于復合管的焊接順序為先焊復合層,后焊基層,所以,復合層的焊接質量是整個焊接過程中最為重要的,故應考慮采用焊接質量高的焊接方法。手工鎢極氬弧焊具有以上特點,是復合管復合層最為理想的焊接方法。由于復合層和基層之間沒有熔焊在一起,所以在組對前必須首先進行封焊。封焊應選用熱輸入量小的焊接方法,所以,對于封焊,我們仍然采用手工鎢極氬弧焊。對于過渡層,其熔敷金屬成分十分復雜,為了使合金濃度梯度不致于太大,應選擇熱輸入稍微大一些的焊接方法,所以,我們選擇焊條電弧焊進行焊接。由于基層材質為20G,是一種常見的材質,焊接工藝也十分成熟,所以對于基層的焊接,仍然采用焊條電弧焊,以提高焊接施工效率。3.2焊接材料的選擇3.2.1封焊層和不銹鋼焊接由于復合層和基層之間沒有熔焊在一起,所以在組對前必須首先進行封焊。由于復合層厚度只有1.5mm,所以封焊層選用ER316L(H00Cr19Ni12Mo2)?1.2mm不銹鋼焊絲。不銹鋼焊接選用焊材的基本原則是與母材化學成分相匹配,所以,這種焊絲化學成分和316L不銹鋼最為接近,其熔敷金屬化學成分見表2。打底焊道,同樣采用ER316L焊絲,直徑2.0mm,可以提高焊接效率。3.2.2材料的熔貼材料過渡層的熔敷金屬由于存在合金被稀釋的問題,為保證過渡層中鉻鎳合金的比例,過渡層焊接材料的鉻鎳含量應比母材偏高。所以,我們選用E309-15(A307)焊條,其熔敷金屬化學成分見表3。為保證打底焊層不被燒穿,選用?2.5mm焊條進行過渡層的焊接。3.2.3氫型焊材由于基層材質為20G,所以選擇E4315(J427)低氫型焊條最為合適,可以保證焊縫金屬的強度和得到很好的塑韌性。蓋面層采用?4.0mm的焊條可提高焊接效率。所有焊條在使用前應按說明書進行烘烤,并做到妥善保管,隨取隨用。3.2.4氣的使用氬氣純度不低于99.99%,如果焊接時發(fā)現(xiàn)焊道表面無金屬光澤,顏色呈灰色或黑色,說明氬氣純度不夠,應及時更換。3.3焊接參數(shù)焊接工藝參數(shù)見表4。表中的DC-表示鎢極或焊條接負。4316-20兄弟的復合管焊接技術4.1熔池的焊接封焊層的焊接是復合管焊接的關鍵工序,是復合管焊接質量的重要保證。由于復合管的基層和復合層實際上只是通過內擠外壓達到緊密接觸,接觸面存在空氣、水分和油污等雜質。焊接時雜質受熱會分解為水蒸氣和CO2氣體,在熔池內產生大量氣體,嚴重時發(fā)生爆裂破壞熔池。所以,焊接之前應仔細清理接觸層,必要時用丙酮清洗坡口表面。焊接時,應注意觀察熔池,如果發(fā)現(xiàn)熔池由里往外冒氣泡,或是發(fā)生爆裂時,應立即停止焊接,將接頭處打磨干凈后重新開始焊接。焊接時,電流不宜過大,應控制在60A左右,以防止復合層被燒穿,擺幅不宜過大,焊接速度應稍大一點,焊道不宜太厚太寬,以免增加坡口加工量并給打底焊增加難度。焊接完成后焊道表面應呈銀白、金黃或藍色,焊道成形均勻、美觀。4.2焊接焊接及密封性能觀察打底層焊接是復合管焊接質量要求最高的工序,焊工必須具有過硬的技術水平和高度的責任感。如果打底層出現(xiàn)焊接問題,返修時將會十分困難。為了保證根部質量,采用鎢極氬弧焊進行焊接,焊接前將封焊層焊道打磨平整。焊接順序由下到上,對稱焊接,注意觀察熔池成形和鐵水是否到位,并注意鈍邊是否被完全熔化。焊接電流應合適,控制在80～100A以內,過小的電流容易造成未焊透,過大的電流容易造成根部內凹。在焊完一段焊縫后,用手電筒觀察根部焊道表面顏色,若呈灰色和黑色,說明根部保護不佳,應檢查內保護器密封性能是否良好,檢測氧含量應不高于150×10-6。焊接時,若風速超過4m/s,應使用防風棚,以保證焊接質量。4.3熔敷金屬合金的焊接過渡層是復合管熔敷金屬合金成分最為復雜的焊層,如果焊接參數(shù)選擇不當,容易造成熔敷金屬合金濃度梯度過大,從而影響接頭的防腐蝕性能。焊接時采用?2.5mm焊條,過小的焊接電流易造成層間未熔合及熔敷金屬合金濃度梯度較大,過大的電流易將根部燒穿。填充、蓋面層采用焊條電弧焊。4.4焊縫兩側水冷冷卻由于不銹鋼導熱系數(shù)僅為碳鋼的1/3左右,且不銹鋼高溫時間過長時容易產生晶間滲碳現(xiàn)象從面導致晶間腐蝕,所以焊接時不但要采用小參數(shù)進行焊接,而且要將層間溫度控制在150℃以下。對于全不銹鋼管,每道焊縫完成后時可以用水直接冷卻,但復合管如果直接冷卻會造成碳鋼的淬硬。當基層厚度較大而環(huán)境溫度又比較高時,如果直接空冷,既降低了生產效率又使焊縫金屬高溫停留時間過長,所以,采用焊縫兩側水冷的冷卻方法。所謂兩側水冷法,就是將濕毛巾包裹在距焊縫80mm以外的兩側鋼管上,并適當澆水,將焊縫及熱影響區(qū)溫度盡快降到150℃以下。5復合管道的主要缺陷和防止措施5.1兩側讓邊難以分布根部未焊透和內凹產生的主要原因是氬弧焊時焊工操作不當,焊接時應仔細觀察熔池形狀,注意兩側鈍邊是否完全熔化,鐵水是否到位。正常情況下,這兩種缺陷是不容易出現(xiàn)的,但是,如果坡口間隙過小或是鈍邊過大,就容易造成未焊透。焊接時,如果產生磁偏吹,也容易造成單邊未焊透和內凹。所以,在焊接過程中,遇到上述兩種情況,就應立即停止焊接進行處理后再繼續(xù)施焊。5.2氣孔的形成和檢驗過渡層氣孔是復合管常見缺陷,產生的主要原因是過渡層焊接時,電弧將封焊層熔化,同時由于復合層和基層之間存在的雜質在受熱后分解,產生大量氣體,不能及時逸出,從而形成氣孔。過渡層氣孔一般呈不規(guī)則狀,且尺寸較大,或是呈連續(xù)分布狀。為了避免氣孔的產生,首先應注意封焊層的焊接質量。焊接過程中,如果感覺到熔池中有氣泡冒出或是發(fā)生爆裂,應立即停下,用砂輪機將接頭打磨干凈后重新施焊。焊接過渡層時,也應仔細觀察熔池,若發(fā)現(xiàn)熔池中有大量氣泡冒出,一定不要以為靠熔池運動就能將氣體排出,應立即停止焊接,此時通常會看到深度較大的貫穿性氣孔,將缺陷清理干凈后繼續(xù)施焊。5.3層間未熔合的缺陷層間未熔合(圖3)的產生機理和過渡層氣孔相似,也是由于復合層和基層之間存在的雜質在受熱后分解造成的,雜質分解產生的氣體吸走了熱量,并在瞬間形成氣膜,熔池不能將上一層焊道表面熔化,從而導致層間未熔合。所以,層間未熔合一般存在于過渡層,少部分存在于過渡層與碳鋼填充層之間。面積較大,呈不規(guī)則塊狀。對于這種缺陷的防止措施,和過渡層氣孔的方法一樣。以上兩種缺陷,由于其深度接近于根部,返修時經常要將焊道磨穿才能將缺陷完全清理干凈,即使不磨穿,所剩焊道厚度也不大,返修焊時很容易將根部燒穿或燒塌,返修難度相當大。所以,焊接時,應小心仔細,盡量避免這兩類缺陷的產生。5.4填充涂層缺陷填充蓋面層焊接是指對基層的焊接,所以,填蓋層的焊接缺陷通常有氣孔和夾渣。5.5打焊工藝對復合層焊接工藝的影響對于根部缺陷,通常需要將焊道磨穿才能徹底將缺陷清除干凈,而根部材質為不銹鋼,所以,返修時難度很大。由于焊道兩端通常已連接了相當長的鋼管,已不能進行根部氬氣保護,而只能用不銹鋼焊條進行打底焊接。焊接前,將坡口加工成形,然后用?2.5mm的E316-15(A207)超低碳不銹鋼焊條進行打底焊,打底焊完成后,將焊道表面焊渣清理干凈,然后用?2.5mm的E309-15(A307)焊條進行過渡焊接,最后用E4315(J427)焊條進行填充和蓋面。返修焊工應選擇技術全面、過硬、責任心強的焊工進行操作。如果打底焊返修不成功,將復合層破壞,就只有將焊道割掉重焊,需要增加短截管。短截管的長度應大于500mm,增加短截管后,第一道焊口采用氬弧焊工