316L不銹鋼管埋弧焊工藝技術(shù)分析報告

   浙江至德鋼業(yè)有限公司研究人員論述了316L不銹鋼管的焊接性，選用ER316L焊絲配用SJ601焊劑，進行了316L不銹鋼管埋弧焊的焊接工藝評定試驗。用經(jīng)過評定合格的SAW工藝，對厚度分別為6mm和5mm的316LMA水解塔的縱焊縫和環(huán)焊縫進行施焊。焊后依據(jù)JB/T4730.2—2005標(biāo)準(zhǔn)進行了RT檢驗，其一次合格率為100％。本公司承接了寧波某化學(xué)公司“MA水解塔”和“MA水解液分離塔”的制作任務(wù)。MA水解塔的高度為23.3m，內(nèi)徑為1500mm。塔的工作壓力為0.1MPa，設(shè)計壓力為0.2MPa。塔的主體材質(zhì)為6mm厚的316L（022Cr17Ni12Mo2）不銹鋼。MA水解液分離塔的高度為19.25m，內(nèi)徑為1000mm。塔的工作壓力為0.105MPa，設(shè)計壓力為0.2MPa。塔的主體材質(zhì)為5mm厚的316L不銹鋼管。由于在JB/T4709—2000《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》中，316L不銹鋼管推薦選用的焊接材料只有A022（E316L-16）焊條，因此大多采用焊條電弧焊焊接該鋼制造的壓力容器。但文獻是采用埋弧焊焊接工藝，其容器的板厚分別為25mm和16mm，屬中厚板。本文參照上述文獻完成了316LMA水解塔及水解液分離塔的焊接制作。

   316L不銹鋼的化學(xué)分成見表，316L不銹鋼焊接時，易產(chǎn)生熱裂紋；焊后會出現(xiàn)較大的殘余應(yīng)力和變形；容器在使用過程中有可能產(chǎn)生晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）。

   1. 熱裂紋

      316L屬奧氏體（A）不銹鋼。由于其熱導(dǎo)率λ小，熱膨脹系數(shù)α大，因此，在焊接局部加熱和冷卻的條件下，焊縫金屬凝固過程中產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。這就是產(chǎn)生焊接熱裂紋的力學(xué)因素。此外，焊接熔池結(jié)晶時，易于聯(lián)生結(jié)晶，形成方向性強的柱狀晶組織。如果熔池中的硫，磷含量較大，它們與鎳生成低熔點共晶，并存在于柱狀晶間，形成了低強度的晶間液膜。這就是產(chǎn)生焊接熱裂紋的冶金因素。晶間液膜在拉應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生焊接熱裂紋。

  2. 殘余應(yīng)力和變形

    由于316L不銹鋼管的熱物理性能的特殊性，它與一般的結(jié)構(gòu)鋼相比，焊接過程中易產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形，因此，焊后的殘余應(yīng)力和殘余變形也較大，導(dǎo)致厚板容器焊接殘余應(yīng)力過大；薄板容器焊接殘余變形量超標(biāo)。此外，還增加了容器使用過程中產(chǎn)生SCC的誘因。

  3. 晶間腐蝕

   碳含量是影響晶間腐蝕的重要因素。雖然316L是超低碳不銹鋼，有較強的抗晶間腐蝕能力；同時其成分中有鉬2%，可使其在還原性酸中表面形成很穩(wěn)定、很致密、很完整而且與金屬基體結(jié)合牢固不易剝落的鈍化膜，可增強鋼的耐腐蝕性，但是焊縫組織是呈方向性強的柱狀晶，在晶界上雜質(zhì)較多，有產(chǎn)生晶間腐蝕的傾向。

 4. 關(guān)于SCC的機理有多種不同看法

   下面針對酸性介質(zhì)工作條件下的316L不銹鋼壓力容器的SCC機理作一簡要闡述。與酸性介質(zhì)接觸的316L不銹鋼焊接接頭表面，首先發(fā)生電化學(xué)腐蝕。經(jīng)過一段時間后，金屬表面產(chǎn)生狹而長的微裂紋。由于316L不銹鋼焊接接頭中存在較大的殘余拉應(yīng)力，因此，在其裂紋端部產(chǎn)生應(yīng)力集中，加之滲入裂紋內(nèi)的呼吸介質(zhì)起到了楔入作用，促使裂紋擴展，從而又使之暴露新鮮的金屬表面繼續(xù)發(fā)生腐蝕。由此可見，焊接殘余應(yīng)力可加速裂紋的擴展。久而久之，導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生脆性斷裂。綜上所述，為了保證本公司所制造壓力容器的焊接質(zhì)量，嚴(yán)格控制316L不銹鋼管和焊材中的碳，硫，磷含量是十分必要的；焊接時采用合理的焊接工藝，減小焊接熱輸入，并確定合理的焊接順序，以減小焊接過程中的應(yīng)力和焊后的殘余應(yīng)力及殘余變形，也是十分必要的。焊接工藝評定試驗按照J(rèn)B4708—2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)規(guī)定，進行316L不銹鋼管埋弧焊的焊接工藝評定試驗。

   a. 接頭形式、焊材及焊接工藝參數(shù)

    接頭形式試驗用316L不銹鋼管的厚度為10mm。正面采用I形破口；背面采用碳弧氣刨進行清根后，用砂輪打磨，經(jīng)著色檢驗結(jié)果合格后，進行埋弧焊。

    b. 焊接材料  

     焊絲采用了與316L鋼相匹配的ER316L（H03Cr19Ni12Mo2Si）焊絲。焊劑SJ601是焊接不銹鋼用的堿性燒結(jié)焊劑，與HJ260焊劑相比，其熔敷金屬具有不增Si，不增C，Cr及Ni元素?zé)龘p少的特點。此外，SJ601焊劑的焊接工藝性能優(yōu)良，脫渣容易，焊縫成形美觀。因此，選用SJ601焊劑與ER316L焊絲相匹配。ER316L焊絲配用SJ601焊劑進行埋弧焊，熔敷金屬的化學(xué)成分見表。

   c. 晶間腐蝕試驗

    按照GB/T4334—2008《金屬和合金的腐蝕———不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》中的方法E，不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法，對316L鋼SAW焊接接頭進行耐晶間腐蝕試驗。

   d. 金相組織

   圖是316L不銹鋼母材金相組織，圖分別是100倍和400倍的焊縫組織，圖是焊縫與母材間熔合區(qū)金相組織。從上面的圖中可見，母材316L不銹鋼的組織為奧氏體；焊縫組織是呈方向性強的柱狀晶；熔合區(qū)中明顯存在著聯(lián)生結(jié)晶?？傮w而言，在焊接接頭各個區(qū)域的金相組織中，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)的氣孔、夾渣、裂紋、未熔合等焊接缺陷。晶間腐蝕依據(jù)GB/T4334—2008《金屬和合金的腐蝕--不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》，對在微沸狀態(tài)下的硫酸－硫酸銅溶液中浸泡16小時后的埋弧焊焊接接頭試樣沿熔合線進行180°彎曲。然后將彎曲后的試樣在10倍放大鏡下進行觀察，未發(fā)現(xiàn)任何裂紋，耐晶間腐蝕試驗結(jié)果合格。

  316L不銹鋼容器的焊接采用經(jīng)焊接工藝評定合格的試樣的焊接工藝，對MA水解塔和MA水解液分離塔筒體的縱焊縫（A類）和環(huán)焊縫（B類）進行埋弧焊。焊后依據(jù)JB/T4730.2—2005《承質(zhì)設(shè)備無損檢測第2部分射線檢測》對焊縫進行了RT檢驗，其一次合格率為100％。采用ER316L焊絲配用SJ601堿性燒結(jié)焊劑對316L奧氏體不銹鋼進行埋弧焊，具有不增C和Si，Cr及Ni元素?zé)龘p少的特點，其焊接工藝性能優(yōu)良，脫渣容易，焊縫成形美觀。316L不銹鋼管埋弧焊，采用V形坡口，背面采用碳弧氣刨清根后，用砂輪打磨，經(jīng)著色檢驗合格后，再進行埋弧焊。其工藝過程較為簡單，且能保證焊接質(zhì)量。采用上述經(jīng)評定合格的焊接工藝方法，對板厚為6mm的316L不銹鋼MA水解塔縱縫（A類）和板厚為5mm的316L不銹鋼MA水解液分離塔的環(huán)縫（B類）進行埋弧焊。焊后按照J(rèn)B/T4730.2—2005標(biāo)準(zhǔn)進行RT檢測，檢測結(jié)果一次合格率為100％。