張曉亮，馮 杰，田波清，魏玉春

(中國(guó)石油天然氣第一建設(shè)公司，河南 洛陽(yáng) 471023)

0 前言

不銹鋼復(fù)合鋼是一種以碳鋼或低鉻鉬合金鋼（珠光體鋼）為基體、以高合金不銹鋼為復(fù)層材料，通過堆焊、爆炸復(fù)合和熱軋復(fù)合等工藝手段將兩種金屬結(jié)合在一起的高效節(jié)能材料?；鶎硬牧铣袚?dān)著管道的承壓作用，質(zhì)量占鋼管總質(zhì)量的大部分；復(fù)層材料是能滿足工藝管道耐腐蝕性要求的高合金不銹鋼材料，厚度通常為3 mm。不銹鋼復(fù)合鋼管主要為在碳鋼或低鉻鉬合金鋼無縫鋼管內(nèi)壁堆焊高合金不銹鋼材質(zhì)和不銹鋼復(fù)合鋼板通過卷制焊接而成的直縫鋼管，既具有基層材料鋼管的強(qiáng)度和剛度，又具有復(fù)層材料良好的耐腐蝕性能，非常適合石油化工裝置耐高溫、抗腐蝕的要求，如常減壓裝置的常壓側(cè)線柴油管道、常壓轉(zhuǎn)油線及減壓轉(zhuǎn)油線等場(chǎng)合，在催化裂化和延遲焦化等裝置也有廣泛的應(yīng)用。

不銹鋼復(fù)合鋼作為一種新型的材料被廣泛應(yīng)用于石油、化工等行業(yè)用于取代全不銹鋼。由于兩種鋼材的不同物理性能和金屬合金成分的不同，使得焊接及熱處理等工程施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與單一鋼種相比變得復(fù)雜化，特別是由不銹鋼復(fù)合鋼制成的復(fù)合鋼管的現(xiàn)場(chǎng)焊接施工由于其結(jié)構(gòu)的特殊性使得現(xiàn)場(chǎng)施工增加了很多限制條件。

1 不銹鋼復(fù)合鋼組成和焊接特點(diǎn)分析

不銹鋼復(fù)合鋼組成形式主要有：低碳鋼+奧氏體不銹鋼、低碳鋼+馬氏體（或鐵素體）不銹鋼、低鉻鉬合金鋼+奧氏體不銹鋼及低鉻鉬合金鋼+馬氏體（或鐵素體）不銹鋼。不銹鋼復(fù)合鋼是由兩種不同的鋼材通過技術(shù)手段結(jié)合在一起，這兩種材質(zhì)的物理特性往往存在很大的差別，如常減壓蒸餾裝置中的Q245R+316L、Q345R+316L復(fù)合鋼，基層為低碳鋼材質(zhì)Q245R，復(fù)層為奧氏體不銹鋼316L，這兩種材質(zhì)的物理性能相差很大，表現(xiàn)為：（1）奧氏體不銹鋼316L線脹系數(shù)大，且隨溫度升高而增加，比低碳鋼Q245R高大約40%；（2）奧氏體不銹鋼316L熱導(dǎo)率低，約為低碳鋼Q245R的1/3。

在焊接不銹鋼復(fù)合鋼過渡層時(shí)，由于熱膨脹和冷收縮速度的差異，導(dǎo)致過渡層出現(xiàn)熱裂紋或結(jié)晶裂紋，再加上焊接過程中基層材質(zhì)對(duì)焊縫金屬的成分稀釋，非常容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。這種特性對(duì)于基層為鉻鉬合金鋼，復(fù)層為奧氏體不銹鋼的不銹鋼復(fù)合鋼表現(xiàn)得尤為明顯。因此，要想很好地完成不銹鋼復(fù)合鋼過渡層的焊接，對(duì)于焊接材料的選取（根據(jù)舍弗勒相圖）、焊工的資質(zhì)、焊接坡口型式、及焊接工藝參數(shù)都有特定的要求。

2 焊接

2.1 焊接坡口型式、尺寸和加工

不銹鋼復(fù)合鋼管的焊接坡口原則上采用機(jī)械加工，在施工現(xiàn)場(chǎng)時(shí)也可采用等離子弧切割和火焰切割等方法來加工坡口，但是需要留有足夠的加工余量以備清除坡口加工面的氧化層和過熱層。從焊接工藝的角度，不銹鋼復(fù)合鋼管可以采用焊條電弧焊進(jìn)行焊接，也可以采用埋弧焊結(jié)合焊條電弧焊的焊接工藝，在此介紹現(xiàn)場(chǎng)常采用的焊條電弧焊的焊接工藝（以復(fù)層厚度3 mm為例），其坡口制備及尺寸型式大致可分為兩種，如圖1、圖2所示，大直徑不銹鋼復(fù)合鋼管的焊縫坡口應(yīng)盡可能采用X形坡口（見圖 2）。

圖1 V形坡口焊接接頭

2.2 焊接錯(cuò)邊量控制

要保證不銹鋼復(fù)合鋼管焊接接頭的質(zhì)量，焊件組對(duì)要嚴(yán)格控制錯(cuò)邊量。管壁厚度相同的不銹鋼復(fù)合鋼管，組對(duì)應(yīng)以復(fù)層為基準(zhǔn)，錯(cuò)邊量不得超過復(fù)層厚度的1/2，且不超過2 mm；管壁厚度不同（或復(fù)層厚度不同，或基層厚度不同，或兩者均不同）的不銹鋼復(fù)合鋼管，組對(duì)應(yīng)以內(nèi)壁平齊為原則，內(nèi)壁錯(cuò)邊量不超過2 mm，其余根據(jù)實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和加工。

圖2 X形坡口焊接接頭

2.3 焊工資質(zhì)和焊接工藝評(píng)定

焊接不銹鋼復(fù)合鋼的焊工需要具備焊接基層和復(fù)層母材的焊工資質(zhì)，焊接過渡層的焊工同時(shí)還應(yīng)具有耐蝕堆焊資質(zhì)。

施焊之前必須有合格的焊接工藝評(píng)定。焊接工藝評(píng)定編制前，必須明確所要選取的焊材、焊接順序、是否要求焊前預(yù)熱及焊后熱處理。對(duì)所采取的復(fù)層焊接→過渡層焊接→基層焊接的焊接順序，原則上可以理解為復(fù)層母材的焊接工藝評(píng)定與相對(duì)應(yīng)的耐蝕堆焊焊接工藝評(píng)定的組合焊接工藝評(píng)定，但需要注意耐蝕堆焊焊接工藝評(píng)定的覆蓋范圍是否滿足要求。

2.4 焊接

受管徑限制，不銹鋼復(fù)合鋼管一般采取V形坡口單面焊背面自由成形的焊接工藝，采取復(fù)層焊接→過渡層焊接→基層焊接的焊接順序。

復(fù)層焊接宜采取鎢極氬弧焊，焊接時(shí)管子內(nèi)壁應(yīng)整體或局部充氬保護(hù)，也可采用自保焊絲（如日本油脂TGF系列焊絲）進(jìn)行復(fù)層（底層）焊縫的焊接，復(fù)層焊接應(yīng)根據(jù)所設(shè)計(jì)的坡口型式，焊接至距復(fù)合界面0.5~1.5 mm（以復(fù)層3 mm為例），或焊接完后打磨至坡口鈍邊部位。復(fù)層焊縫焊接材料的選取根據(jù)復(fù)層材料進(jìn)行確定，復(fù)層為奧氏體不銹鋼的選用相對(duì)應(yīng)的奧氏體不銹鋼焊絲，復(fù)層為馬氏體（或鐵素體）不銹鋼的可選用相對(duì)應(yīng)的不銹鋼焊絲，為避免熱處理，宜選用Cr含量相當(dāng)?shù)膴W氏體不銹鋼焊絲進(jìn)行復(fù)層焊接。復(fù)層應(yīng)采用小電流、不擺動(dòng)或微擺動(dòng)焊接，在確保焊道根部完全熔合的前提下盡量避免將基層母材的成分熔入到復(fù)層焊縫，否則會(huì)產(chǎn)生微裂紋或晶間腐蝕。

過渡層是確保在使用過程中能夠有效阻止基層中的碳向復(fù)層不銹鋼進(jìn)行滲透稀釋，甚至形成硬脆馬氏體組織，導(dǎo)致焊縫從復(fù)層（耐蝕層）開始失效至關(guān)重要的一層焊縫，過渡層焊接在復(fù)層焊縫表面及無損檢測(cè)合格后進(jìn)行，宜采用焊條電弧焊焊接工藝，焊接時(shí)選用小直徑焊條、采用較小的焊接線能量，焊接時(shí)盡量做到不擺動(dòng)、多道焊接，以減少焊接過程中的成分稀釋。過渡層屬于異種鋼組織接頭，以Q245R+316L不銹鋼復(fù)合鋼為例進(jìn)行分析，根據(jù)舍夫勒組織圖（見圖3）及相關(guān)資料，可用兩種方法進(jìn)行焊接。

圖3 舍夫勒組織

第一種方法：采用純鐵素體焊材（圖3中Cr、Ni當(dāng)量對(duì)應(yīng)的d點(diǎn)，de線段代表采用純鐵素體焊材進(jìn)行焊接不同熔合比下的焊縫金屬組織）焊接過渡層，用與基層材料匹配的焊材焊接基層，因?yàn)樵诓讳P鋼復(fù)層焊縫上堆焊純鐵素體焊縫作過渡層，純鐵素體焊縫中混入少量的鉻鎳合金元素（小于35%）不致形成塑性較差的金屬組織（A+M+F或A+F），而在純鐵素體焊縫上熔焊基層類焊縫金屬不會(huì)產(chǎn)生任何問題。

第二種方法：用高鉻鎳奧氏體焊材（A042焊條，圖3中Cr、Ni當(dāng)量對(duì)應(yīng)的c點(diǎn)，ce線段代表采用A042焊條進(jìn)行焊接不同熔合比下的焊縫金屬組織）焊接過渡層和基層，雖然該方法形成了異種金屬組織接頭，蠕變強(qiáng)度有所下降，但是只要控制基層材料熔于焊縫金屬中的比例（小于22.5%），即可獲得A+F的金屬組織。

考慮到國(guó)內(nèi)尚無純鐵素體焊材產(chǎn)品，焊接單面V形坡口的不銹鋼復(fù)合鋼管過渡層主要采取第二種方法。

不銹鋼復(fù)合鋼管采用V形坡口單面焊接工藝時(shí)，基層部分的焊接也應(yīng)選取高鉻鎳奧氏體焊材，否則會(huì)在基層與過渡層及坡口部分焊縫熔合區(qū)形成馬氏體組織，甚至出現(xiàn)微裂紋。為減小焊縫金屬熔合比，基層焊接應(yīng)采用較小的焊接線能量分道焊接，盡可能地減少電弧在坡口處的停留時(shí)間。

2.5 焊前預(yù)熱和焊后熱處理

2.5.1 預(yù)熱

不銹鋼復(fù)合鋼管道在基層或復(fù)層焊前需要預(yù)熱時(shí)，預(yù)熱溫度參照相關(guān)規(guī)范中各種材質(zhì)的預(yù)熱溫度，過渡層的預(yù)熱根據(jù)基層或復(fù)層材質(zhì)來確定，當(dāng)基層和復(fù)層都需要預(yù)熱時(shí)，按預(yù)熱溫度高的一側(cè)執(zhí)行。

2.5.2 焊后熱處理

焊后熱處理應(yīng)根據(jù)材質(zhì)要求和焊接工藝特點(diǎn)來考慮是否熱處理。不銹鋼復(fù)合鋼板焊后熱處理時(shí)，對(duì)于不同材料有不同影響，復(fù)層為奧氏體不銹鋼時(shí)，由于復(fù)層材料與基層材料熱膨脹系數(shù)差別較大，在熱處理過程中，復(fù)合界面附近產(chǎn)生附加殘余應(yīng)力，影響復(fù)合界面結(jié)合強(qiáng)度或引起局部脫層。同時(shí)，不含穩(wěn)定化元素的奧氏體復(fù)層在焊后熱處理過程中，可能有鉻的碳化物析出，降低其耐腐蝕性能；鐵素體不銹鋼復(fù)層在焊后熱處理過程中，容易形成σ相，復(fù)層組織脆化，降低了復(fù)合鋼板的使用性能，因此，不銹鋼復(fù)合鋼管焊接后原則上不進(jìn)行焊后熱處理，在確定焊接工藝時(shí)，應(yīng)盡量避免焊后熱處理，當(dāng)管道壁厚較大要求進(jìn)行焊后熱處理時(shí)，應(yīng)在基層焊完進(jìn)行熱處理后，再進(jìn)行過渡層和復(fù)層的焊接。

3 焊縫返修

不銹鋼復(fù)合鋼焊縫出現(xiàn)缺陷需要返修時(shí)，需要超聲波檢測(cè)對(duì)缺陷進(jìn)行定位，缺陷位于基層部位且靠近過渡層時(shí)，宜在復(fù)層一側(cè)進(jìn)行返修，返修焊材可選用過渡層焊材和復(fù)層焊材，先用過渡層焊材焊接基層部位加工過的刨槽直至復(fù)層處的厚度0.5~δ/2 mm（δ為復(fù)層厚度），且不大于2 mm，然后使用復(fù)層焊材進(jìn)行焊接，并圓滑過渡到復(fù)層母材；當(dāng)缺陷位置位于復(fù)層或過渡層位置，則需要將復(fù)層缺陷部位清除，并打磨至基層1~2 mm深度，然后采用過渡層焊條焊接，最后采用復(fù)層焊材焊接，并圓滑到復(fù)層母材。當(dāng)缺陷位于基層位置，且距離復(fù)層表面較遠(yuǎn)（大于等于8 mm），應(yīng)在基層側(cè)進(jìn)行返修，并控制刨槽深度，不得傷及過渡層焊縫，采用基層母材所對(duì)應(yīng)的焊材進(jìn)行施焊。對(duì)于無法在復(fù)合層側(cè)進(jìn)行返修且缺陷位置位于復(fù)層或過渡層的焊縫，需要自基層開始打磨至缺陷位置，然后采用過渡層焊材將整個(gè)刨槽填滿。

4 焊接檢驗(yàn)

不銹鋼復(fù)合鋼管道焊縫的檢驗(yàn)主要分兩個(gè)步驟：復(fù)層焊縫的表面檢測(cè)和整條焊縫的無損檢測(cè)。復(fù)層焊縫焊接完畢，經(jīng)外觀檢查合格后應(yīng)根據(jù)JB/T4730.5-2005進(jìn)行滲透檢測(cè)，I級(jí)合格，整條焊縫的無損檢測(cè)可根據(jù)JB/T4730.2-2005進(jìn)行射線檢測(cè)，檢測(cè)比例及合格要求應(yīng)符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

5 結(jié)論

在中國(guó)石油廣西石化1 000萬t/年常減壓蒸餾裝置的建設(shè)工作中，將上述技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐中，取得了顯著的成效，管道焊接一次合格率高達(dá)98%，裝置投產(chǎn)運(yùn)行至今相關(guān)部位未出現(xiàn)任何故障，進(jìn)一步證實(shí)了施工工藝的可行性，為類似工程提供了成功的經(jīng)驗(yàn)。

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