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    厚壁不銹鋼管道焊接變形分析及控制方法

    作者:www.fireeye100.com 點擊: 日期:2020-06-12 15:32
    焊接變形是焊接中的質量通病,厚壁不銹鋼管道因導熱慢、熱變形系數高、熔池填充量大等特性,導致其焊接變形更加難以控制。本文分析了焊接變形產生的原因,采取焊前、焊中、焊后的幾種反變形方法對焊接變形加以控制,保證了厚壁不銹鋼管道的焊接質量。

    隨著油田油氣層中二氧化碳、硫化氫等酸性介質濃度不斷升高,高壓天然氣管道逐漸采用厚壁不銹鋼材質(壁厚大于8mm)來替換碳鋼管道,以保證管線的耐腐蝕性能。但由于不銹鋼材質具有熔點高、熱膨脹系數大、熱影響區大等特性,導致焊接后極易產生焊后變形、應力集中等問題[1]。本文通過分析焊接變形、焊后應力等問題產生的原因,有針對性地采取反變形控制方法,減小了焊接變形和應力的產生,達到了提高焊接質量的目的。

    1焊接變形原因分析

    熱膨脹系數高

    奧氏體不銹鋼熱膨脹系數約為低碳鋼的1.5倍,不銹鋼材質受熱膨脹影響更大、更容易產生變形[2]。如圖1所示“低碳鋼、奧氏體不銹鋼熱膨脹系數對比表”。

    1.2熱影響區大

    不銹鋼中含有13%以上的鉻元素,鉻的熔點達1855℃,導致不銹鋼管道焊接過程中要求焊接電流更大、熔池溫度更高。厚壁管熔池及填充量更大,焊接層數多在3層以上,加劇了焊接過程中的變形。如圖2所示焊接熱影響區示意圖。

    1.3焊接應力產生

    焊縫熔合區受高溫熱源的影響被急劇加熱并熔化,而周圍溫度相對較低區域對熔合區產生約束,從而產生應力;焊后熔合區材料冷卻收縮受到周圍區域不均勻溫度場的影響,產生不均勻的收縮變形,焊接及相鄰區域形成殘余應力。應力產生后不僅造成焊接變形,而且降低了母材局部耐腐蝕和物理性能。

    2焊接變形控制措施

    焊前預熱降低熱膨脹系數影響:如圖1所示,隨著溫度的升高熱膨脹系數也隨之升高,但高于一定溫度后(不銹鋼>150℃、低碳鋼>220℃)增長速率相對放緩[4]。利用這一特性,在施焊前進行焊前預熱,預熱溫度150℃,提前釋放大量的母材熱膨脹量,以減小其對焊接變形的影響。

    機械加工坡口:不銹鋼管線切割及坡口加工通常采用手工等離子切割磨光機加工坡口,該方法現場不易掌握;采取機械切割效率高、易于操作、坡口加工標準。加工標準的坡口不僅易于焊接,而且焊接時熱影響區分布均勻,如圖3所示。

    合理控制焊接熱影響區:首先要“多點定位對稱施焊”,管道公稱直徑小于80mm時采用兩點定位組對,80~200mm時三點定位組對,大于200mm時四點定位組對;焊接過程中保證對稱施焊,使熱影響區對稱分布抵消變形[5]。其次是控制層間溫度,各焊層采取間斷焊接,使坡口內溫度在下一步施焊前始終控制在200~600℃之間,以減小焊接熱影響區的范圍。

    焊后熱處理消除焊接應力:不銹鋼熱處理方法通常采取退火和固溶熱處理。固溶熱處理的目的是提高耐腐蝕性能;現場通常采用退火熱處理以消除焊后殘余應力變形,處理溫度控制在600℃,恒溫10min后緩冷。

    3結論

    厚壁不銹鋼管由于其壁厚的原因,在焊接后矯正變形難度非常大,變形量過大將嚴重影響其使用性能和工藝管道安裝偏差。通過焊接前預熱,焊接時組對和焊接順序的調整以及焊后的應力消除處理等方法,把焊接變形控制到最小。在實施過程中,還需要技術人員與操作人員緊密配合及時統計和分析數據,合理制定施工方案,因地制宜地對構件焊接變形進行全方位控制,才能制造出更加完美的產品。