海水淡化产业中的SMO254奥氏体不锈钢焊接

加州面临第四年的前所未有的干旱。如果能寻求到将海水淡化的办法，那将是解决目前河流、水库水量急剧减少的绝佳方法。在圣地亚哥县，部分区域干旱及其严重，超过90%的用水都是从外县引入。

由于科罗拉多河等河流捉襟见肘，再加上缺少积雪，人们不得不去寻求一个全新的解决方案。为了缓解水源危机，在过去的几十年里，加州像以色列、沙特阿拉伯和澳大利亚等国家学习，种植大量植物，并进行海水淡化技术革新。

卡尔斯巴德海水淡化厂，位于圣地亚哥北部约35英里处，利用海水反渗透(RO)技术，每天可以将大约1亿加仑的海水变成5000万加仑的可饮用水。这占到了圣地亚哥县用水量的7%，同时有利于实现水资源的多样化供应和本地供应。

世界上海水反渗透淡化技术被广泛使用在解决水资源短缺问题上，这项技术涉及一项重要技术：需要一个能承受大约1000psi(6.9MPa)的钢管，在渗透压下通过半透膜筛除盐分而允许水分子通过。

此外，该管还必须能在7% 盐度的海水中保持良好的抗腐蚀性，以满足最低30年的设计寿命。在过去，超级双相不锈钢是此类钢管可选择的材料，但是也有其缺点：焊接性能差，并带来了潜在风险：如果焊接接头不能维持奥氏体和铁素体的平衡，将使得焊接接头机械性能、韧性以及耐蚀性能显著降低。

现在有一个新的选择——SMO 254(UNS 31254)材料，具备优秀的抗腐蚀性能 (耐点蚀当量PREN > 40)，同时具备良好的冲击韧性、耐氯化物应力腐蚀开裂性能以及良好的可加工性和可焊性。

接头设计和焊接工艺

工艺工程师们结合之前在海水淡化项目中积累的经验及新的试验研究，开发适合SMO 254管道焊接的工艺。选择气体钨弧焊(GTAW)方法进行该材料的焊接，虽然这需要非常强的技巧，但它能够对热输入及其他变量进行精准的控制。典型的对焊接头V 型坡口设计如下图所示。

管道厚度范围从0.3英寸到 0.866英寸。下图为典型的管道焊接装配形式，通过焊点来进行固定和保证根部间隙。

　　

奥氏体不锈钢的焊接在焊缝区域易产生热裂纹吗，尤其是焊件受到约束的情况下。此外，SMO 254材料具有较低的热导率和高的热膨胀率，因此， 热输入以及焊接次序控制必须以减轻焊接过程中的潜在变形为目的。

焊接工艺规范 (WPS)限定打底焊时热输入不超过1.5kJ/mm，而填充焊时热输入不超过0.9kJ/mm。这需要对焊接过程中的温度和速度进行持续的监控， 虽然这是一个乏味漫长的质量控制任务，但是必须要考虑到材料对热输入的敏感性热和导致焊接缺陷的风险。打底焊的焊接电流范围是80 – 125A，而填充焊是是70 – 100A。

另一个影响热输入的是焊接工艺，管道的制造方式决定了焊接时需采用长距离的对接方式焊接，并且焊后存在较大拉应力。这样的焊缝的与众不同在于焊工需要经受良好的训练以保证焊接过程各项参数均符合WPS要求，下图为采用这项技术完成的焊缝。

当环境温度高于10°C 时，SMO 254通常不需要焊前预热。然而为应对材料对热输入和热裂纹的敏感性，最大层间温度设定为95°C。

对于不锈钢焊接来说，气体保护是是确保焊接良好十分关键的一步，可利用98%氩气和2%氮气的混合气体进行焊接。为保证气体保护的有效性和较低的成本，管道焊接采用外部气体保护的同时，管道内部采用悬挂气囊的方式对焊缝根部进行保护。

内外保护气体成分相同，外部保护气流速为9.34-16.4L/min，衬底保护气流速为2.3 -28.3 L/min，焊接前采用氧含量检测仪以保证保护区域的氧含量低于 WPS设定值——0.05%。当焊缝填充厚度达到8毫米后，只需要外部保护气体进行保护。

钨极气体保护焊（GTAW）采用EW-Th-2钍钨极，直流正极性(DCSP或DCEN)， 焊接采用直径1.6-3.2mm规格的ER NiCrMo-3焊丝，下图为SMO254管道进行打底焊的照片。

培训及地方行业协会支持

圣地亚哥因为拥有大量的造船厂、动力设备厂等重工业，也因此拥有大量的具有熟练技艺的工匠。

但是对于当地的行业协会来说，SMO254仍是非常具有挑战性的材料，这也间接的给焊工资格证的颁发机构提出了难题，因为认证高水平的焊工也是项目能否成功的关键一环，他们采用以下几个步骤来克服这个问题。

负责这项工作的管理者们找到了当地的行业协会，促成了利用当地培训中心来选拔和培训进行SMO254焊接的焊工。当地行业协会还派出富有经验的质量经理来进行协助，确保在培训过程中实施最高标准并给予指导。

测试在直径76.2mm、厚度11mm的SMO管上进行，并要求焊工在工地现场完成6G位置焊接操作。下图为焊工培训中焊接的试样。

所有焊缝都要经过射线探伤，此外，焊接件还要通过ASTM G41的腐蚀测试，这些都是焊工能取得SMO管道焊接资格的基础要求。平均来说，一个熟练的焊工一般花上两周左右的时间就能通过这项资格考试。

这也让圣地亚哥诞生了一个新的焊工培训体系，并促使项目承包商和地方之间的联系更加紧密。

验证及检验

254 SMO管道在海水淡化工程中是至关重要的，因此其可靠性也非常重要。此外，由于管道工作时将承受大约6.9MPa的压力，这就要求工程师需要按照ASME B31.3标准的要求对焊缝进行100%的探伤。

此外，工艺工程师推荐采用焊后放置一段时间后进行染色液体渗透试验，并按照相关ASME标准进行视觉检验。

下图为采用染料渗透测试根部焊道的过程。

以下参数在焊接期间需要被记录下来：

电压(V)、电流(A)、焊接长度(mm)、焊接时间(s)、外部保护气流速(L/min)、衬底保护气流速(L/min)、氧含量(%)、温度(°C)

以下数据通过测量和计算得到：

焊接速度(mm/s)=焊接长度(mm) / 焊接时间(s);

焊接热输入(J/mm)=电流(V)×电压(A) / 焊接速度(mm/s)。

这些数据将被审核，以确保没有焊道参数违反WPS规定，尤其是热输入。这需要质量管控代表(QC)仔细收集数据，准确计算，检查结果，以确保符合规定。此外，这些数据会被保留在记录文档中。

下图显示了焊工在QC的监督下执行焊接操作和数据记录。

虽然对SMO 254的焊接过程监督和数据收集增大了QC和质保部门的工作量和工作难度，但这也是确保焊件质量及达到设计寿命的关键部分。

由于SMO 254对热输入的敏感性，易发生诸如裂纹、侧壁咬边、未熔透等常见缺陷。射线探伤有助于检测这些类型的缺陷，对于 SMO254管道， 焊缝要求100%通过探伤检验。

结论

海水淡化行业在美国具有巨大的增长潜力，而卡尔斯巴德海水淡化厂目前正处于该行业的最前沿。

在海水反渗透（RO）技术当中，管道焊接要求在焊后仍然能保持很高的耐海水腐蚀性能并能在高压环境下具有长的使用寿命，相比较其他合金材料而言，SMO 254具备这样的能力，但应通过对焊接过程、顺序的仔细监测和规划来降低产生热裂纹等缺陷的风险。此外，通过培训获得熟练技能的焊工也是确保海水淡化项目获得成功的关键所在。

最后，精心控制和记录的质量控制项目是保证焊接生产至关重要的一步，借此确保构件的长的使用寿命，以及避免未来产生的昂贵维修费用。成功地焊接耐腐蚀合金254 SMO，也就昭示着将使美国摆脱干旱的崭新行业的光明前景。

来源：悦焊接