2205双相不锈钢管与低合金高强钢管焊接方法及工艺参数

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2205双相不锈钢管与低合金高强钢管焊接方法及工艺参数

2205双相不锈钢管与低合金高强钢管焊接方法及工艺参数

来源:双相不锈钢发布:2020-07-02 16:42:06类别:2205不锈钢

  浙江至德钢业有限公司针对2205双相不锈钢管与X60异种钢管,从焊接性、焊接方法、焊接材料、焊接坡口、焊接工艺参数、焊接接头力学性能检验、微观金相、硬度、化学成分分析等方面进行探讨,确定合适的焊接工艺。


  随着我国经济的高速发展,能源的开发利用迎来高潮,特别是国家对石油天然气的需求增大,加速了天然气勘探的步伐。在石油天然气田开发中,各种酸性有害介质的腐蚀问题是困扰许多油气田开发的一项难题。油气田有害介质主要以硫化氢、二氧化碳、氯离子等为主,严重危害井下套管和油气装置管道等。为了降低建设成本,通常采用加注缓蚀剂、脱水、加大壁厚等方式减缓腐蚀速率,传统方法容易造成意外腐蚀、维护工作量大、隐形成本高以及环境污染等问题,逐渐使用耐腐蚀材料代替传统材料,提高油气田运营的稳定性。由于2205双相不锈钢具有良好的抗氯离子腐蚀能力,故可采用2205双相不锈钢作为主管道抗氯离子腐蚀。在工程施工中,将不可避免存在双相钢与普通低合金高强钢的焊接问题,因此,对2205双相不锈钢管与普通低合金高强钢管X60的焊接工艺研究,具有非常重要的意义。


  2205为双相不锈钢管和X60为低合金高强钢管,这两种材料之间的化学成分、物理性能、化学性能等差异明显,如何确保焊接接头具有优良的强度、塑性、韧性和抗裂性,是衡量焊接工艺成功与否的重要指标。至德钢业本次研究以φ508 mm×15.5 mm规格的2205和X60为例,系统介绍这两种钢对接焊的工艺特点。


一、焊接性能分析


 1. 2205双相不锈钢管和X60钢管焊接性分析


  2205双相不锈钢管为铁素体-奥氏体双相钢,具有良好的焊接性,在一般的拘束条件下,焊缝金属的热裂纹敏感性也较低。但应注意,双相钢管中毕竟存在较高的铁素体,当拘束度较大以及焊缝金属含氢量较高时,还是存在焊接氢致裂纹的危险。因此,在焊接材料选择与焊接过程中都应控制氢的来源。并且该钢材热导率小,焊接接头容易过热而造成晶粒粗大,线膨胀系数大,焊接过程中热膨胀量和冷收缩量都很大,容易产生应力集中和裂纹。X60为低合金高强度钢管,微观组织为铁素体+珠光体,脆硬倾向不大,焊接性较好。两种钢材在物理性能(包括热导率、比热容、线膨胀系数等)和化学性能等方面有显著的差异,力学性能和热物理性能的差别导致异种金属焊接变形和应力较大,且焊缝两侧的变形和应力往往是不对称的,其应力的消除不能通过焊后热处理来完全消除。因此,在选择焊接方法和制定焊接工艺时要充分兼顾到这一特殊性。2205双相不锈钢管和X60钢管两种金属的化学成分及机械性能分别见表。


 2. 2205双相不锈钢管和X60异种钢管焊接方法的选择


  目前,国内铁素体—奥氏体双相不锈钢的焊接方法可采用钨极氩弧焊、焊条电弧焊、埋弧焊和等离子弧焊等。其中,埋弧焊不适用于管道现场焊接,而等离子弧焊应用有限,工艺还不成熟。钨极氩弧焊特别适用于管状焊缝的焊接,与其他焊接方法相比,尽管焊接速度较慢,但它是打底焊的理想方法,适用于各种坡口的打底焊。钨极氩弧焊能清晰地观察到焊接熔池和熔透情况,易于实现单面焊双面成形。且钨极氩弧焊背面无熔渣,对保护管内清洁极为有利。对于2205双相不锈钢管和X60异种钢管焊接,由于两种材料化学成分差异较大,应尽量减小母材金属对焊缝合金元素的稀释。由于手工钨极氩弧焊与其他焊接方法相比,其熔合比较低,可有效减小母材金属对焊缝合金元素的稀释。因此,为保证焊缝金属的化学成分,获得优良的焊接接头,采用手工钨极氩弧焊根焊和填充焊接第2、3层。并且为了避免焊缝金属背面被氧化,在手工钨极氩弧焊时应进行内充氩气保护。另外,由于焊条电弧焊操作灵活方便,效率高于钨极氩弧焊,常作为管道焊接的填充、盖面焊。因此,选择钨极氩弧焊(根焊和填充焊接第2、3层)和焊条电弧焊(填充、盖面焊)组合的焊接方式。


 3. 2205双相不锈钢管和X60异种钢管焊接材料的选择


  针对2205双相不锈钢管和X60钢管两种钢材的焊接冶金特性以及考虑合金的烧损,所选用的不锈钢焊接材料合金成分高于2205双相不锈钢贯,钨极氩弧焊焊丝采用ER309Mo,φ2.0 mm;焊条电弧焊焊条采用E309MoL-16,φ4.0mm,两种焊接材料的化学成分及机械性能见表。


 4. 焊接接头设计


  焊缝组织决定于焊缝成分,而焊缝成分决定于母材的熔入量,即熔合比。因此,一定的熔合比决定了一定的焊缝成分和焊缝组织。熔合比发生变化时,焊缝的成分和组织都要随之发生变化。对于高合金与低合金异种金属焊接的接头,在保证接头力学性能的同时,也要保证主要合金元素的稀释程度达到最低,故接头的设计也要合理。接头形式如图所示。这种坡口尺寸相对增加了填充金属在焊缝中的熔化量,减少了母材金属的熔化量,降低了主要合金元素的稀释程度,即降低了熔合比,为获得优良的焊接质量提供了保障。


 5. 焊接工艺参数


  通常焊接时不需要对2205双相不锈钢进行预热,但是在寒冷的室外进行焊接时,可适当进行预热。预热时应保持热量的均匀分布,且必须避免局部加热超过100℃,因为这样将导致增碳,从而导致晶间腐蚀。考虑到本实验焊接时室温较高,故未采用焊前预热,层间温度控制在100℃以内。


  焊接时应注意,根焊时背面必须充氩气保护,以保证根焊质量,氩气纯度在99.99%以上;层间温度应控制在100℃以下。焊接检验焊接接头经外观检查和无损探伤检测合格后,进行力学性能试验(包括拉伸、弯曲、刻槽锤断等试验)和冲击、硬度、化学成分分析以及微观金相等试验。


二、力学性能试验


 1. 弯曲试验


  在规定位置进行弯曲试验。面弯和背弯各取4块试件,在导向弯曲试验上弯曲,试样以焊缝为中心放置于下模上。面弯试验以焊缝外表面朝下模,背弯试验以焊缝内表面朝下模,施给上模压力,将试样压入下模内,直到试样弯曲成近似U形。所有试件均未见缺陷,试验结果合格。


 2. 刻槽锤断试验


  在规定位置取4块刻槽锤断试件,锤断后观测试件断面情况,4块试件均未发现任何焊接缺陷,试验结果合格。

 

 3. 拉伸试验


  拉伸试验共4块试件,均断裂在X60一侧,具体数据如表所示。


 4. 冲击试验


  在试件不同位置,包括2205双相不锈钢管母材本身,共取7组冲击试样。冲击试验采用尺寸为55mm×10mm×10mm的V型缺口,试验温度分为-40℃和-20℃。其中,当试样缺口位置开在焊缝中心和2205双相不锈钢母材、2205双相不锈钢侧熔合线以及2205双相不锈钢侧熔合线+5mm时,冲击试验温度为-40℃。当试样缺口位置开在X60母材和X60侧熔合线以及X60侧熔合线+5 mm时,冲击试验温度为-20℃。


 5. 硬度试验


  在试件不同部位切取三块全焊缝截面的硬度试样,磨光后用适当的腐蚀剂对焊缝横截面进行腐蚀,分清焊缝、熔合线和热影响区的位置,硬度试验点的位置如图所示。


 硬度试验按ASTM A370规定进行10kg载荷的维氏硬度试验,试验结果如表所示。


 6. 化学成分分析试验


  为了更好地分析焊接接头,还进行了化学成分分析试验,试验结果见表。


  7. 微观金相检验


  在试件的不同部位共切取了三块金相试件,对其微观金相组织进行分析。分别对X60和2205双相不锈钢管两侧母材、热影响区和焊缝进行微观金相分析。其结果显示如下:


  a. 母材


     X60侧为5块带状分布的铁素体+珠光体,铁素体晶粒度约8~9级。双相钢一侧为长条形奥氏体+条形、块形铁素体,沿母材轧制方向呈带状分布。


  b. 热影响区


   X60钢一侧近焊缝为略呈魏氏组织的块状铁素体+珠光体。晶粒度逐渐减小,过渡至10~11级晶粒度的等轴铁素体+珠光体,并逐渐呈带状分布,至母材带状组织。不锈钢一侧为块状奥氏体+少量铁素体,晶粒度逐渐减小,至母材带状组织。


  c.焊缝

  

   2、3号试样打底层为奥氏体和呈树枝状分布的铁素体,填充层到盖面层为奥氏体+铁素体,铁素体从坡口向焊缝中心沿散热方向呈枝晶分布,到焊缝中心呈等轴分布。1号试样打底层为枝晶,等轴晶混合分布的奥氏体+铁素体,填充层到盖面层均为枝晶分布的铁素体+奥氏体。


三、结论


  根据上述试验结果可以看出,对于2205双相不锈钢管与X60异种钢管,采用手工钨极氩弧焊打底焊一层,填充焊接第二、三层(焊丝ER309Mo),再用焊条电弧焊焊接填充、盖面层(焊条E309MoL-16)的焊接方法,并选择合理的坡口尺寸,焊接时严格控制层间温度,其焊接接头拉伸、弯曲、刻槽锤断、低温冲击、硬度等试验结果均满足要求,证明2205双相不锈钢管与X60异种钢管焊接采用上述焊接工艺,能够获得满意的焊接接头。


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