[发明专利]用于高温高压不锈钢管道焊接的金属材料、工艺及制品

说明书

本发明提出一种用于高温高压不锈钢管道焊接的金属材料、工艺及制品，使焊缝中的铁素体含量降低，使其残留的铁素体比例降低到≤3.0％，增强了焊接接头的高温强度和抗蠕变性能，焊接时采用不锈钢麻花焊丝，通过拉丝捻股成长度大于100米的盘，利用自动送丝机构进行半自动和自动化焊接；在焊接过程中进行同步振动，使焊接过程中的液态金属在凝固瞬间达到无应力或低应力的凝固状态，以消除和降低焊接残余应力，本发明降低焊接残余应力，提高焊接效率和性能，节省能耗。

技术领域

本发明属于高温高压不锈钢管道和设备的焊接制造领域。

背景技术

由于奥氏体不锈钢材料涉及到膨胀系数大、导热系数低，一些厚壁奥氏体不锈钢材料的焊接出现了较多的问题，如石化电力等高温高压环境所使用的TP321和TP347等厚壁容器和管线出现过很多焊接裂纹或使用不久即出现与腐蚀无关的非正常裂纹，究其原因，大多数都是焊接问题。

TP321和TP347是专用的耐高温不锈钢材料，TP321和TP347高温高压厚壁不锈钢的焊接存在焊接应力过大造成的焊接裂纹，也存在稳定化热处理后的再热裂纹，在使用后更存在无法预知的焊缝开裂等等问题，对安全生产带来巨大威胁。

究其原因：

1、焊缝金属中残留的铁素体的负面影响：

按现有常规理论，奥氏体不锈钢焊缝金属中必须要有4～10％的铁素体，在焊接时才不会发生焊接热裂纹，故焊材成分设计中重点考虑了铁素体比例对焊接过程的影响，某些行业标准也将其纳入规范要求。但焊接过程的热裂纹虽然避免了，但残留的铁素体对焊接接头的耐高温性能和超低温性能均产生极大的负面影响：1)铁素体的再结晶温度大约在600℃以上，比奥氏体不锈钢的再结晶温度要低很多，故铁素体的残留将直接影响焊接接头的高温蠕变性能。铁素体含量越多，在高温环境中使用后产生σ相变的概率越大，容易在焊缝金属中结网成害，随着使用时间的延长，焊缝金属在高温环境中出现裂纹的概率增加。2)铁素体对碳和氮的溶解度极低，如果焊接热输入量过大，在高温段停留时间较长，在铁素体边界会有严重的敏化物析出。3)奥氏体不锈钢焊缝中的铁素体残留对设备的实际使用寿命具有明显的负面影响，如环烷酸的刀状腐蚀，尿素钾氨液的优先腐蚀，超低温设备的脆性危害，高温状态下转变为σ脆性相危害，铁素体晶粒边界析出碳化物，抗高温蠕变性能变差等等。

2、焊条药皮参与冶金活动的负面影响：

焊条药皮都是由脱氧剂、稳弧剂、脱渣剂等低熔点矿物质成分组成，在焊接过程中难以避免地会有微观细小的夹杂物残留于焊缝中心，被动地参与了冶金活动。这些低熔点的氧化性夹杂物在高温状态下会发生溶解，导致焊缝强度大幅下降，在应力松弛作用下也会造成焊缝撕裂。

TP347厚壁管道焊缝金属中发现氧化铋夹杂物，氧化铋具有很好的脱渣性能，由于焊道中的钢水冷却速度非常快，部分氧化铋来不及逸出焊缝便被凝固在焊道中间而形成夹杂。经过微区能谱分析结果如下(％)：