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            不銹鋼管背面保護焊接方法的研究現狀

            不銹鋼管背面保護一直是國內外焊接行業內關注的問題。本文介紹了充惰性氣體或氮氣保護、涂抹焊接保護劑、自保護藥芯焊絲三種背面保護焊接方法的作用原理和應用現狀,分析了各自背面保護的特點及耐腐蝕性能的影響,為從事不銹鋼管焊接的人員提供一定的參考和借鑒。

            隨著工業和國民經濟的快速發展,不銹鋼管在石油、化工、汽車制造、核電、火電、食品、醫療衛生等領域的應用越來越廣泛。但不銹鋼管焊接成型是不銹鋼管制作中的難點,尤其是不銹鋼管打底焊質量好壞是不銹鋼管焊接的重中之重。不銹鋼管在焊接時,如果不采取保護措施,管道背面的焊縫金屬容易被氧化,產生焊接缺陷,造成焊縫金屬力學性能和耐腐蝕性能下降。因此,不銹鋼管背面保護問題一直是國內外焊接行業內關注的問題。

            經過國內外焊接研究人員對不銹鋼管背面保護焊接方法的多年研究和實踐應用,目前形成的背面保護焊接方法主要有充惰性氣體或氮氣保護、自保護藥芯焊絲、涂抹焊接保護劑。不同的背面保護焊接方法有其各自的特點,本文就各種背面保護焊接方法的作用原理及應用現狀給予介紹,以期對從事此項焊接工作的人員在實際工作中提供一定的參考和借鑒。

            1三種背面保護焊接方法

            1.1充惰性氣體或氮氣方法

            充惰性氣體或氮氣保護是不銹鋼管背面保護焊接應用最普遍最成熟的工藝。其原理是在不銹鋼管焊接過程中,密封管子兩端,在管子中充入惰性氣體或氮氣,這些氣體不與液態焊縫金屬發生反應,可防止背面焊縫金屬的氧化,從而保證焊接接頭的力學性能和耐腐蝕性能。氮氣是一種化學性質非常穩定的氣體,價格便宜,在焊接領域有廣泛的應用。惰性氣體主要是氬氣或氦氣,因氬氣價格比氦氣便宜,因此充氬氣保護在不銹鋼管焊接中應用較多。

            張桂紅以氮氣作為保護氣體對奧氏體不銹鋼管進行焊接,焊接后保護效果良好,該方法在浙江嘉興石化PTA工程項目部、安徽華塑項目部、重慶長壽化工工業園項目部等項目上應用,取得了良好的效果。盧忠華采用TIG焊接柴油機試車管路0Cr18Ni9,利用管內充氬氣作為保護氣體,焊接后工藝性能良好,焊縫表面與母材過渡平滑,焊接接頭進行100%RT合格率高,水壓試驗和氣密性試驗滿足要求。王鶴等人[8]分別采用氬氣和氮氣作為保護氣體,對0.2mm厚的316不銹鋼管焊接,發現氮氣保護不銹鋼管上下層材料的熔接面積比氬氣更大,焊后強度更高。ValienteBermejo M.A等人[9]以不同比例的氬氣、氦氣、氮氣、二氧化碳混合氣體作為保護氣體,對超雙相不銹鋼進行焊接,研究發現雖然不同比例的保護氣體腐蝕性能都滿足要求,但是當保護氣體比例為Ar+30%He+1.8%N 2+0.5%CO 2時,超雙相不銹鋼耐腐蝕性能最好。

            1.2焊接保護劑方法

            焊接保護劑是近年來發展起來的一種不銹鋼管背面保護方法,國內生產焊接保護劑的廠家主要有山東威海云清化工開發院、四川成都友博科技公司和山東濟南金魯鼎公司;國外廠家主要有美國的金帝國公司和WEWELDING公司。

            焊接保護劑在不銹鋼管背面保護的作用原理是其熔點較低,在TIG打底焊時受到母材傳過來的熱量后迅速熔化,之后快速潤濕到熔池,并且完全覆蓋焊縫背面,形成一種難熔化且化學性質呈惰性的保護膜,從而實現對焊縫根部的保護;熔池冷卻后在焊縫背面形成的保護膜依舊粘附在焊縫背面,在填充和蓋面焊接時,仍然對焊縫背面具有保護作用。

            李亞軍等人采用美國金帝國公司的“太陽”牌TYPE B型焊接保護劑應用到不銹鋼管S31603中焊接。首先將一定量的焊接保護劑放入容器中,再加入適量無水乙醇攪拌成奶油狀的混合物,最后將混合物涂抹在S31603不銹鋼管口內壁,待混合物涂好后停留5min后就可焊接,或者放置幾天后也可以焊接,焊接保護劑的使用操作如圖1所示。S31603不銹鋼管焊接完成后,焊接接頭100%RT檢測不低于II級要求,焊接接頭力學性能和耐腐蝕性能滿足技術要求。蘭州理工大學研發了一種由TiO 2、AI 2 O 3、MgO、CaO等組成的焊接保護劑,在316L不銹鋼爐(鋼)管中焊接效果較好,操作簡便、靈活,可滿足使用要求。

            1.3自保護藥芯焊絲方法

            自保護藥芯焊絲主要是解決現場施工安裝時不銹鋼管的焊接。這種焊絲外觀與普通二氧化碳氣體保護焊絲一樣,但內部充滿藥芯粉,藥芯粉作用與焊條藥皮相似,具有穩定電弧、脫氧、脫硫、保護熔滴、熔池免受空氣氧化、氮化的作用。在焊接時熔化的熔渣可流到不銹鋼管內并均勻覆蓋住背面焊縫,使背面焊縫不受氧化,焊后熔渣可脫落,也可用水或壓縮空氣將內部焊渣沖刷掉。這種方法的優點是不銹鋼管施焊時,管內部不需要充氣體保護,可簡化焊接工藝,降低生產成本。

            該方法在上世紀80年代率先在日本使用,日本油脂公司的TGF不銹鋼系列背面自保護型TIG焊絲在國內外不銹鋼管焊接使用中有良好評價。楊鋼等人研制了不銹鋼管道背面免充氬自保護鎢極氬弧焊藥芯焊絲HTY-A316L(W),其渣系為TiO 2-氟化物-SiO 2,在2G、5G焊接位置下,工藝性能良好,焊接接頭力學性能滿足相關技術要求。羅保等人[15]采用自保護藥芯焊絲YR-321L焊接06Cr18Ni11Ti不銹鋼容器,焊縫成形美觀,根部焊縫波紋均勻,一次合格率達到96.5%。徐小魁采用天津三英焊業股份有限公司自主研發的SQA308-T系列不銹鋼自保護藥芯焊絲應用在四川江油川北礦區年產10萬噸甲醇項目工程中,不銹鋼管打底焊焊接反饋效果良好,提高了焊接工作效率,降低了生產成本,尤其是在復雜工藝配管和高空作業時給予了極大方便。黃永娜等人[17]采用江蘇昆山天泰焊材公司的自保護TGFA-308L打底焊接304不銹鋼殺菌鍋筒身,焊接后無損檢測、力學性能、腐蝕性能均滿足技術要求。

            2背面保護焊接方法比較

            充惰性氣體或氮氣適用于中小管徑、短管道的施工焊接,可獲得很好的焊接保護效果。但在大管徑、長管道施工現場并不適合,若向管道中通入大量的氬氣或氮氣,將延長焊接生產制造時間,造成資源嚴重浪費,生產成本大幅提高。另外,充惰性氣體或氮氣保護無法解決在缺陷焊口處的補焊問題,往往會使補焊處得不到有效保護而造成危險發生。

            自保護藥芯焊絲對焊工技能要求比較高,若焊工技能稍差,就會出現焊接缺陷。另外這種焊絲抗潮性不好,在空氣中容易受潮而產生焊接氣孔。

            焊接保護劑對焊工技能要求沒有自保護藥芯焊絲高,只需要把焊接保護劑涂抹在管子坡口內側,就可以焊接,但其保護效果沒有充氬氣和自保護藥芯焊絲好。

            3耐腐蝕性能

            不銹鋼管焊接是一個溫度高、加熱時間短、溫度場分布不均勻的過程,會使焊接接頭焊縫和熱影響區的耐蝕性性能降低,容易在實際使用過程中發生點蝕、化學腐蝕和晶間腐蝕[18-20]。另外,不銹鋼管焊接接頭不可避免地存在殘余應力,當在特殊腐蝕介質中使用時,容易發生應力腐蝕,導致焊接接頭的損傷或失效。因此,不銹鋼管焊接接頭在實際使用過程中不僅只受到一種腐蝕作用,往往會受到多種腐蝕共同作用。無論采用何種背面保護焊接方法,不銹鋼管焊接接頭按GB/T 4334、ASTM A262、ASTM A763、ISO 3651-1、ISO 3651-2進行標準試樣的腐蝕試驗,雖然均滿足技術要求但忽略了焊接接頭表面粗糙度的影響。筆者利用充氬氣保護、涂抹焊接保護劑和自保護藥芯焊絲的方法對S30403不銹鋼管進行焊接,焊接接頭按GB/T 4334.3-2008進行五個周期的腐蝕試驗,每個周期48h。1#、3#5#號試樣制作成標準試樣30×20×4mm,2#、4#6#號試樣制作成30×20×h mmh為壁厚,試樣保留焊縫余高),腐蝕試驗結果如表1所示。從表1可以看出,2#、4#6#號試樣腐蝕速率比1#、3#5#號試樣嚴重。尤其是2#、4#6#號試樣第1個周期的腐蝕速率比較大,這是由于保留了焊接接頭焊縫區域,與實際工況更接近,焊縫表面粗糙度較大,容易形成缺陷,加速了腐蝕速率。另外在保留焊縫實際樣貌的情況下,每種保護方法的腐蝕速率也各不相同,腐蝕嚴重程度由小到大依次為充氬氣保護、自保護藥芯焊絲、涂抹焊接保護劑。

            4結束語

            利用不銹鋼管管道中充惰性氣體或氮氣、涂抹焊接保護劑、自保護藥芯焊絲三種方法對不銹鋼管焊接時進行保護,能很好地防止不銹鋼管背面的氧化,保證焊接接頭的力學性能和耐腐蝕性能。但在不銹鋼管焊接過程中要結合現場實際如腐蝕介質、施工成本、施工進度、焊縫質量等因素,采用不同的背面保護方法,以取得良好的經濟性和實用價值。

            文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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