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摘要：本文重点介绍奥氏体不锈钢管膛内的充氮保护焊接的工艺原理、操作要点及经济效益。
关键词：奥氏体不锈钢 氮气 焊接
1 概述
多年来在工程施工中奥氏体不锈钢的焊接一直采用的是管膛内充氩保护焊接，质量稳定可靠。石油化工行业标准SH 3501-2002《石油化工有毒、可燃介质管道工程施工及验收规范》的7.3.7条规定：奥氏体不锈钢管道焊接，单面焊焊缝宜用手工钨极氩弧焊焊接焊缝底层，管内应充氩气或氮气保护。SH/T 3523-2009《石油化工铬镍不锈钢、铁镍合金和镍合金焊接规程》的7.3.4也规定：采用实芯焊丝或不填丝的钨极气体保护焊焊接底层焊道时，焊缝背面应采取充氩或充氮保护措施。保护措施可采用整体或局部充氩（氮）方法。充氩气（氮气）开始时宜采用较大的流量，确保管内保护气浓度满足要求后方可施焊，焊接时背面保护用的氩气（氮气）流量应适当降低，避免出现凹坑。
标准规定了还可以采取充氮保护，从经济成本上讲，氩气较氮气便宜。2011年，我公司对奥氏体不锈钢管膛内氩气保护焊接工艺改为充氮保护工艺进行了系列的实验，最终通过了焊接工艺评定。通过项目的实际操作和运行证明，奥氏体不锈钢管膛内的充氮保护焊接不仅能够保证焊接质量而且经济可靠，是行之有效的施工工法。
2 工法的特点及适用范围
2.1 奥氏体不锈钢管道采用普通钨极氩弧焊进行打底焊接，管膛内部焊接保护采用氮气保护。
2.2 焊接工艺评定的结果证明，不锈钢管膛内氮气保护焊接对奥氏体不锈钢力学性能、晶间腐蚀等性能没有影响。
2.3 氮气比重比氩气、空气（氧气）要轻，在管膛内保护时，控制管膛内把空气（氧气）置换成氮气并达到一定浓度以满足焊接要求是关键。
2.4 不锈钢管膛内氮气保护焊接和氩气相同，工艺基本没有区别，焊工能够正常操作，操作简单，劳动强度低。
2.5 氮气只作为不锈钢管膛内保护焊接使用，但不可以作为钨极氩弧焊焊枪喷嘴保护气使用。
2.6 施工过程中无需配备更多的施工机具，节约成本，机动灵活。
2.7 本工法适用于各种规格奥氏体不锈钢、双相不锈钢管道的焊缝组对、打底焊接，奥氏体不锈钢设备的组焊打底焊接可参考使用。
3 工艺原理
3.1 奥氏体不锈钢管道的焊接一般要求单面焊双面成型，通常采用GTAW+SMAW、GTAW+GMAW、GTAW+SAW等焊接工艺，由于奥氏体不锈钢高温下Cr原子会急剧氧化，造成背面成型不良，降低使用性能，故焊接时管膛内需惰性气体保护。
3.2 使用惰性气体保护，是因为惰性气体化学性质很不活泼，与其他元素之间几乎不会发生化学反应。氮气虽然不是惰性气体，而纯氮气是不能与普通金属产生反应的，被称为“惰性”，就是氮气的这种特性在加热过程中，起到了保护金属表面，不会产生氧化，从而起到惰性气体保护的作用。
3.3 由于氮气比重比空气（氧气）要轻，所以，从不锈钢管膛内把空气（氧气）排空置换成氮气并达到管膛内焊接浓度要求，是该工法的试验重点。
3.4 通过试验证明，焊接时不锈钢管膛内充氮气位置是非常重要的。规格小于Φ300mm不锈钢管道由于管径小，管膛内充氮气位置对内部保护没有多大影响。当规格大于Φ300mm管道管膛内充氮气保护焊接时，水平焊口应从管子底部充氮，并在水平位置管的10点、2点位置设排气口，尽快把空气排出去。出气孔不能放到12点位置，因为空气（氧气）比氮气比重大，很难在高位置把空气排出去。
3.5 采用海绵封堵，海绵是软体材料且具有一定的厚度，放置在管内非常稳定可靠，同时海绵具有一定的透气性，隔离段气室内没有死角，非常有利于氮气的置换。气带直接穿过海绵，进气端使用三通（或用废海绵的边角料将气带端部包扎），让氮气气均匀的从海绵四周喷出。气带端口应放置在焊口的下部，提高气体置换速度和质量。小于Φ300mm管子用一根气带从一端充气即可；大于Φ300mm管子采用两根气带向管内充气，待管内气体置换好后可关掉一根气带，只用一根气带维持管内氮气流量，保证焊接需要并节省氮气。
3.6 研究分析，碳元素是影响不锈钢晶间腐蚀的主要因素，理论上讲，氮气在焊接过程中，不生成碳化物。由于氮化物在晶界上析出，提高晶界高温强度，从而增加钢的蠕变强度。在奥氏体钢中，可以取代一部分镍。氮不与不锈钢中其他元素化合，有沉淀硬化作用；对钢抗腐蚀性能的影响不显著，但钢表面渗氮后，不仅增加其硬度和耐磨性能，也显著改善其抗蚀性。
3.7 我们先后进行了16组焊接工艺评定实验，包括含碳量稍高的TP304、TP304H、TP347H、TP316等不锈钢材料，晶间腐蚀均为合格。说明不锈钢管膛内氮气保护对不锈钢钢焊接中的晶间腐蚀没有明显影响。
4 施工操作要点
4.1 施工准备
4.1.1 焊接材料的选择应根据焊件的化学成分、力学性能、使用条件和施焊条件综合考虑。同种铬镍奥氏体不锈钢的焊接宜选用与母材合金含量相近的焊接材料；异种铬镍奥氏体不锈钢的焊接，宜按照合金含量较低的母材选择焊接材料。
4.1.2 不锈钢管膛内用保护焊接氮气纯度选用应不低于99.5%，含水量小于50mg/L。
4.1.3 焊工必须按照国家质量监督检验检疫总局颁布《TSG Z6002-2010特种设备焊接操作人员考核细则》进行考试，并取得FeⅣ类钨极氩弧焊焊工合格资质证，（例如：GTAW-FeⅣ-6G- ×/××-FefS-02/10/12），方可承担相应的焊接施工任务。
4.1.4 各种管径、厚度的组对形式应符合表1的要求。
4.2 焊接准备
4.2.1 焊接设备处于完好状态。
4.2.2 焊工手工工具宜应用不锈钢制成，打磨焊缝宜用不锈钢专用砂轮片。
4.2.3 坡口两侧各100mm范围内应涂上白垩粉后其他防飞溅涂料。 4.2.4 焊接保护用氮气纯度应满足要求，氮气纯度应不低于99.5%。
4.3 管子切割、组对
4.3.1 管子切割及坡口加工宜采用机械方法，坡口加工后应进行外观检查，坡口表面不得有裂纹、分层等缺陷。
4.3.2 管子及管件组对前，应用手工或机械方法清理其内外表面，在坡口边缘20mm范围内不得有油漆、毛刺、铸造垢皮及其他对焊接有害的物质。
4.3.3 管壁相同时，其内壁应平齐，内壁错边量不得大于0.5mm。
4.3.4 管子及管件组对后的定位焊可采用根部定位焊缝和过桥定位焊缝两种方式。定位焊焊接工艺与正式焊接工艺相同。
4.3.5 点固焊长度不超过10mm～20mm，且厚度不超过管材壁厚的2/3并不得超过10mm。
4.4 氮气置换
4.4.1 管道内充氮气，采用δ=100mm的海绵封堵在管口两侧，距离为200mm～400mm，如图1所示。
4.4.2 海绵用薄木板加固，两块海绵之间用铁丝连接，焊接完毕连同气带一起用铁丝从管内拉出来。
4.4.3 大于Φ300mm不锈钢管道采用二至三根气带均匀分布于海绵表面向管内充气，提高置换速度。待管内氮气置换好后只留一根气带维持管内氮气压力保证焊接用气。
4.5 管膛内氮气浓度的检验
4.5.1 焊丝放在坡口内处在氮气保护下，用氩弧焊电弧将焊丝端部加热至变红后迅速熄灭电弧并将焊丝伸到管内，待焊丝端部温度降到室温后抽出观察焊丝端部的颜色来判断管内氮气的浓度。
4.5.2 焊丝端部为银白色，说明管膛内氮气浓度达到焊接要求；焊丝端部为金黄色，说明管内氮气浓度不太够，但也可以满足焊接需要。焊丝端部为蓝、灰、白等颜色，说明管内氮气浓度不够，需要继续置换。
4.6 焊接
4.6.1 管内充氮气时，开始时流量可适当加大，确保管膛内氮气浓度达到保护焊接要求后方可施焊。焊接过程中如感觉铁水发飘，氮气流量应适当降低，以避免焊缝背面因氮气吹托，在成型时出现凹陷。
4.6.2 焊接过程中需控制热输入量，采用小线能量，小电流焊接，冷却速度要快，使其在敏化温度区停留时间短，有利于防止不锈钢产生晶间腐蚀；小线能量即热输入小，焊接应力就小，有利于防止应力腐蚀和热裂纹；焊接时根据管径大小、壁厚选择相应的焊接工艺参数，焊接电流值比低碳钢焊接时低20%左右。采用小线能量、短弧焊、小摆动的操作方法。层间温度控制在150℃以下。
4.6.3 钨极氩弧焊焊接时，焊丝前端应始终置于保护气体中。
4.6.4 氩弧焊焊接时收尾处打磨成斜坡状，焊至斜坡时，暂停给丝，先用电弧把斜坡处预热并熔化成熔孔时，迅速加焊丝，使焊缝封闭，收弧时要填满弧坑，气体延时保护，避免焊缝在高温下被大气污染。
4.6.5 焊件表面严禁电弧擦伤，并严禁在焊件表面引弧、收弧。焊接时应确保引弧和收弧处的质量，收弧时应将弧坑填满，并用砂轮将收弧处修磨平整。
4.6.6 焊枪喷嘴采用过渡段筛网，效果更好。通过分析和试验，采用带过渡段筛网的氩弧焊喷嘴，对不锈钢的焊接更加有力，特别是对焊后颜色有要求的环境，推荐采用带过渡段筛网的氩弧焊喷嘴。
4.6.7 采用熔化极气体保护焊接打底时，背面保护工艺可参照此工法。
5 经济效益
按照140MPa瓶装气体统计数据核算，管道内部充气费用大约氩气8.75元/m，氮气2.91元/m，氮气比氩气节省费用2/3，表2为各种瓶装气体性价比(计算依据：按照目前气瓶减压器输出10L/min计算，140MPa瓶装氩气氮气可释放10小时)。应用的实践表明，使用本方法后每年节约成本气体约66%，约为不锈钢管道总工程量的5%。
关键词：奥氏体不锈钢 氮气 焊接
1 概述
多年来在工程施工中奥氏体不锈钢的焊接一直采用的是管膛内充氩保护焊接，质量稳定可靠。石油化工行业标准SH 3501-2002《石油化工有毒、可燃介质管道工程施工及验收规范》的7.3.7条规定：奥氏体不锈钢管道焊接，单面焊焊缝宜用手工钨极氩弧焊焊接焊缝底层，管内应充氩气或氮气保护。SH/T 3523-2009《石油化工铬镍不锈钢、铁镍合金和镍合金焊接规程》的7.3.4也规定：采用实芯焊丝或不填丝的钨极气体保护焊焊接底层焊道时，焊缝背面应采取充氩或充氮保护措施。保护措施可采用整体或局部充氩（氮）方法。充氩气（氮气）开始时宜采用较大的流量，确保管内保护气浓度满足要求后方可施焊，焊接时背面保护用的氩气（氮气）流量应适当降低，避免出现凹坑。
标准规定了还可以采取充氮保护，从经济成本上讲，氩气较氮气便宜。2011年，我公司对奥氏体不锈钢管膛内氩气保护焊接工艺改为充氮保护工艺进行了系列的实验，最终通过了焊接工艺评定。通过项目的实际操作和运行证明，奥氏体不锈钢管膛内的充氮保护焊接不仅能够保证焊接质量而且经济可靠，是行之有效的施工工法。
2 工法的特点及适用范围
2.1 奥氏体不锈钢管道采用普通钨极氩弧焊进行打底焊接，管膛内部焊接保护采用氮气保护。
2.2 焊接工艺评定的结果证明，不锈钢管膛内氮气保护焊接对奥氏体不锈钢力学性能、晶间腐蚀等性能没有影响。
2.3 氮气比重比氩气、空气（氧气）要轻，在管膛内保护时，控制管膛内把空气（氧气）置换成氮气并达到一定浓度以满足焊接要求是关键。
2.4 不锈钢管膛内氮气保护焊接和氩气相同，工艺基本没有区别，焊工能够正常操作，操作简单，劳动强度低。
2.5 氮气只作为不锈钢管膛内保护焊接使用，但不可以作为钨极氩弧焊焊枪喷嘴保护气使用。
2.6 施工过程中无需配备更多的施工机具，节约成本，机动灵活。
2.7 本工法适用于各种规格奥氏体不锈钢、双相不锈钢管道的焊缝组对、打底焊接，奥氏体不锈钢设备的组焊打底焊接可参考使用。
3 工艺原理
3.1 奥氏体不锈钢管道的焊接一般要求单面焊双面成型，通常采用GTAW+SMAW、GTAW+GMAW、GTAW+SAW等焊接工艺，由于奥氏体不锈钢高温下Cr原子会急剧氧化，造成背面成型不良，降低使用性能，故焊接时管膛内需惰性气体保护。
3.2 使用惰性气体保护，是因为惰性气体化学性质很不活泼，与其他元素之间几乎不会发生化学反应。氮气虽然不是惰性气体，而纯氮气是不能与普通金属产生反应的，被称为“惰性”，就是氮气的这种特性在加热过程中，起到了保护金属表面，不会产生氧化，从而起到惰性气体保护的作用。
3.3 由于氮气比重比空气（氧气）要轻，所以，从不锈钢管膛内把空气（氧气）排空置换成氮气并达到管膛内焊接浓度要求，是该工法的试验重点。
3.4 通过试验证明，焊接时不锈钢管膛内充氮气位置是非常重要的。规格小于Φ300mm不锈钢管道由于管径小，管膛内充氮气位置对内部保护没有多大影响。当规格大于Φ300mm管道管膛内充氮气保护焊接时，水平焊口应从管子底部充氮，并在水平位置管的10点、2点位置设排气口，尽快把空气排出去。出气孔不能放到12点位置，因为空气（氧气）比氮气比重大，很难在高位置把空气排出去。
3.5 采用海绵封堵，海绵是软体材料且具有一定的厚度，放置在管内非常稳定可靠，同时海绵具有一定的透气性，隔离段气室内没有死角，非常有利于氮气的置换。气带直接穿过海绵，进气端使用三通（或用废海绵的边角料将气带端部包扎），让氮气气均匀的从海绵四周喷出。气带端口应放置在焊口的下部，提高气体置换速度和质量。小于Φ300mm管子用一根气带从一端充气即可；大于Φ300mm管子采用两根气带向管内充气，待管内气体置换好后可关掉一根气带，只用一根气带维持管内氮气流量，保证焊接需要并节省氮气。
3.6 研究分析，碳元素是影响不锈钢晶间腐蚀的主要因素，理论上讲，氮气在焊接过程中，不生成碳化物。由于氮化物在晶界上析出，提高晶界高温强度，从而增加钢的蠕变强度。在奥氏体钢中，可以取代一部分镍。氮不与不锈钢中其他元素化合，有沉淀硬化作用；对钢抗腐蚀性能的影响不显著，但钢表面渗氮后，不仅增加其硬度和耐磨性能，也显著改善其抗蚀性。
3.7 我们先后进行了16组焊接工艺评定实验，包括含碳量稍高的TP304、TP304H、TP347H、TP316等不锈钢材料，晶间腐蚀均为合格。说明不锈钢管膛内氮气保护对不锈钢钢焊接中的晶间腐蚀没有明显影响。
4 施工操作要点
4.1 施工准备
4.1.1 焊接材料的选择应根据焊件的化学成分、力学性能、使用条件和施焊条件综合考虑。同种铬镍奥氏体不锈钢的焊接宜选用与母材合金含量相近的焊接材料；异种铬镍奥氏体不锈钢的焊接，宜按照合金含量较低的母材选择焊接材料。
4.1.2 不锈钢管膛内用保护焊接氮气纯度选用应不低于99.5%，含水量小于50mg/L。
4.1.3 焊工必须按照国家质量监督检验检疫总局颁布《TSG Z6002-2010特种设备焊接操作人员考核细则》进行考试，并取得FeⅣ类钨极氩弧焊焊工合格资质证，（例如：GTAW-FeⅣ-6G- ×/××-FefS-02/10/12），方可承担相应的焊接施工任务。
4.1.4 各种管径、厚度的组对形式应符合表1的要求。
4.2 焊接准备
4.2.1 焊接设备处于完好状态。
4.2.2 焊工手工工具宜应用不锈钢制成，打磨焊缝宜用不锈钢专用砂轮片。
4.2.3 坡口两侧各100mm范围内应涂上白垩粉后其他防飞溅涂料。 4.2.4 焊接保护用氮气纯度应满足要求，氮气纯度应不低于99.5%。
4.3 管子切割、组对
4.3.1 管子切割及坡口加工宜采用机械方法，坡口加工后应进行外观检查，坡口表面不得有裂纹、分层等缺陷。
4.3.2 管子及管件组对前，应用手工或机械方法清理其内外表面，在坡口边缘20mm范围内不得有油漆、毛刺、铸造垢皮及其他对焊接有害的物质。
4.3.3 管壁相同时，其内壁应平齐，内壁错边量不得大于0.5mm。
4.3.4 管子及管件组对后的定位焊可采用根部定位焊缝和过桥定位焊缝两种方式。定位焊焊接工艺与正式焊接工艺相同。
4.3.5 点固焊长度不超过10mm～20mm，且厚度不超过管材壁厚的2/3并不得超过10mm。
4.4 氮气置换
4.4.1 管道内充氮气，采用δ=100mm的海绵封堵在管口两侧，距离为200mm～400mm，如图1所示。
4.4.2 海绵用薄木板加固，两块海绵之间用铁丝连接，焊接完毕连同气带一起用铁丝从管内拉出来。
4.4.3 大于Φ300mm不锈钢管道采用二至三根气带均匀分布于海绵表面向管内充气，提高置换速度。待管内氮气置换好后只留一根气带维持管内氮气压力保证焊接用气。
4.5 管膛内氮气浓度的检验
4.5.1 焊丝放在坡口内处在氮气保护下，用氩弧焊电弧将焊丝端部加热至变红后迅速熄灭电弧并将焊丝伸到管内，待焊丝端部温度降到室温后抽出观察焊丝端部的颜色来判断管内氮气的浓度。
4.5.2 焊丝端部为银白色，说明管膛内氮气浓度达到焊接要求；焊丝端部为金黄色，说明管内氮气浓度不太够，但也可以满足焊接需要。焊丝端部为蓝、灰、白等颜色，说明管内氮气浓度不够，需要继续置换。
4.6 焊接
4.6.1 管内充氮气时，开始时流量可适当加大，确保管膛内氮气浓度达到保护焊接要求后方可施焊。焊接过程中如感觉铁水发飘，氮气流量应适当降低，以避免焊缝背面因氮气吹托，在成型时出现凹陷。
4.6.2 焊接过程中需控制热输入量，采用小线能量，小电流焊接，冷却速度要快，使其在敏化温度区停留时间短，有利于防止不锈钢产生晶间腐蚀；小线能量即热输入小，焊接应力就小，有利于防止应力腐蚀和热裂纹；焊接时根据管径大小、壁厚选择相应的焊接工艺参数，焊接电流值比低碳钢焊接时低20%左右。采用小线能量、短弧焊、小摆动的操作方法。层间温度控制在150℃以下。
4.6.3 钨极氩弧焊焊接时，焊丝前端应始终置于保护气体中。
4.6.4 氩弧焊焊接时收尾处打磨成斜坡状，焊至斜坡时，暂停给丝，先用电弧把斜坡处预热并熔化成熔孔时，迅速加焊丝，使焊缝封闭，收弧时要填满弧坑，气体延时保护，避免焊缝在高温下被大气污染。
4.6.5 焊件表面严禁电弧擦伤，并严禁在焊件表面引弧、收弧。焊接时应确保引弧和收弧处的质量，收弧时应将弧坑填满，并用砂轮将收弧处修磨平整。
4.6.6 焊枪喷嘴采用过渡段筛网，效果更好。通过分析和试验，采用带过渡段筛网的氩弧焊喷嘴，对不锈钢的焊接更加有力，特别是对焊后颜色有要求的环境，推荐采用带过渡段筛网的氩弧焊喷嘴。
4.6.7 采用熔化极气体保护焊接打底时，背面保护工艺可参照此工法。
5 经济效益
按照140MPa瓶装气体统计数据核算，管道内部充气费用大约氩气8.75元/m，氮气2.91元/m，氮气比氩气节省费用2/3，表2为各种瓶装气体性价比(计算依据：按照目前气瓶减压器输出10L/min计算，140MPa瓶装氩气氮气可释放10小时)。应用的实践表明，使用本方法后每年节约成本气体约66%，约为不锈钢管道总工程量的5%。