0 前言
中原油田第三氣體處理廠改擴(kuò)建工程是中原油田重點(diǎn)工程。工程中針對(duì)工作溫度為（-40~-120℃）的工藝管道先用了0Cr18Ni10Ti（ASTM 321TP）奧氏體不銹鋼。為保證裝置的安全、平穩(wěn)、長(zhǎng)期運(yùn)行，對(duì)該不銹鋼的焊接行為進(jìn)行了分析研究，并進(jìn)行了工藝評(píng)定對(duì)比試驗(yàn)，確定了性能最優(yōu)的焊接材料。
1 0Cr18Ni10Ti奧氏體不銹鋼焊接行為
0Cr18Ni10Ti不銹鋼屬于奧氏體，其顯微組織為A（奧氏體）+3%~5%δ-F（δ-鐵素體），其焊接性良好，無(wú)淬硬性。但在實(shí)際時(shí)接中應(yīng)注意如下問題。
1.1 抗晶間腐蝕性能差
奧氏體不銹鋼在450~850℃加熱時(shí)，會(huì)由于在晶界沉淀析出鉻的碳化物，致使晶粒周邊形成貧鉻區(qū)，在腐蝕介質(zhì)中即可沿晶粒邊界發(fā)生所謂晶間腐蝕。
1.2 易形成熱裂紋
奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大，在焊接局部加熱和冷卻的條件下，接頭在冷卻過程中可形成較大的拉應(yīng)力；另外奧氏體鋼易于形成方向性強(qiáng)的柱狀晶的焊縫組織，有利于有害雜質(zhì)的偏析而促使形成晶間液態(tài)夾層，易于產(chǎn)生焊縫凝固裂紋。
1.3 焊縫成形不良
鉻鎳奧氏體不銹鋼焊接時(shí)，由于焊縫中合金元素含量高，熔池流動(dòng)性差，易造成焊縫表面成形不良。主要表現(xiàn)在根部焊道背面成形惡化及蓋面焊道表面粗糙。焊縫表面成形不良對(duì)焊縫性能的影響在常溫或高溫工況下表現(xiàn)不明顯，但在低溫工況下，其成形不良所造成的應(yīng)力集中對(duì)焊縫低溫性能的影響不亞于焊縫內(nèi)部質(zhì)量的影響。
根據(jù)以上分析，為解決晶間腐蝕及凝因裂紋的問題，焊縫組織以A+δ相雙相組織為宜。一般δ相數(shù)量為4%~12%比較適宜。
2 焊縫組織預(yù)測(cè)分析
根據(jù)奧氏體不銹鋼焊接過程中的問題，應(yīng)選擇合適的焊接材料，使焊縫組織中有合適的δ相比例，確保焊縫的室溫顯微組織及低溫機(jī)械性能。
舍夫勒（Schaeffler）圖是估算δ相的常用方法，它以鉻當(dāng)量"Creq"及鎳當(dāng)量"Nieq"作為橫縱坐標(biāo)，其中：
Creq=Cr%+Mo%+1.5xSi%+0.5xNb%
Nieq=Ni%+30xC%+0.5xMn%+0.33xCu%
它反映了化學(xué)成分對(duì)組織的影響。因此借助于舍夫勒?qǐng)D，首先對(duì)備選取焊接材料的焊縫組織于行預(yù)測(cè)。
根據(jù)JB4708-92及GB50236-98推薦，0Cr18Ni10Ti手工電弧焊可以選擇E347-16（A123）或E347-150（A137）焊條，鎢極氬弧焊可以選擇H0Cr18Ni10Ti或H00Cr2Ni10焊絲。推薦焊條、焊絲以及母材成分和相應(yīng)的計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果見表1~表2。
3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果及分析
對(duì)以上四種焊接材料分別進(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。試驗(yàn)結(jié)果均為6個(gè)試驗(yàn)件的平均值。
焊縫的性能與組織密切相關(guān)，一方面為防止形成焊接熱裂紋，應(yīng)使焊縫中形成A+δ-F雙相組織。另一方面隨著δ-F含量的增加，會(huì)造成σ相脆化和δ相選擇性腐蝕，導(dǎo)致焊縫金屬的韌性降低；而且有資料表明，為保證焊縫的低溫韌性，最好不采取雙相組織，而應(yīng)取得單相奧氏體組織。由于使用A137焊條焊接的焊縫金屬中的δ-F含量低于A123焊條焊接的焊縫金屬，奧氏體組織含量高，而且A137焊條屬于喊性焊條其焊縫中的擴(kuò)散氫含量也較A123焊條低，因此其焊縫金屬的低溫韌性將高于A123焊條。
使用H00Cr2Ni10焊絲焊接可有效地防止焊縫中產(chǎn)生晶間腐蝕及熱裂紋。由于H00Cr2Ni10焊絲屬于超低碳焊接材料，在晶界處不易形成Cr23C6，同時(shí)可以改善的低溫韌性，因此，較H0Cr18Ni10Ti焊絲更能防止產(chǎn)生晶間腐蝕。
對(duì)于焊縫成形式良、連頭固定焊口的焊接一次合格率不高、以及時(shí)焊接熱影響區(qū)的晶間腐蝕問題，可以能過焊接工藝來(lái)加以解決。采用鎢極氬弧焊打底、較小的焊接線能量，來(lái)控制熱影響區(qū)處于敏化溫度區(qū)間的范圍。
4 結(jié)論
根據(jù)對(duì)0Cr18Ni10Ti不銹鋼管道焊接材料的焊接性分析，運(yùn)用舍夫勒?qǐng)D進(jìn)行計(jì)算選擇及力學(xué)性能試驗(yàn)對(duì)比，選擇手工電弧焊采用A137焊條，鎢極氬弧焊采用H00Cr2Ni10焊絲作為工程焊接材料，采用鎢極氬弧焊打底，手工電弧焊填充蓋面焊接方式取得了良好的效果。
將上述所選材料和工藝順序應(yīng)用于實(shí)踐，工程中共焊接焊口3200道，X射線探傷一次合格率達(dá)90%，管道內(nèi)壁的清潔度，大大減少了工藝管道的吹掃時(shí)間，而且充分保證了不銹鋼管道焊縫的低溫力學(xué)性能。
