内衬不锈钢复合管焊接技术的研究及应用

卢忠华 晏宏学

【摘要】主要介绍了将基层20钢+复层0Gr19Ni9不锈钢复合管应用于管路焊接制作，同时介绍了复合管的自身特点，探讨复合管之间焊接的工艺措施以及生产实际中的焊接技术。

关键词：基层；复层；复合管；焊接工艺

1. 概述

本公司主要生产大型船用柴油机，柴油机总装完成后需要进行试车，以检验整体的性能。每个试车台位需要配套试车管路，管子内壁腐蚀是自始至终存在的严重问题。在不影响管子承压的情况下，综合经济性、实用性、功能性考虑，选择了内衬不锈钢复合管。由于复合管的特殊性，属于双层金属焊接，焊接工作比单层钢板复杂得多，所以制定合理有效的焊接工艺是关键。

2. 复合管性能分析

内衬不锈钢复合管由基层和复层组成，基层为20钢的碳钢管，复层为0Gr19Ni9的不锈钢管。通过在不锈钢复管内壁施加高压，使其与基管达到紧密接触，形成完全贴合的内衬层。复合后满足结构强度及钢性的要求，复层满足耐腐蚀性要求。基层厚度一般较大，其主要作用是承受介质压力；复层厚度一般较小，只占总厚度的10%～20%，从而达到低成本高收益。

20钢属于优质低碳钢，是压力容器和压力管道的常用钢材，具有较高的强度，良好的塑性及韧性，焊接性很好。0Gr19Ni9属于奥氏体不锈钢，具有优异的耐腐蚀性，良好的工艺性和焊接性。两种材料的化学成分和力学性能如表1和表2所示。

3. 工艺方案

不锈钢复合管采用焊接方法是手工钨极氩弧焊。打底层和过渡层，管子内部需要充氩气对焊缝背面进行保护，否则将产生严重的氧化，影响焊缝成形和焊接性能。

焊接制作过程中，主要工艺步骤包括：管子切割→坡口加工→端部封焊→打磨坡口→组装→焊接→焊缝检测→水压试验→酸洗→气密性试验等几个部分。

4. 焊前准备

（1）下料及坡口加工 复合管的切割下料与坡口加工采用冷加工方法。

切割采用带锯床或是无齿锯进行切割，长度尺寸预留2～3mm加工余量。管子切割后将切口修整光顺，毛刺打磨干净。用车床进行坡口加工，复合管的坡口开在基层一侧，坡口形式为单V形（见图1）。

（2）焊材的选择 由于不锈钢复合管的特殊性，焊接需要采用三种不同的焊接材料来焊接同一条焊缝，以便保证焊缝质量。端部封焊采用φ1.6mm、E R 3 0 9 L焊丝，打底焊采用φ2.4mm、ER308L焊丝，过渡层采用φ2.4mm、ER309L焊丝，填充与盖面层采用φ2.4m m、ER70S—6焊丝。焊材的化学成分及力学性能如表3、表4所示。

（3）气体的选择 钨极氩弧焊（GTAW/141）保护气体选用纯度≥99.98%的氩气。氩气的调节方法是根据被焊金属材料、电流大小及焊接方法来决定的，电流越大，保护气越大，为了保护的效果好，气体流量与喷嘴直径要相互配合。

图1 复合管坡口加工

图2 管子组对工装

1.基座 2.角钢 3.支撑板 4. 把手5.螺母 6.丝杆

表1 基层及复层的化学成分（质量分数） （%）

牌号CSiMnPSCrNi 20钢0.17～0.240.17～0.370.35～0.65≤0.035≤0.035≤0.25≤0.25 0Gr19Ni9≤0.07≤1.00≤2.00≤0.035≤0.03017～198～11

表2 基层及复层的力学性能

牌号屈服强度/MPa抗拉强度/MPaA (%)HBW 20钢≥245410～53020156 0Gr19Ni9≥205≥520≥35≤187

表3 焊材的化学成分（质量分数） （%）

牌号C Si Mn P S Cr Ni ER309L 0.03 0.60 1.80 0.008 0.015 24.0 13.0 ER308L 0.03 0.60 1.80 0.008 0.015 20.0 10.0 ER70S—6 0.07 1.27 0.76 0.014 0.015 ——

表4 焊材的力学性能

牌号屈服强度/MPa抗拉强度/MPaA (%)KV2/J ER309L≥420≥550≥25—ER308L≥570≥570≥38—ER70S—6≥420≥500≥22≥47（-20℃）

（4）电极选择 氩弧焊（GTAW/141）电极选用铈钨极、φ2.5mm。

5. 复合管焊接

（1）复合管焊接工艺要求焊接场所应采取防风、防寒等措施，确保施焊环境不低于5℃，当风速＞2m/s、相对湿度＞90%时，禁止施焊。焊接前，应把准备焊接的区域25mm范围内清理干净，确保无切割和加工的切削液、油、铁锈、水垢或其他有害物质，以免焊接过程中产生气孔等缺陷。

（2）复合管端部封焊 由于复合管的基层和复层只是通过挤压使内外壁贴合在一起，接触面存在空气、水分和油污等杂质，所以焊接过程中，受热会分解为水蒸气和CO2气体，影响焊缝质量，产生气孔等缺陷。另外，由于复层和基层之间不易熔合在一起，所以需要对复合管坡口一侧的端部进行封焊。封焊层可以起到封底焊作用，还可以增加坡口尖端不锈钢层的有效厚度，提高接头的抗腐蚀性能。

封焊选用较小的焊接电流，较快的焊接速度，电弧摆幅不宜过大，圆周均匀堆焊两层。采用φ1.6mm、 ER309L焊丝，电流一般应控制在60A左右，以防止不锈钢复层被烧穿。封焊后，用砂轮机将坡口修磨成25゜±2.5゜角，钝边约lmm。

（3）复合管组对及定位焊 管子组对前，用丙酮或酒精清洗坡口两侧25mm范围。为了保证管子组对的精度，需采用工装。工装组对步骤（见图2）：把管子坡口一侧放到角钢2内，扭动把手6，利用丝杆4将管子压紧，再把另一根管子按照相同的方法压紧，保证坡口间隙符合工艺要求的2～3mm，并且周圈均匀。测量对接完的焊口，内外壁要求齐平，错边量不能超过复层壁厚的10%，且≤2mm。

由于打底焊时会产生较大的焊接应力，影响打底焊背面成形，因此需要进行定位焊。定位焊采用三点焊法，每个焊点单面焊双面成形，长度一般为10～15mm，厚度为2～3mm。定位焊工艺必须与打底焊一致，采用φ2.4mm、ER308L焊丝，电流一般应控制在80～90A。

由于复层材质是不锈钢，管子内部焊缝会产生严重的氧化，为保证焊缝成形和焊缝质量，管子内部必须进行充氩气保护。充氩气前，需要用纸胶带将所有的管口进行封闭，然后进行充氩，氩气流量为5～14L/min。

（4）复合管对接焊 检测定位焊缝，不得有裂纹及其他缺陷，若发现缺陷应及时清除。用砂轮机将所有定位焊焊点的两端修磨成缓坡状，以保证打底焊接头完全熔透。保证定位焊后的坡口角度为50°±5°。

复合管对接焊时，共需要焊接4层，全部为单层单道焊。焊接顺序及焊接层数如图3所示。

由于复合管焊接的特殊性，需要采用三种不同的焊接材料来焊接，因此严禁焊材乱用，必须严格执行焊接工艺，各层的焊接参数如表5所示。

焊接中的注意事项如下：

第一，打底层焊接前，保证管子内部始终在氩气保护状态下。打底层焊接采用单面焊双面成形技术，是复合管焊接质量要求最高、难度最大的一步。

图3 焊接顺序及焊接层数

注：1～4代表焊接顺序。

表5 焊接参数

气体流量/L·min-1打底层ER308L 2.4 80±10 DC-6±3 6～8过渡层ER309L 2.4 120±10 DC-9±3 8～10填充层ER70S—6 2.4 140±10 DC-9±3 10～12盖面层ER70S—6 2.4 130±10 DC-7±3 12～14焊道名称焊丝牌号焊丝规格φ/mm焊接电流/A电流种类/极性焊接速度/cm·min-1

打底层焊送丝形式采用内填丝，要求坡口间隙大于焊丝直径，是用左手拇指、食指或中指配合送丝动作，小指和无名指夹住焊丝控制方向，其焊丝则紧贴坡口内侧钝边处，与钝边一起熔化进行焊接。由于焊丝在坡口的反面，可以清晰地看清钝边和焊丝的熔化情况，眼睛的余光也可以看见反面余高的情况，所以焊缝熔合好，反面余高和未熔合可得到很好的控制。打底焊内部焊缝效果如图4所示。

第二，过渡层焊接前，管子内部继续充氩气进行保护。过渡层是复合管熔融金属合金成分最为复杂的焊层，容易造成熔融合金浓度梯队过大，从而影响接头的防腐蚀性能。

过渡层焊接送丝形式采用外填丝，其焊丝头在坡口正面。电弧引燃后要在焊件开始的地方预热3～5s，形成熔池后开始送丝，左手捏焊丝，不断送进熔池进行焊接，焊丝送入要均匀，焊枪向前移动要平稳。

第三，填充层焊接时，为了保证熔融金属需要进行摆动焊，摆动最大幅度不能超过3倍焊芯直径。焊枪向前移动要平稳左右摆动，焊道两侧稍慢，中间稍快。

焊接过程中，要密切注意熔池的变化，熔池变大、焊缝变宽或出现下凹时，要加快焊速或重新调小焊接电流。当熔池熔合不好和送丝有送不动的感觉时，要降低焊接速度或加大焊接电流。

第四，盖面层焊缝外形与母材平滑过渡，接头与焊缝高低一致，焊缝宽窄均匀顺直，焊缝宽度以盖过坡口边缘1～1.5mm为宜。减少咬边出现，咬边深度≤0.5mm，连续长度不应超过100mm，且焊缝两侧咬边总长度不得超过该焊缝长度的10%。

6. 复合管检测

按照表6中的标准，对复合管焊缝进行VT和RT检测。

检测结果焊缝外观成形良好，外形平滑过渡。焊缝表面不得低于母材表面，焊缝余高Δh=1+0.2b，且≤3mm（b为组对后的坡口宽度），不允许有裂纹、未熔合、气孔、夹渣等缺陷。对于无损检测不合格的返修部位，必须按照以上的工艺步骤进行，清除缺陷、补焊，补焊完成后进行无损检测。

7. 水压试验

用不低于5℃的水进行水压试验，试验压力为设计压力的1.5倍，保压时间≥15min。检测内衬层是否泄漏，需要提前在基层管壁上加工1个M10×1螺纹孔，如有水流出，则内衬层发生渗漏；若没有水出现，则水压试验合格。

8. 气密试验

气密性试验应在液压试验合格后进行，试验所用气体应为干燥、清洁的空气、氮气或其他惰性气体，试验压力为设计压力的1.15倍。

首先把所有复合管管路联接在一起，然后开始升压，压力应缓慢上升，达到规定试验压力后保压10min，然后降至设计压力，对所有焊缝和连接部位涂刷肥皂水进行检查，以无泄漏为合格。如有泄漏，修补后重新进行液压试验和气密性试验。

图4 打底焊内部焊缝效果

9. 酸洗

气密试验完成后，应对复合管内侧管壁及焊缝进行酸冼处理，采用酸洗膏A103进行处理，目的是为了清除焊缝及热影响区表面的氧化皮及碳化层。

10.结语

内衬不锈钢复合管是在钢管内覆以薄壁不锈钢管，这样既降低了制造成本，又确保了厚度以保证强度，同时达到了管路内部防腐的要求，使安装内衬不锈钢复合钢管的费用大大低于厚壁纯不锈钢管。虽然内衬不锈钢复合钢管焊接难度比较大，但采用手工钨极氩弧焊（GTAW/141）进行封焊、打底焊、过渡层焊、填充焊、盖面焊的方法，并采取合适的工艺措施，经过实际运用的考验，能够完全满足设计要求的各项技术指标和使用性能。

表6 检测要求

名称检测项检测范围（%）试验标准VT 100 ISO5817 RT 100 ISO 17636 RT 100 ISO 10675复合管

作者简介：卢忠华、晏宏学，青岛海西船舶柴油机有限公司。