合金钢管的焊接工艺

牛连山

中国石油天然气管道科学研究院有限公司河北廊坊065000

摘要：合金钢在油田管道中非常普遍，其中钢中的Cr、Mo、V等强烈的碳化物形成元素有使接头过热区产生再热裂纹的倾向。坡口机加工后（焊接前）MT检查，无裂纹、无缺陷，焊前坡口及周围表面清理（油污、除锈等）至见金属光泽；坡口装配避免强制组对。

关键词：合金管焊接预热热处理

正文：焊接前整体或局部预热，焊缝两边各150mm范围内保证预热温度250～300度；层间温度应在预热温度控制范围内。

采用钨极氩弧焊TIG-R31（含V）焊丝，直径2.5mm，电流100～140A。

如果有一定壁厚，管径不是很小的话，建议采取GTAW+SMAW。

SMAW：焊条采用R337，规格可以按实际情况来定。

焊接完成后清理飞溅，加热至350～450℃，保温并缓冷的后热措施。采用相应成分的耐热钢焊条，如R310、R312、R317、R316Fe，焊前预热250～350℃，焊后回火处理710～750℃。

焊补缺陷或焊后不能进行热处理时，也可采用奥氏体钢焊条，如A302、A307。这时，由于焊缝与母材膨胀系数不同，同时在长期高温工作时还可发生碳的扩散迁移现象，而易于导致在融合区发生破坏。所以，选用奥氏体焊条时要慎重。

合金钢是我国使用广泛的珠光体耐热钢之一，主要用于制造管壁温度小于580℃的锅炉过热管及油田输油管道。按设计图纸要求采用珠光体耐热钢管作为联络管，以满足产品的使用要求。

1焊接性分析

珠光体耐热钢为低合金耐热钢，此类钢的Cr含量较高，在500-550℃时具有较高的热强性和持久强度。15Cr1MoV钢的化学成分及力学性能15Cr1MoV珠光体耐热钢化学成分和力学性能化学成分/%力学性能CMnSiCiMoVSPσb/MPaσs/MPaδ5/%，0.120.600.351.100.310.190.0130.02243621722，15Cr1MoV钢的碳及合金元素含量较多，淬硬敏感性较大，易在焊缝及热影响区出现淬硬组织。在接头刚性及应力较大时，易产生冷裂纹。由于过热联箱是在较高温度下工作的受压元件，焊接时应采取必要的工艺措施，使焊接接头有足够的热强性能，保证过热联箱安全运行。

2焊接工艺

2.1焊接方法

在油田输油管道的管子对接时，对打底焊缝的质量要求较高，不仅要求焊缝熔透、背面齐平，还要求焊缝背面无渣或少渣，否则会影响设备的安全运行。因此，采用手工钨极氩弧焊（TIG）打底，手工电弧焊（SMAW）填充和盖面的焊接工艺方法。

2.2坡口尺寸

选用单面V形坡口，坡口尺寸。用机械方法加工，应严格控制根部间隙和坡口钝边尺寸，以确保打底焊缝彻底熔透。

2.3焊接材料选择

手工钨极氩弧焊（TIG）选用：TIC-R31焊丝，焊丝直径为φ2.5mm。

手工电弧焊（SMAW）选用：R307（E5515-B2）焊条，直径为φ3.2mm、φ4mm。

2.4焊接准备

2.4.1焊前准备

1）焊前应把坡口两侧管子内外各20～30mm范围打磨干净，直至露出金属光泽，确保无油渍、铁锈、水份、氧化物或其他有害的物质。

2）氩弧焊用焊丝表面不得有油脂、铁锈等污物。电弧焊的焊条，在焊前须经350～400℃烘干1～2h，且在120℃保温筒存放，随用随取。

3）采用3～4块锲形块（材料与母材相同或接近）均为分布定位焊在坡口上，对接口必须平齐，错边量不得大于0.5mm，定位焊的焊材及焊接参数与正式施焊相同。并且在预热的状态下进行定位焊。

2.4.2焊前预热

预热是珠光体耐热钢焊接的重要措施。预热可以减慢焊缝及热影响区的冷却速度，有利于避免产生淬硬组织，有助于焊接区的氢的逸出，防止产生焊接裂纹。由于15Cr1MoV钢的碳含量及合金元素的含量较高，所以选择预热温度为200～300℃，预热区域以焊缝为中心，两侧至少为100mm。在整个焊接过程中，应保持层间温度不低于预热温度。

2.5焊接

2.5.1焊接参数

焊接15Cr1MoV钢时，应采用较小的焊接线能量，以减小焊接应力，减少焊接过热区宽度，细化品粒，提高焊缝金属的抗裂性能，

焊接参数

焊接

方法层次焊材牌号焊丝（条）

直径/mm极性电流I/A电压U/V氩气流量Q（L.min-1）

TIC1TIC-R312.5直接正接105～12510～128～10

SMAW2R307

（E5515-B2）3.2直流反接110～13020～22-

SMAW3-4R307

（E5515-B2）4.0直流反接160～18022～24-

2.5.2焊接操作

合金钢的焊接，不但要严格控制焊接规范参数，而且焊接操作对焊接接头质量有着至关重要的影响。

1）氩弧焊打底焊。将管件处于水平转动位焊接，焊接时采用短弧，焊枪尽可能与工件表面垂直，有利于氩气对焊接熔池的保护。焊枪和焊丝可稍作横向摆动，保证坡口两侧熔透。同时，要控制好熔池温度防止产生焊穿和焊瘤缺陷。在接头部位，要用手提砂轮打磨弧坑，将弧坑处的收弧裂纹和气孔等焊接缺陷清除，然后继续引弧焊接。

2）焊条电弧焊填充焊。应采用短弧焊接，且热输入量不宜过大。若采用长弧焊接，不仅会出现电弧燃烧不稳定、熔深浅、熔化金属飞溅大及合金元素烧损加剧等问题，而且容易产生咬边、未焊透等缺陷，同时空气中的N2、O2等有害气体易进入熔池，在焊缝中形成气孔缺陷。焊接时焊条可作小月牙形运条，在坡口两侧要停留0.5～1S，焊接层间必须彻底清理焊渣，发现有气孔等焊接缺陷时，用手提砂轮将焊接缺陷除掉收弧时必须将弧坑填满，以免产生弧坑裂纹。各层间的接头应错开，不得有重叠。

3）焊条电弧焊盖面焊。焊接电流比填充层稍小些，应选择正确的焊条角度，运条要均匀，防止在坡口边缘产生咬边缺陷。焊缝余高要控制在1～3mm，避免焊接接头在使用中产生应力集中。

3焊后热处理

合金钢的焊接接头，焊后需进行消除应力热处理，以消除或减少影响区出现的淬硬组织，增加塑性和韧性，有效地减少焊接残余应力，同时有利于扩散氢的逸出，从而减少冷裂纹倾向。所以，焊接结束时，应立即采用保温材料将焊缝和近缝区覆盖保温，使接头缓慢冷却.随后，再将焊件整体加热至720-760℃，恒温1～2h后，随炉冷却至室温。

4焊接检验

依照上述焊接工艺进行试件焊接，试件经外观检查、磁粉探伤和X射线探伤合格后，在试件上截取力学性能试样、金相检验试样进行检验。

接头力学性能和金相组织

接头力学性能金相组织

σb/MPaσs/MPa断裂部位90º面弯90º背弯焊缝热影响区母材

536388母材完好完好铁素体+回火索氏体少量魏氏体+铁素体+回火索氏体铁素体+珠光休

5结论

1）珠光体耐热钢管焊接必须控制好焊前预热、焊接规范参数、焊后热处理等环节。

2）珠光体耐热钢管采用手工钨极氩弧焊（TIG）打底，手工电弧焊（SMAW）填充和盖面的焊接工艺是可行的，焊接接头能满足设备的使用要求。