压力管道碳素钢与奥氏体不锈钢焊接存在的问题及防治研究

压力管道碳素钢与奥氏体不锈钢焊接存在的问题及防治研究

赵学敏

（中国能源建设集团广东火电工程有限公司510000）

摘要：在压力管道施工过程中，低碳钢、奥氏体不锈钢由于其自身特点，其焊接性能存在差异。本论文主要介绍低碳钢、奥氏体不锈钢的焊接特点，并针对低碳钢与奥氏体不锈钢焊接接头，易产生裂纹的问题进行剖析以及为解决此问题所采取的方法和措施。

关键词：压力管道碳素钢；奥氏体不锈钢；焊接

1.前言

在电力工程安装中，有许多奥氏体不锈钢阀门直接与低碳钢管焊接，由于部分管内的介质为腐蚀性的物质及管线内的压力又高达几十兆帕，焊缝长时间受高压、腐蚀介质的作用，有很多焊缝在靠近碳钢的一侧出现了裂纹，若不能及时补焊，不仅浪费能源，恶化环境，而且还会给装置的投产带来很大的影响。

2.奥氏体不锈钢与碳钢的区别与联系

由于碳素钢与奥氏体不锈钢的焊接性较差，焊接时为了降低熔合比，减少焊缝金属被稀释，应采用焊后缓冷、大坡口、小电流、高电压、快速焊及小直径焊丝、焊条的焊接工艺。

除碳元素外，没有加入其它合金元素的钢，是低碳钢。一般不具有什么耐腐蚀的能力。硬度比纯铁大。奥氏体不锈钢是指含铬（Cr）量大于等于13%，在大气中不生锈的合金钢。奥氏体不锈钢一般不具有磁性，不同的不锈钢抵抗腐蚀的能力不同，对不同介质的抗腐蚀性也不同。

低碳钢与奥氏体不锈钢的区别，一般认为，首先在于耐腐蚀性能方面，有着其它钢种无法替代的作用，比如奥氏体不锈钢优异的机械性能使其应用在各类制造业中。在日常生活中我们接触较多的有奥氏体型不锈钢（有人称之为镍不锈）。奥氏体型不锈钢典型的牌号为06Crl9Ni10、316L。

3.碳素钢与奥氏体不锈钢焊接时存在的主要问题

3.1焊接接头的塑性和韧性降低

碳素钢与奥氏体不锈钢焊接时，焊接接头的塑性和韧性降低的主要原因是熔合区出现脆性层，其原因有：

（1）焊接时，在焊接热源作用下，熔池内部与熔池边缘的液态金属温度、机械搅拌作用、液态金属停留时间均不同。使得熔池边缘的液态金属温度较低、流动性较差，且液态金属停留时间较短，机械搅拌作用较弱，导致熔化的母材金属不能与填充材料充分混合，其结果是这部分焊缝中母材金属所占的比例较大，在碳素钢母材金属一侧熔合区的焊缝金属中，形成一层与内部焊缝金属成分不同的过渡层。过渡层中的高硬度马氏体组织会使脆性增加，塑性显著降低，从而降低了焊接结构的可靠性。

（2）碳素钢母材金属的稀释作用大。由于碳素钢含碳量比不锈钢多，碳素钢对焊缝的稀释作用较强，使熔合区的脆性层中的铬、镍量减小，其组织成为高硬度的马氏体，所以脆性增加。

3.2焊缝金属容易剥离

焊接碳素钢与奥氏体不锈钢时，因为两者的物理性能和化学成分相差很大，其中不锈钢的热膨胀系数比碳素钢大40%，导热系数却只有碳素钢的1/3。这两种材质的接头，在焊后冷却以及使用中都会在熔合区产生热应力。热应力是影响焊缝强度和产生热疲劳的重要因素，当应力值超过焊缝金属的强度极限时，就会沿熔合线产生裂纹，最后导致焊缝金属与母材金属剥离。

3.3焊缝金属容易产生裂纹

碳素钢与奥氏体不锈钢焊接时，焊缝金属产生裂纹的主要原因是由于稀释作用，即碳素钢成分熔入焊缝，使焊缝的合金成分被冲淡，这种现象称为母材金属对焊缝的稀释作用。稀释作用使焊缝中的奥氏体形成元素含量减少，出现脆硬的马氏体组织，形成淬火区，使焊接接头焊后冷却到相变温度以下产生裂纹。

3.4熔合区产生软化（脱碳层）和硬化（增碳层）现象

碳素钢与奥氏体不锈钢焊接时，接头处于高温下存在碳的迁移。其原因是：碳在液态铁中的溶解度比固态铁中大；碳在奥氏体中的溶解度比在铁素体中大，碳素钢与奥氏体不锈钢中碳化物形成元素种类和含量不同，尤其含铬量不同，在高温条件下，铬作为强烈形成碳化物元素，促使含铬量低的钢（碳素钢）中的碳向含铬量高（奥氏体不锈钢）的焊缝金属中扩散迁移，结果在低铬钢中产生脱碳层，而在相邻的高铬钢中产生增碳层。在高温下长时间加热时，脱碳层母材由于碳元素减少，珠光体组织将变成铁素体组织而软化，同时促使脱碳层处的晶粒长大，沿熔合线产生一层粗晶粒的结晶层。增碳层中的碳除熔入母材外，剩余的碳元素则以铬的碳化物形态析出而使组织硬化。碳的扩散迁移对焊缝的常温和高温瞬时强度的不良影响较小，但对持久强度影响较大，而且断裂大部分发生在熔合区脱碳层上。随着碳扩散的发展，接头在熔合区发生脆性断裂的倾向增大。长期在高温下运行，在脱碳层上还容易产生晶间腐蚀。

4.碳素钢与奥氏体不锈钢焊接时应采取的措施

4.1熔合区脆性层的宽度与焊接方法、焊接电流和填充材料的关系

生产实践表明，熔合区脆性层的宽度与焊缝中的含镍量成反比。如焊接20#+1Cr18Ni9钢时，填充材料为E308-15（A107），脆性层的宽度达100μm；使用E310（A407）或E16-15MoN（A507）焊条时，脆性层宽度显著减小；当选择使用高镍合金焊材焊接，其脆性层可完全消失，是防止焊接接头塑性和韧性降低的有效措施。

4.2防止焊缝金属与母材金属剥离的措施

（1）合理改善焊接接头的应力分布。如选用填充材料的线胀系数与奥氏体不锈钢的母材金属接近，则高温应力将集中在碳素钢母材金属侧熔合区内；如选用填充材料的线胀系数与碳素钢的母材金属接近，则高温应力将集中在奥氏体不锈钢金属侧熔合区内。由于碳素钢通过塑性变形降低应力的能力较弱，所以应选用线胀系数接近碳素钢母材金属的镍基填充材料。

（2）严格控制冷却速度。焊接异种钢时，冷却速度快，焊接变形大，在热影响区会产生很大的焊接应力，导致焊缝金属的开裂甚至脱裂。因此焊后要缓冷，使焊接应力在缓慢冷却过程中能充分消除。

4.3防止母材金属对焊缝的稀释作用使焊缝不产生裂纹的措施

（1）严格控制焊缝的稀释率。实践表明，焊缝的稀释率控制在30%以下，能有效地控制母材金属对焊缝的稀释作用。主要通过选择适当的焊接方法、焊接参数与焊接材料来解决。焊接参数采用小电流、高电压、快焊速，可以减小焊缝金属的稀释；焊接材料选用高铬镍焊接材料，也能显著提高焊缝金属的抗裂性能。用焊条电弧焊焊接碳素钢与奥氏体不锈钢时，选用E309（A307）焊条，焊缝的稀释率可控制在30%以下，其焊缝组织为5%的铁素体+奥氏体双相组织，焊缝金属的抗裂性能和耐晶间腐蚀性能显著提高。

（2）采用过渡层。焊接碳素钢与奥氏体不锈钢时，可先在碳素钢的坡口表面上用含铬镍量高的焊条堆焊一层奥氏体过渡层（厚度通常为5～6mm），然后将过渡层再与不锈钢焊接。这种措施不但能防止碳素钢母材金属对焊缝稀释作用，增加焊缝金属的抗裂性能，而且焊接时不易产生其它缺陷，焊缝质量容易保证。

4.4防止碳素钢与奥氏体不锈钢焊接接头熔合区碳迁移的有效措施

（1）采用过渡层。在碳素钢母材金属侧用含碳化物强烈元素（钒、铌和钛等）的焊条或镍基焊条堆焊一层过渡层，既防止碳素钢中的碳向熔合区迁移，又可以在焊接时省去预热和减少裂纹的产生，然后再用奥氏体填充材料将过渡层与奥氏体不锈钢焊接起来。

（2）采用含镍量高的填充材料。由于镍合金对碳的溶解度低，能有效地防止碳迁移，所以选用镍

基焊条或含镍量高的焊丝焊接碳素钢与奥氏体不锈钢均可获得优质焊接接头。工作温度愈高，焊缝金属中的含镍量也应提高。

结语

在电力工程设计、制造、建设以及生产运行阶段，专业人员需要高度重视压力容器和压力管道系统中碳钢和不锈钢法兰连接的腐蚀问题。在充分保证系统安全运行的前提下，结合装置的实际情况和工艺特点，经济合理地采取有效的防护措施。

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