1602 第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集
LNG 超低温304L 不锈钢焊接工艺评定
吕志军，马 丽，费 东，田 雷，韦 生，温志刚
（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东 青岛 266520）
摘要：介绍了LNG 中-196℃服役条件的304L 超低温不锈钢，分析了母材的焊接性，就钨极氩弧焊(GTAW)、药芯焊丝CO 2
气体保护焊 (FCAW-G) 进行焊接工艺评定，对相应的结果进行了分析，给出了焊接过程中的质量控制措施，开发成功两套焊接工艺，积累了相关经验。
关键词：液化天然气；超低温；304L 不锈钢；工艺管线；焊接工艺评定
近年来，随着全球范围液化天然气（Liquified Natural Gas - LNG）消量的持续增长，对建造新LNG 设施的需求也在不断增加。这些设施包括开采、运输、加工、储存及输送设备等，它们的服役温度、工作环境和力学性能不尽相同，因此需要各种不同的合金及焊接材料。
在LNG 设施的建造和安装过程中，不可避免的涉及到大量的管线，特别是在超低温下服役的304 L类奥氏体不锈钢管线系统焊接。通常，这类不锈钢具有优良的耐腐蚀性，而且也具有很好的超低温的韧性，在非常低的工作温度下，能够有效地防止恶性脆性断裂事故的发生。与随温度的降低有着明显的塑-脆性断裂转变的低合金钢相比，低碳奥氏体不锈钢的这种性能在设计使用温度低至-196℃的LNG 设备中有着独特的优势[1]。
Gorgon 项目位于澳大利亚西北部的Barrow 岛，项目类型为LNG 处理厂，海油工程青岛公司承建的是预装配支架PAR （Pre-Assembled Racks）部分，共37 072 t，分为4个包（P1A 、P1D 、P2、P3）157个子模块，在建造过程中采用
国际领先的工厂模块化建造工艺。 图 1 Gorgon LNG项目的管廊示意
1 母材的焊接性分析
焊接工艺评定用母材为-196℃服役条件的ASTM A358 CL1奥氏体不锈钢，化学成分与力学性能见表1所示。由表1可知，超低碳304 L奥氏体不锈钢具有较低的屈强比、较高的伸长率，Cr eq =17.886，Ni eq =10.44，可知其显微组织为A （奥氏体）+ (4～6)%δ- F (δ- 铁素体) 。
表1 母材金属的化学成分与力学性能
化学成分 (质量分数, %)
规定值 实测值
C Si Mn Ni Mo P S Ti Cr N 0.026 0.361 1.54 8.45 0.326 0.022 0.0043 0.0021 17.56 0.054 屈服强度/MPa
≥205
抗拉强度/ MPa
≥515
伸长率/ %
40
—
冲击韧度
— 30J
312 616 55.2 -196℃
在焊接过程中要注意以下几方面的问题：
1.1 易形成热裂纹
奥氏体不锈钢的导热系数小，线膨胀系数大，在焊接过程的局部加热和冷却条件下，接头会形成较大的拉应力；此外，奥氏体不锈钢易于形成方向性强的柱状晶焊缝组织，在凝固结晶过程中，一些杂质元素及合金元素，如S 、P 、Si 、B 、Nb 易于在晶间形成低熔点的液态膜，因此造成焊接凝固裂纹[2]。 1.2 耐蚀性降低
1）超低碳奥氏体不锈钢根据母材及焊缝金属的化学成分、采用的不同焊接工艺，接头可能出现焊缝和热影响区敏化温度区间的晶间腐蚀。
对于焊缝金属，主要是在晶界上析出碳化铬，造成贫铬的晶界引起晶间腐蚀。故而要选用超低碳焊接材料，以保证焊缝金属为超低碳的不锈钢；同时要选用含有一定数量的δ铁素体的焊接材料，δ铁素体分布在奥氏体晶间，可以一定程度上控制晶间腐蚀。
对于热影响区，在焊接工艺上要采用较小的焊接热输入，加快冷却速度，以减少晶间腐蚀的发生。 2）由于焊接残余拉应力、焊前的各种热加工冷加工等因素，可能发生应力腐蚀开裂。
第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集 1603
为了保证高浓度氯化物介质中的超低碳奥氏体不锈钢的耐应力腐蚀能力，选用焊缝金属中Cr 、Mo 、Ni 等耐蚀合金元素含量高于母材的焊接材料。
焊接时，要保证焊接接头部位光滑洁净、尽量少的焊接飞溅和电弧擦伤，根源上避免发生应力腐蚀。 1.3 塑性和韧性变差
在超低温条件下服役时，焊缝金属的塑性和韧性是最关键的性能，δ铁素体的存在，会恶化超低温韧性。
母材金属中Cr 、Mo 含量较高时，会有明显的σ相脆化现象。为此要选用Ni 含量较高的填充材料，防止N 在焊接过程中降低，可以有效地抑制焊接接头的脆化。
与普通低碳奥氏体钢焊材不同，专门用于LNG 设施的不锈钢焊材熔敷金属的铁素体含量要严格控制，本项目要求熔敷金属铁素体含量为3～8 FN，以解决含有少量铁素体的奥氏体不锈钢在超低温条件下塑性和韧性降低的问题。
2 焊接工艺评定试验
2.1 焊接方法与填充材料
1）焊接方法
钨极氩弧焊（GTAW ），易于控制、焊缝金属质量优良，是一种高质量的焊接方法，主要进行管线的打底焊，在壁厚薄、管径较小的管线焊接时，直接用钨极氩弧焊完成。
药芯焊丝CO 2气体保护焊（FCAW-G ），有着优良的全位置焊接能力、灵活的熔敷金属合金成分调整和理想的焊缝外观成形。在固定或非固定的管线焊接中，是一种生产效率很高的焊接方法，尤其适用于壁厚在10mm 以上的管线。
2）填充材料
基于上述分析，选用的焊接材料为京群焊丝GTS-308L 、GFS-308L ，焊接材料对应的主要化学成分见表2所示。
表2 焊接材料的化学成分
牌号
直径 /mm
化学成分/%
C Mn Si S P Mo Ni Cr Cu
GTS-308L 2.4 0.008 1.80 0.52 0.004 0.015 0.00 9.5 19.9 0.01 GTS-308L 2.0 0.017 1.87 0.57 0.008 0.02 0.12 9.9 19.8 0.12 GFS-308L 1.2 0.03 1.55 0.43 0.002 0.026 0.06 10.2 19.1 0.21
2.2 坡口类型及焊前准备
选用的母材为φ355.6×4.78 mm、φ508×9.53 mm、φ323.9×25.4 mm三种规格，GTAW 与FCAW-G 工艺焊接位置为6G ，焊接方向为立向上，打底要求单面焊接双面成型。为了防止母材金属的氧化和铁离子污染，采用机加工的方法制备坡口，详细的形式及尺寸见图2所示，其中壁厚4.78 mm、9.53 mm的采用图2（a ），壁厚25.4 mm的采用图2（b ）。
1-2
（a） （b）
图2 焊接工艺评定的坡口类型
2.3 保护气体
GTAW 工艺施焊时，保护气体为Ar 气，纯度99.99%，气体流量为15～25 L/min；焊缝金属厚度在6.4 mm以下时，管子两端用胶带封住，管子内部充Ar 气保护，纯度99.99%，用测氧仪进行测定，内部气体的氧含量在0.5%以下时方可进行焊接；焊缝金属厚度在6.4 mm以上时，内部可以不充氩气保护。
FCAW-G 工艺施焊时，保护气体为CO 2，纯度99.95%，气体流速为20～25 L/min。 2.4 工艺参数的选择
焊接过程中要严格控制热输入和层间温度。焊接是一个快速加热和快速冷却的过程，热输入过低，冷
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却速度较快，焊缝及热影响区会产生较多的铁素体，从而降低韧性；过高的热输入，会使得在高温区停留时间过长，晶粒长大过快，接头的抗腐蚀及韧性将会大大降低。
本项目中打底焊接时焊材直径是重要变素，故选用直径2.0 mm与2.4 mm的焊丝进行打底焊接，表3与表4分别给出了GTAW 与FCAW-G 焊接的主要工艺参数。
表3 GTAW工艺焊接的主要参数
焊接方法 GTAW GTAW GTAW GTAW
焊层 打底 （或）打底
填充 盖面
填充金属直径
/mm
2.0 2.4 2.4 2.0
电流极性
焊接电流 /A
焊接电压 /V
焊接速度/mm·min -1
最大热输入
/KJ·mm -1
1.50 1.70 1.60 1.50
直流正接 90～135 10～12 65～90 直流正接 100～150 10～12 65～100 直流正接 140～210 11～14 110～150 直流正接 140～185 12～13 110～150
表4 FCAW-G工艺焊接的主要参数
焊接方法 GTAW GTAW FCAW-G FCAW-G
焊层 打底 （或）打底
填充 盖面
填充金属直径
/mm
2.0 2.4 1.2 1.2
电流极性
焊接电流 /A
焊接电压 /V
焊接速度/mm·min -1
最大热输入
/KJ·mm -1
1.50 1.70 1.60 1.20
直流正接 90～135 10～12 65～90 直流正接 100～150 10～12 65～100 直流反接 110～190 22～31 220～300 直流反接 110～175 22～29 250～300
2.5 质量控制措施
1）坡口清理——焊接前坡口区域存在的水分、油漆、铁锈等污染物中含有C 、H 、O 等化学元素，焊接加热时，这些元素直接参与冶金反应，改变了正常的化学反应成分和元素含量，增加了焊接接头产生缺陷的机率，对焊接质量和安全危害极大。
应用未在碳钢上使用过的不锈钢砂轮片对焊接区域两侧至少25 mm进行打磨作业，要使打磨区域有光滑度，露出金属光泽。
2）预热、层间温度控制——温度直接影响焊接热循环过程、熔池冶金化学反应程度、焊缝和热影响区金相组织转变、合金元素和应力的分布，最终影响接头的质量和性能。
焊接前做好预热≥10℃，焊接过程中控制层间温度≤175℃。
3）防风、防潮措施——风力主要影响焊接电弧形态和气体保护氛围的工艺稳定性；其次与温度共同作用影响焊缝冷却速度，从而影响焊接热循环、冶金化学反应程度、接头组织转变和应力分布。湿度会增加母材表面吸附的潮气，最终会使焊缝产生气孔、裂纹等缺陷的几率增加。
对于GTAW 和FCAW-G 工艺，当风速超过3 m/s和1 m/s时，就要做好防风措施；在环境相对湿度大于80%时，不得进行施焊。
4）焊工培训——在工艺评定开始前，就工艺、特殊技术要求等有针对性的展开培训，使得工人提前对此有一定的熟知度。
3 工艺评定试验结果及分析
3.1 工艺评定试验结果
焊接工艺评定采用ASME Section IX及ASME B31.3标准[3-4]，各项性能试验按照标准及业主的要求进行。试验项目不仅包括常规的缩减断面拉伸试验、弯曲试验、夏比V 型缺口冲击试验、宏观与硬度试验，还进行了焊缝和热影响区的铁素体含量测试。对选定的焊接方法及组合评定，主要力学性能试验结果见表5所示。
试验加工出的冲击试样沿缺口方向尺寸有2.5 mm（A1）、7.5 mm(A2、A3) 、10 mm（A4、A5）三种类型，表5中小试样的冲击功平均值，都是按照比例关系转换成标准试样上的数值。在铁素体含量测定时，每个试验件取两个试样，每个试样打5个点得到平均FN 数值，详细信息见表6所示。 3.2 结果分析
从表5中可以看出，焊接接头的抗拉强度高于母材标准的下限要求（≥515 MPa），接头的拉伸性能符
°
合要求；根弯和面弯（或侧弯）试样弯曲180，没有出现缺陷，表明焊接接头具有良好的塑性。
焊缝及热影响区的低温冲击试验，符合设计及业主要求；各个试样的焊缝及热影响区的侧向膨胀值都较好的符合标准中≥0.38 mm的要求，接头在-196℃超低温的条件下具有良好的韧性。铁素体含量的测定，各个试验件的不同点测试值较好的满足了业主3～8 FN的要求。
第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集
表5 主要力学性能试验结果
抗拉 试验
强度 件号
/MPa
弯曲 试验 (180°)
焊缝
根弯+面GTAW A1 620 弯根弯+面GTAW A2 620 弯
GTAW A3 640 侧弯 根弯+面GTAW+FCAW-G A4 632
弯
GTAW+FCAW-G A5 598 侧弯
104,112,116124,133,112
冲击试验(-196℃)
冲击吸收功/J 熔合线 152,140,124160,184,157
熔合线+2mm124,176,172164,162,164188,222,175
焊缝
侧向膨胀值/mm
熔合线
1605
焊接方法
熔合线+2 mm
1.10,1.00,0.94 1.24,1.28,0.98 1.14,1.34,1.28 1.58,1.50,1.34 1.90,1.84,1.76 1.58,1.64,1.72 1.12,1.28,1.24 1.40,1.78,1.58 1.90,2.36,1.96
88,102,99 148,147,14051,47,53 32,33,34
77,81,76 113,105,157 0.78,0.84,0.98 1.12,1.14,0.94 1.50,1.32,1.62 70,72,61 144,108,116 1.50,0.54,0.66 0.78,0.78,0.78 1.64,1.24,1.18
注：A1为壁厚4.78 mm、A2与A3为壁厚9.53 mm、A4与A5为壁厚25.4 mm的试验件。
表6 铁素体含量测试结果
焊接方法 GTAW GTAW GTAW GTAW+FCAW-G GTAW+FCAW-G
试验 件号
试样1
试样2
P1 P2 P3 P4 P5 A VE P6 P7 P8 P9 P10 A VE
A1 7.6 7.6 6.3 7.0 7.2 7.14 7.5 7.6 7.3 6.0 5.9 6.86 A2 5.0 5.3 6.7 6.7 5.3 5.80 4.3 3.8 5.5 3.7 5.1 4.48 A3 4.3 3.8 5.4 3.7 4.9 4.42 4.8 4.4 5.8 3.8 5.2 4.80 A4 6.0 5.6 5.7 5.6 5.3 5.64 3.8 6.8 5.6 4.6 5.6 5.28 A5 3.3 5.4 3.2 7.8 7.9 5.52 6.1 5.1 6.8 5.1 5.9 5.80
4 结 语
1）充分了解304L 奥氏体不锈钢的焊接性与性能特点，做好前瞻性分析准备工作，采用合理的焊接工
艺和质量控制措施，保证了-196℃下的此类不锈钢管线的焊接质量。
2）选用严格控制铁素体含量的焊接材料，采用合理的热输入外加严格控制层间温度，实现了接头良好的超低温韧性，评定结果满足标准及业主要求。
3）钨极氩弧焊是焊接不锈钢的一种高质量的焊接方法，药芯焊丝CO 2气体保护焊是实际生产中的应用广泛的焊接方法，应用前景较大。
参考文献：
1 2 3 4
Graham Holloway, Adam Marshall, 张筑耀. 液化天然气(LNG) 用超低温不锈钢的焊接及焊接材料. 机械工人. 2005, (8)：35～40.
郭 强, 王建国, 许再乘, 等. 低温用0Cr18Ni10Ti 奥氏体不锈钢管焊接材料的选择. 焊接. 2002 (6), 32～33.
American Society of Mechanical Engineers. ASME Boiler & Pressure Vessel Code Section IX Welding and Brazing Qualifications. 2007.
American Society of Mechanical Engineers. ASME Code for Pressure Piping, B31.3. 2007.
1602 第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集
LNG 超低温304L 不锈钢焊接工艺评定
吕志军，马 丽，费 东，田 雷，韦 生，温志刚
（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东 青岛 266520）
摘要：介绍了LNG 中-196℃服役条件的304L 超低温不锈钢，分析了母材的焊接性，就钨极氩弧焊(GTAW)、药芯焊丝CO 2
气体保护焊 (FCAW-G) 进行焊接工艺评定，对相应的结果进行了分析，给出了焊接过程中的质量控制措施，开发成功两套焊接工艺，积累了相关经验。
关键词：液化天然气；超低温；304L 不锈钢；工艺管线；焊接工艺评定
近年来，随着全球范围液化天然气（Liquified Natural Gas - LNG）消量的持续增长，对建造新LNG 设施的需求也在不断增加。这些设施包括开采、运输、加工、储存及输送设备等，它们的服役温度、工作环境和力学性能不尽相同，因此需要各种不同的合金及焊接材料。
在LNG 设施的建造和安装过程中，不可避免的涉及到大量的管线，特别是在超低温下服役的304 L类奥氏体不锈钢管线系统焊接。通常，这类不锈钢具有优良的耐腐蚀性，而且也具有很好的超低温的韧性，在非常低的工作温度下，能够有效地防止恶性脆性断裂事故的发生。与随温度的降低有着明显的塑-脆性断裂转变的低合金钢相比，低碳奥氏体不锈钢的这种性能在设计使用温度低至-196℃的LNG 设备中有着独特的优势[1]。
Gorgon 项目位于澳大利亚西北部的Barrow 岛，项目类型为LNG 处理厂，海油工程青岛公司承建的是预装配支架PAR （Pre-Assembled Racks）部分，共37 072 t，分为4个包（P1A 、P1D 、P2、P3）157个子模块，在建造过程中采用
国际领先的工厂模块化建造工艺。 图 1 Gorgon LNG项目的管廊示意
1 母材的焊接性分析
焊接工艺评定用母材为-196℃服役条件的ASTM A358 CL1奥氏体不锈钢，化学成分与力学性能见表1所示。由表1可知，超低碳304 L奥氏体不锈钢具有较低的屈强比、较高的伸长率，Cr eq =17.886，Ni eq =10.44，可知其显微组织为A （奥氏体）+ (4～6)%δ- F (δ- 铁素体) 。
表1 母材金属的化学成分与力学性能
化学成分 (质量分数, %)
规定值 实测值
C Si Mn Ni Mo P S Ti Cr N 0.026 0.361 1.54 8.45 0.326 0.022 0.0043 0.0021 17.56 0.054 屈服强度/MPa
≥205
抗拉强度/ MPa
≥515
伸长率/ %
40
—
冲击韧度
— 30J
312 616 55.2 -196℃
在焊接过程中要注意以下几方面的问题：
1.1 易形成热裂纹
奥氏体不锈钢的导热系数小，线膨胀系数大，在焊接过程的局部加热和冷却条件下，接头会形成较大的拉应力；此外，奥氏体不锈钢易于形成方向性强的柱状晶焊缝组织，在凝固结晶过程中，一些杂质元素及合金元素，如S 、P 、Si 、B 、Nb 易于在晶间形成低熔点的液态膜，因此造成焊接凝固裂纹[2]。 1.2 耐蚀性降低
1）超低碳奥氏体不锈钢根据母材及焊缝金属的化学成分、采用的不同焊接工艺，接头可能出现焊缝和热影响区敏化温度区间的晶间腐蚀。
对于焊缝金属，主要是在晶界上析出碳化铬，造成贫铬的晶界引起晶间腐蚀。故而要选用超低碳焊接材料，以保证焊缝金属为超低碳的不锈钢；同时要选用含有一定数量的δ铁素体的焊接材料，δ铁素体分布在奥氏体晶间，可以一定程度上控制晶间腐蚀。
对于热影响区，在焊接工艺上要采用较小的焊接热输入，加快冷却速度，以减少晶间腐蚀的发生。 2）由于焊接残余拉应力、焊前的各种热加工冷加工等因素，可能发生应力腐蚀开裂。
第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集 1603
为了保证高浓度氯化物介质中的超低碳奥氏体不锈钢的耐应力腐蚀能力，选用焊缝金属中Cr 、Mo 、Ni 等耐蚀合金元素含量高于母材的焊接材料。
焊接时，要保证焊接接头部位光滑洁净、尽量少的焊接飞溅和电弧擦伤，根源上避免发生应力腐蚀。 1.3 塑性和韧性变差
在超低温条件下服役时，焊缝金属的塑性和韧性是最关键的性能，δ铁素体的存在，会恶化超低温韧性。
母材金属中Cr 、Mo 含量较高时，会有明显的σ相脆化现象。为此要选用Ni 含量较高的填充材料，防止N 在焊接过程中降低，可以有效地抑制焊接接头的脆化。
与普通低碳奥氏体钢焊材不同，专门用于LNG 设施的不锈钢焊材熔敷金属的铁素体含量要严格控制，本项目要求熔敷金属铁素体含量为3～8 FN，以解决含有少量铁素体的奥氏体不锈钢在超低温条件下塑性和韧性降低的问题。
2 焊接工艺评定试验
2.1 焊接方法与填充材料
1）焊接方法
钨极氩弧焊（GTAW ），易于控制、焊缝金属质量优良，是一种高质量的焊接方法，主要进行管线的打底焊，在壁厚薄、管径较小的管线焊接时，直接用钨极氩弧焊完成。
药芯焊丝CO 2气体保护焊（FCAW-G ），有着优良的全位置焊接能力、灵活的熔敷金属合金成分调整和理想的焊缝外观成形。在固定或非固定的管线焊接中，是一种生产效率很高的焊接方法，尤其适用于壁厚在10mm 以上的管线。
2）填充材料
基于上述分析，选用的焊接材料为京群焊丝GTS-308L 、GFS-308L ，焊接材料对应的主要化学成分见表2所示。
表2 焊接材料的化学成分
牌号
直径 /mm
化学成分/%
C Mn Si S P Mo Ni Cr Cu
GTS-308L 2.4 0.008 1.80 0.52 0.004 0.015 0.00 9.5 19.9 0.01 GTS-308L 2.0 0.017 1.87 0.57 0.008 0.02 0.12 9.9 19.8 0.12 GFS-308L 1.2 0.03 1.55 0.43 0.002 0.026 0.06 10.2 19.1 0.21
2.2 坡口类型及焊前准备
选用的母材为φ355.6×4.78 mm、φ508×9.53 mm、φ323.9×25.4 mm三种规格，GTAW 与FCAW-G 工艺焊接位置为6G ，焊接方向为立向上，打底要求单面焊接双面成型。为了防止母材金属的氧化和铁离子污染，采用机加工的方法制备坡口，详细的形式及尺寸见图2所示，其中壁厚4.78 mm、9.53 mm的采用图2（a ），壁厚25.4 mm的采用图2（b ）。
1-2
（a） （b）
图2 焊接工艺评定的坡口类型
2.3 保护气体
GTAW 工艺施焊时，保护气体为Ar 气，纯度99.99%，气体流量为15～25 L/min；焊缝金属厚度在6.4 mm以下时，管子两端用胶带封住，管子内部充Ar 气保护，纯度99.99%，用测氧仪进行测定，内部气体的氧含量在0.5%以下时方可进行焊接；焊缝金属厚度在6.4 mm以上时，内部可以不充氩气保护。
FCAW-G 工艺施焊时，保护气体为CO 2，纯度99.95%，气体流速为20～25 L/min。 2.4 工艺参数的选择
焊接过程中要严格控制热输入和层间温度。焊接是一个快速加热和快速冷却的过程，热输入过低，冷
1604 第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集
却速度较快，焊缝及热影响区会产生较多的铁素体，从而降低韧性；过高的热输入，会使得在高温区停留时间过长，晶粒长大过快，接头的抗腐蚀及韧性将会大大降低。
本项目中打底焊接时焊材直径是重要变素，故选用直径2.0 mm与2.4 mm的焊丝进行打底焊接，表3与表4分别给出了GTAW 与FCAW-G 焊接的主要工艺参数。
表3 GTAW工艺焊接的主要参数
焊接方法 GTAW GTAW GTAW GTAW
焊层 打底 （或）打底
填充 盖面
填充金属直径
/mm
2.0 2.4 2.4 2.0
电流极性
焊接电流 /A
焊接电压 /V
焊接速度/mm·min -1
最大热输入
/KJ·mm -1
1.50 1.70 1.60 1.50
直流正接 90～135 10～12 65～90 直流正接 100～150 10～12 65～100 直流正接 140～210 11～14 110～150 直流正接 140～185 12～13 110～150
表4 FCAW-G工艺焊接的主要参数
焊接方法 GTAW GTAW FCAW-G FCAW-G
焊层 打底 （或）打底
填充 盖面
填充金属直径
/mm
2.0 2.4 1.2 1.2
电流极性
焊接电流 /A
焊接电压 /V
焊接速度/mm·min -1
最大热输入
/KJ·mm -1
1.50 1.70 1.60 1.20
直流正接 90～135 10～12 65～90 直流正接 100～150 10～12 65～100 直流反接 110～190 22～31 220～300 直流反接 110～175 22～29 250～300
2.5 质量控制措施
1）坡口清理——焊接前坡口区域存在的水分、油漆、铁锈等污染物中含有C 、H 、O 等化学元素，焊接加热时，这些元素直接参与冶金反应，改变了正常的化学反应成分和元素含量，增加了焊接接头产生缺陷的机率，对焊接质量和安全危害极大。
应用未在碳钢上使用过的不锈钢砂轮片对焊接区域两侧至少25 mm进行打磨作业，要使打磨区域有光滑度，露出金属光泽。
2）预热、层间温度控制——温度直接影响焊接热循环过程、熔池冶金化学反应程度、焊缝和热影响区金相组织转变、合金元素和应力的分布，最终影响接头的质量和性能。
焊接前做好预热≥10℃，焊接过程中控制层间温度≤175℃。
3）防风、防潮措施——风力主要影响焊接电弧形态和气体保护氛围的工艺稳定性；其次与温度共同作用影响焊缝冷却速度，从而影响焊接热循环、冶金化学反应程度、接头组织转变和应力分布。湿度会增加母材表面吸附的潮气，最终会使焊缝产生气孔、裂纹等缺陷的几率增加。
对于GTAW 和FCAW-G 工艺，当风速超过3 m/s和1 m/s时，就要做好防风措施；在环境相对湿度大于80%时，不得进行施焊。
4）焊工培训——在工艺评定开始前，就工艺、特殊技术要求等有针对性的展开培训，使得工人提前对此有一定的熟知度。
3 工艺评定试验结果及分析
3.1 工艺评定试验结果
焊接工艺评定采用ASME Section IX及ASME B31.3标准[3-4]，各项性能试验按照标准及业主的要求进行。试验项目不仅包括常规的缩减断面拉伸试验、弯曲试验、夏比V 型缺口冲击试验、宏观与硬度试验，还进行了焊缝和热影响区的铁素体含量测试。对选定的焊接方法及组合评定，主要力学性能试验结果见表5所示。
试验加工出的冲击试样沿缺口方向尺寸有2.5 mm（A1）、7.5 mm(A2、A3) 、10 mm（A4、A5）三种类型，表5中小试样的冲击功平均值，都是按照比例关系转换成标准试样上的数值。在铁素体含量测定时，每个试验件取两个试样，每个试样打5个点得到平均FN 数值，详细信息见表6所示。 3.2 结果分析
从表5中可以看出，焊接接头的抗拉强度高于母材标准的下限要求（≥515 MPa），接头的拉伸性能符
°
合要求；根弯和面弯（或侧弯）试样弯曲180，没有出现缺陷，表明焊接接头具有良好的塑性。
焊缝及热影响区的低温冲击试验，符合设计及业主要求；各个试样的焊缝及热影响区的侧向膨胀值都较好的符合标准中≥0.38 mm的要求，接头在-196℃超低温的条件下具有良好的韧性。铁素体含量的测定，各个试验件的不同点测试值较好的满足了业主3～8 FN的要求。
第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集
表5 主要力学性能试验结果
抗拉 试验
强度 件号
/MPa
弯曲 试验 (180°)
焊缝
根弯+面GTAW A1 620 弯根弯+面GTAW A2 620 弯
GTAW A3 640 侧弯 根弯+面GTAW+FCAW-G A4 632
弯
GTAW+FCAW-G A5 598 侧弯
104,112,116124,133,112
冲击试验(-196℃)
冲击吸收功/J 熔合线 152,140,124160,184,157
熔合线+2mm124,176,172164,162,164188,222,175
焊缝
侧向膨胀值/mm
熔合线
1605
焊接方法
熔合线+2 mm
1.10,1.00,0.94 1.24,1.28,0.98 1.14,1.34,1.28 1.58,1.50,1.34 1.90,1.84,1.76 1.58,1.64,1.72 1.12,1.28,1.24 1.40,1.78,1.58 1.90,2.36,1.96
88,102,99 148,147,14051,47,53 32,33,34
77,81,76 113,105,157 0.78,0.84,0.98 1.12,1.14,0.94 1.50,1.32,1.62 70,72,61 144,108,116 1.50,0.54,0.66 0.78,0.78,0.78 1.64,1.24,1.18
注：A1为壁厚4.78 mm、A2与A3为壁厚9.53 mm、A4与A5为壁厚25.4 mm的试验件。
表6 铁素体含量测试结果
焊接方法 GTAW GTAW GTAW GTAW+FCAW-G GTAW+FCAW-G
试验 件号
试样1
试样2
P1 P2 P3 P4 P5 A VE P6 P7 P8 P9 P10 A VE
A1 7.6 7.6 6.3 7.0 7.2 7.14 7.5 7.6 7.3 6.0 5.9 6.86 A2 5.0 5.3 6.7 6.7 5.3 5.80 4.3 3.8 5.5 3.7 5.1 4.48 A3 4.3 3.8 5.4 3.7 4.9 4.42 4.8 4.4 5.8 3.8 5.2 4.80 A4 6.0 5.6 5.7 5.6 5.3 5.64 3.8 6.8 5.6 4.6 5.6 5.28 A5 3.3 5.4 3.2 7.8 7.9 5.52 6.1 5.1 6.8 5.1 5.9 5.80
4 结 语
1）充分了解304L 奥氏体不锈钢的焊接性与性能特点，做好前瞻性分析准备工作，采用合理的焊接工
艺和质量控制措施，保证了-196℃下的此类不锈钢管线的焊接质量。
2）选用严格控制铁素体含量的焊接材料，采用合理的热输入外加严格控制层间温度，实现了接头良好的超低温韧性，评定结果满足标准及业主要求。
3）钨极氩弧焊是焊接不锈钢的一种高质量的焊接方法，药芯焊丝CO 2气体保护焊是实际生产中的应用广泛的焊接方法，应用前景较大。
参考文献：
1 2 3 4
Graham Holloway, Adam Marshall, 张筑耀. 液化天然气(LNG) 用超低温不锈钢的焊接及焊接材料. 机械工人. 2005, (8)：35～40.
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