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厚壁不锈钢管道焊接变形分析及控制方法

2020-6-3    来源:厚壁不锈钢管道焊接变形分析及控制方法    作者:贵州鑫满翔管材有限公司  阅读:次  【打印此页】

焊接变形是焊接中的质量通病,厚壁不锈钢管道因导热慢、热变形系数高、熔池填充量大等特性,导致其焊接变形更加难以控制。本文分析了焊接变形产生的原因,采取焊前、焊中、焊后的几种反变形方法对焊接变形加以控制,保证了厚壁不锈钢管道的焊接质量。

随着油田油气层中二氧化碳、硫化氢等酸性介质浓度不断升高,高压天然气管道逐渐采用厚壁不锈钢材质(壁厚大于8mm)来替换碳钢管道,以保证管线的耐腐蚀性能。但由于不锈钢材质具有熔点高、热膨胀系数大、热影响区大等特性,导致焊接后极易产生焊后变形、应力集中等问题[1]。本文通过分析焊接变形、焊后应力等问题产生的原因,有针对性地采取反变形控制方法,减小了焊接变形和应力的产生,达到了提高焊接质量的目的。

1焊接变形原因分析

热膨胀系数高

奥氏体不锈钢热膨胀系数约为低碳钢的1.5倍,不锈钢材质受热膨胀影响更大、更容易产生变形[2]。如图1所示“低碳钢、奥氏体不锈钢热膨胀系数对比表”。

1.2热影响区大

不锈钢中含有13%以上的铬元素,铬的熔点达1855℃,导致不锈钢管道焊接过程中要求焊接电流更大、熔池温度更高。厚壁管熔池及填充量更大,焊接层数多在3层以上,加剧了焊接过程中的变形。如图2所示焊接热影响区示意图。

1.3焊接应力产生

焊缝熔合区受高温热源的影响被急剧加热并熔化,而周围温度相对较低区域对熔合区产生约束,从而产生应力;焊后熔合区材料冷却收缩受到周围区域不均匀温度场的影响,产生不均匀的收缩变形,焊接及相邻区域形成残余应力。应力产生后不仅造成焊接变形,而且降低了母材局部耐腐蚀和物理性能。

2焊接变形控制措施

焊前预热降低热膨胀系数影响:如图1所示,随着温度的升高热膨胀系数也随之升高,但高于一定温度后(不锈钢>150℃、低碳钢>220℃)增长速率相对放缓[4]。利用这一特性,在施焊前进行焊前预热,预热温度150℃,提前释放大量的母材热膨胀量,以减小其对焊接变形的影响。

机械加工坡口:不锈钢管线切割及坡口加工通常采用手工等离子切割磨光机加工坡口,该方法现场不易掌握;采取机械切割效率高、易于操作、坡口加工标准。加工标准的坡口不仅易于焊接,而且焊接时热影响区分布均匀,如图3所示。

合理控制焊接热影响区:首先要“多点定位对称施焊”,管道公称直径小于80mm时采用两点定位组对,80~200mm时三点定位组对,大于200mm时四点定位组对;焊接过程中保证对称施焊,使热影响区对称分布抵消变形[5]。其次是控制层间温度,各焊层采取间断焊接,使坡口内温度在下一步施焊前始终控制在200~600℃之间,以减小焊接热影响区的范围。

焊后热处理消除焊接应力:不锈钢热处理方法通常采取退火和固溶热处理。固溶热处理的目的是提高耐腐蚀性能;现场通常采用退火热处理以消除焊后残余应力变形,处理温度控制在600℃,恒温10min后缓冷。

3结论

由于其壁厚的原因,在焊接后矫正变形难度非常大,变形量过大将严重影响其使用性能和工艺管道安装偏差。通过焊接前预热,焊接时组对和焊接顺序的调整以及焊后的应力消除处理等方法,把焊接变形控制到最小。在实施过程中,还需要技术人员与操作人员紧密配合及时统计和分析数据,合理制定施工方案,因地制宜地对构件焊接变形进行全方位控制,才能制造出更加完美的产品。

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