S31603不锈钢焊接工艺及性能研究.pdf

第49 卷Vol.49doi:10.3969/j.issn.1003-4226.2023.04.015第4期No.4金属制品MetalProductsS31603不锈钢焊接工艺及性能研究2023年8 月August2023李亚军，毛洪强，汪伟，赵太源，叶永平，谢思维（1.中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司，四川成都6 1 0 1 0 0；2.塔里木油田公司物资采办事业部，新疆库尔勒8 41 0 0 0）摘要：对管内充氩气保护在二氧化碳压缩机不锈钢S31603管道中的焊接效果进行检测。结果表明：焊接接头射线和渗透检测都为I级，抗拉强度不低于6 1 6 MPa，-50 冲击吸收能量达到55J以上，硬度小于1 8 7 HBW，面弯和背弯以及耐腐蚀性能试验合格,结果符合NB/T47014一2 0 1 1 和相关技术要求。焊缝组织为树枝状奥氏体加少量铁素体，铁素体有利于提高焊缝金属的耐晶界腐蚀能力和抗裂纹敏感性。关键词：S31603；射线检测；氩气保护；焊接；力学性能；晶界腐蚀中图分类号：TC457.6Research on welding process and properties of S31603 stainless steelLi Yajun,Mao Hongqiang,Wang Wei,Zhao Taiyuan,Ye Yongping,Xie Siwei(1.CNPC Jichai Power Company Limited Chengdu Compressor Branch,Chengdu 610100,China;2.Material Purchasing Department of Tarim Oilfield Company,Korla 841000,China)Abstract:The welding effect of argon gas filling protection in stainless steel S31603 pipeline of carbon dioxide compressorwas tested.Results show that radiographic and penetrant testing of welded joint are both Grade I,with tensile strength isno less than 616 MPa,impact absorption energy is over 55 J at-50 ,h a r d n e s s i s l e s s t h a n 1 8 7 HBW,a n d q u a l i f i e dsurface and back bending as well as corrosion resistance tests.Results comply with NB/T 47014-2011 and relevant tech-nical requirements.Microstructure of weld seam is dendritic austenite with a small amount of ferrite,which is beneficial forimproving resistance to grain boundary corrosion and crack sensitivity of weld metal.Keywords:S31603;radiographic testing;argon shield;welding;mechanical properties;grain boundary corrosionS31603不锈钢是一种超低碳奥氏体不锈钢,具有较高的强度和塑性，还具有良好的耐腐蚀和耐氧化性能，被广泛用于石油管道、化工容器、仪表仪器、航空、船舶、汽车和核电等领域I-6。某二氧化碳压缩机机组管道输送的介质主要是二氧化碳，与管道中的少量水蒸气形成酸,对管道有较强的腐蚀性,需要采用S31603不锈钢管生产。不锈钢管道焊接通常采用氩气保护，可防止焊缝合金元素氧化烧损，焊缝成型性和耐腐蚀性能良好7-9 。对管内充氩气保护在二氧化碳压缩机S31603不锈钢管道中的焊接效果进行检测。结果表明，射线检测和渗透检测分别为I级，焊接接头显微组织为树枝状奥氏体加少量铁素体，具有良好的耐晶间腐蚀性能,焊接接头力学性能满足NB/T*基金项目：中油济柴科技资助项目（项目编号2 0 1 9 C-016）。文献标识码：A47014和相关技术要求。1试验材料与方法1.1试验材料试验焊材为钨极氩弧焊丝S316L,规格为2.51000mm，抗拉强度为551 MPa，断面收缩率为52.5%，弯曲试验合格，符合NB/T47018.32017承压设备焊接材料订货技术条件第3 部分：气体保护电弧焊钢焊丝和填充丝要求。试验母材为符合GB/T149762012流体输送用不锈钢无缝钢管规定的S31603不锈钢无缝钢管，长度为1 6 0 mm的管段,规格为0 8 9 8 mm，抗拉强度为540 MPa，断面收缩率为50.0%，弯曲试验合格。母材和焊材的化学成分见表1。焊接设备为WS40 0 I G BT 型第4期氩弧和电焊两用焊机，保护气体为氩气，气体体积分材料CS316030.025S316L0.0171.2试验方法S31603不锈钢管管段采用三点式定位焊组对,2 件管段的管端对接坡口角度为6 0,组对间隙为3.3 mm，钝边为0.9 mm。焊接工艺参数见表2,采用多层多道焊接，S31603不锈钢管对接坡口示意图如图1 所示。焊接过程中严格控制道间温Table 2VWelding parameters焊接电流焊接电压焊接层次焊接方式电流极性打底焊TIG填充焊(2 层)TIG盖面焊TIG60433.3图1 S31603不锈钢管对接坡口示意图（单位：mm）Fig.1 Diagram of S31603 stainless steel pipebutt joint groove2试验结果与分析2.1无损检测按照NB/T47013.22015承压设备无损检测第2 部分：射线检测的规定，对焊接接头进行射线检测,技术等级为AB级，检测结果为I级，符合要求。按照NB/T47013.52015承压设备无损检测第5部分：渗透检测的规定，对焊接接头进行着色渗透检测，检测结果为I级，符合要求。2.2力学性能按照NB/T470142011规定，对S31603焊接接头截取2 个横向拉伸试样、2 个面弯试样、2 个背弯试样、1 个硬度试样、6 个冲击试样进行力学性能检测。其中冲击试样焊缝和热影响区各3 个,尺寸李亚军，等：S31603不锈钢焊接工艺及性能研究表1 母材和焊材的化学成分Table 1(Chemical composition of base and welding materialsSiMn0.480.880.552.05表2 焊接工艺参数焊接速度I/AU/VDCEN70 90DCEN80 150DCEN120 1500.957数为9 9.9 9%。w/%PS0.0330.0030.0230.018度，打底焊时管内充氩气保护，气体流量为46L/min。焊接前要提前送气，收弧时要尽量填满熔池，避免在焊缝尾部产生弧坑而形成裂纹。当熄弧后要延时停气51 0 s，待熔池金属完全冷却后再停气，避免熔池金属高温氧化，影响焊缝质量和性能。氩气流量u/(cm min-)T/10 147 1110 148 121014812为5mm10mm55mm,开V形坡口,坡口角度为45,深度为(2.0 0.2)mm。面弯和背弯试样尺寸为 1 6 0 mm 15 mm 8 mm。按照CB/T228.12021金属材料拉伸试验第1 部分室温试验方法中的规定方法在SHT4605型微机控制电液伺服万能试验机上测定焊接接头抗拉强度，数值结果符合NB/T470142011规定要求。拉伸试样宏观形貌如图2（a）所示。按照CB/T2292020金属材料夏比摆锤冲击试验方法中规定方法在ZBC2302-C摆锤式冲击试验机上测定焊接接头焊缝和热影响区冲击吸收能量，数值结果满足规定要求,且具有较大的富余量。冲击试样宏观形貌如图2(b）所示。按照GB/T2653一2008焊接接头弯曲试验方法中的规定方法在WEW-600型微机液压万能试验机上进行焊接接头面弯和背弯试验，弯曲角度为1 8 0,弯曲直径采用4倍壁厚,在弯曲面上焊缝和热影响区均没有裂纹，符合NB/T470142011规定要求。弯曲试样宏观形貌如图2（c）所示。按照GB/T2312018金属材料布氏硬度试验，硬度试验在HBE-3000A电子布氏硬度计上测量，结果显示焊缝和热影响区硬度值均小于1 8 7 HBW,符合规定要求。焊接接头力学性能检测结果见表3。Cr16.2018.88道间温度Q/(L min-l)10010 1510010 1510010 15Ni10.1111.75Mo2.072.2258.金属制品第49 卷(a）拉伸试样2面弯面弯背弯背弯(b）冲击试样(c)弯曲试样图2 焊接接头力学性能试样宏观形貌Fig.2 Macro morphology of welded joints mechanical properties specimens表3 焊接接头力学性能检测结果Table 3 Measured results of mechanical properties of welded joints抗拉强度断裂Rm/MPa位置要求值480实测值616,639注：t为试样厚度2.3显微组织分析依据GB/T132982015金属显微组织检验方法，在OLYMPUSGX-51金相显微镜上观察焊接接头焊缝金属显微组织,腐蚀液为三氯化铁盐酸水溶液(配比为2 0 g FeCl，+2 0 0 m L H C l+40 0 m L 水)。在200倍显微镜下观察试样，焊缝显微组织如图3 所示，由图3 可知，焊缝组织为树枝状的奥氏体加少量铁素体,其中黑色为铁素体,白色为奥氏体。图3 焊缝显微组织2 0 0 Fig.3Microstructure of weld seam焊缝铁素体体积分数在SZSG-SP10A型铁素体测量仪上测量，测量结果为9.7%。文献9-1 2 指出，奥氏体不锈钢冷却过程中有全部奥氏体（A）、铁素体-奥氏体(F+A）、奥氏体-铁素体（A+F）、全部铁素体（F)4种凝固模式，当不锈钢焊缝中8 铁-50冲击吸收能量KV,/J焊缝热影响区1212焊缝/焊缝64,55,62硬度试验/HBW焊缝热影响区18718777,90,128176素体体积分数控制在4%1 2%时，焊缝金属凝固模式为F+A,此种模式在冷却凝固过程中,先结晶析出铁素体，随后发生包晶-共晶反应，凝固终了前在铁素体凝固边界形成部分奥氏体。在凝固终了阶段沿凝固晶界出现奥氏体和铁素体的混合相可以阻止液态薄膜的浸润和铺展，使裂纹必须沿着生成的晶粒边界扩展，提高焊缝金属抗凝固裂纹的能力。试样焊缝金属8 铁素体体积分数为9.7%，呈树枝状分布,与文献研究的凝固模式F+A是一致的。另外由于铁素体中的铬含量大于奥氏体中的铬含量，在熔池冷却过程中,铁素体中铬将会优于奥氏体先在晶界析出,弥补晶界处较低的铬含量,从而减少晶界处贫铬区的形成,提高焊缝的耐晶界腐蚀能力；同时铁素体对P、S和Si等元素的溶解度较大，能防止它们在晶界处偏析和低熔点物质生成，从而提高焊缝金属的抗裂纹敏感性1 3 。由此可知，焊缝中少量铁素体分布在奥氏体上，有利于提高焊缝金属的耐晶界腐蚀能力和抗裂纹敏感性。2.4耐晶间腐蚀性能按照GB/T43342020金属和合金的腐蚀奥氏体及铁素体奥氏体（双相)不锈钢晶间腐蚀试(下转第6 1 页)弯曲试验(D=4t,=180)面弯合格178合格背弯合格合格第4期操作者的操作百分之百符合工作程序。2.3生产安全数字化管控公司推进安全风险数字化管控，目前平台可以实现以下功能：(1)动态危险源在线监控，例如动火、登高等高危作业，能够及时了解到作业的区域、位置、人员情况等信息；(2)设置分级管控区域线上审批,所有外来人员进入不同的区域应获得不同等级的人员授权,及时了解来访人员的信息及相关工作；（3)线上安全培训，每个月会根据员工工作特点下发其相关的培训内容,线上培训,线上考核,线上监督。3结语安全文化建设是一种信仰，也是一种信念，更是一个企业安全管理的灵魂所在，将安全文化延续到生产生活的每个细节中，我们坚信，安全文化建设将（上接第58 页）验方法中规定的C法进行，试验溶液为6 5%硝酸溶液。试验分为5个周期，每个周期48 h。5个周期的平均腐蚀速率为0.3 2 g/（m h），小于要求值0.60g/（m h），符合规定要求，从而说明S31603焊接接头焊缝金属具有良好的耐晶间腐蚀性能。3结语采用充氩保护对0 8 9 8 mm的S31603不锈钢管进行手工钨极氩弧焊对接焊，焊接接头抗拉强度不低于6 1 6 MPa，-50 冲击吸收能量达到50 J以上，硬度小于1 8 7 HBW,面弯和背弯试验合格,结果符合NB/T470142011和相关技术要求。S31603不锈钢焊缝显微组织为树枝状奥氏体加少量铁素体，铁素体体积分数为9.7%，焊缝金属凝固模式为铁素体奥氏体，这种分布方式可以提高焊缝金属的耐晶间腐蚀能力和抗裂纹敏感性。参考文献1 马杰.化工设备中奥氏体不锈钢的焊接性能缺陷及管控措施J.安徽化工,2 0 2 2,48（4）：7 9-8 2.2张肖飞.3 1 6 LN奥氏体不锈钢耐腐蚀性能研究D.马鞍山：安徽工业大学,2 0 2 1.3李亚军，曾妍，赵太源，等.油气输送用不锈钢管道的免充氩焊接工艺J.焊管，2 0 1 9,42（1 0）：3 8 42.4宋利.电厂凝汽器3 1 6 L不锈钢焊管腐蚀原因分析J.材料保护，2 0 1 9，52（7)：1 45-1 48.5 安旭东，朱特，王茜茜，等.奥氏体3 1 6 不锈钢中位错与氢的相互作用机理J.金属学报，2 0 2 1，57（7）：913-920.朱德康，等：安全文化建设在钢丝绳企业的实践部经理。6曾祥荣,廖传华，王常青，等.在超临界水氧化系统中长期服役后3 1 6 L不锈钢的微观形貌J.腐蚀与防护,2 0 2 2,43(1 1):1 3 -1 6.7费东，齐向前.不锈钢管气体保护焊接工艺研究J.焊管,2 0 2 0,43(3):2 7-3 0.8赵太源，李亚军，肖莉.S30403不锈钢无缝钢管背面保护焊接技术J.焊接,2 0 1 9（1 1）：58-6 1.9李亚军，赵太源，肖莉.CO,压缩机管道用不锈钢的焊接工艺研究J.现代制造工程,2 0 1 9（1 1)：9 0-9 3.10 林杨越，李亚军，郭容，等.0 6 Cr20Ni11钢埋弧焊焊缝的显微组织和性能J.机械工程材料，2 0 2 0,44（2）：18-21,72.11利波尔德，科特茨基.不锈钢焊接冶金学及焊接性M.陈剑虹,译.北京：机械工业出版社,2 0 0 8.12黄宗仁,董岱林，冯琳娜.核电厂主管道手工焊与自动焊工艺对比分析J.电焊机,2 0 1 5,45（1 1）：1 0 7-1 1 1.13 李亚军,杨飞，李欣雨，等.镍基合金埋弧焊焊剂的研制J.金属加工（热加工），2 0 1 6（2 2）：2 6-2 9.(收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 3)作者简介李亚军1985年生，中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司高级工程师。毛洪强1972年生，塔里木油田公司物资采办事业部经济师。汪伟1965年生，中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司工程师。赵太源1986年生，中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司高级工程师。叶永平1984年生，中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司高级工程师。谢思维1990年生，中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司工程师。61为安全生产领域管控风险、预防事故，发挥更加举足轻重的作用。参考文献【1 陈飞.安全文化建设与一体化管理体系的整合运行研究J.石油化工安全环保技术,2 0 1 3,2 9（0 4）：7-1 1.2 关佩玲.浅议安全文化建设在企业发展中的作用J.兵团工运,2 0 1 4(2):2 1 -2 3.3杜学胜，王恩元，凌利，等.企业安全领导力研究进展J.中国安全科学学报，2 0 1 0，2 0（0 2）：1 3 0-1 3 6.(收稿日期:2 0 2 3-0 3-0 1)作者简介朱德康1 9 8 6 年生，注册安全工程师，济宁长龙钢丝绳有限公司HSE部总监。牛飞1990年生，济宁长龙钢丝绳有限公司总经理。马壮1986年生，工程师,济宁长龙钢丝绳有限公司HSE