SA-387 Gr.11+410S堆焊工藝的選擇

朱志剛，潘勝東

（森松（江蘇）重工有限公司，江蘇 如皋 226532）

關鍵字：410S堆焊；H2S工況；熱處理；焊材；鐵素體FN含量；焊接工藝

SA-240 410S 為鐵素體不銹鋼，含碳量≤0.08%，主要合金元素為Cr（鐵素體形成元素），特點是具有良好的耐腐蝕性，特別是在氯化物介質和氧化環境中具有較好的耐腐蝕性。另外由于材料價格較低，同時具有較好的焊接性，所以，410S 在壓力容器行業特別是石油化工行業中得到了廣泛運用。

一臺國外產品（流化床催化裂化和氣體回收主要塔），塔體下半段材料為復合板SA-387 Gr.11 CL1+SA-240 410S，設計溫度525 ℃，工作溫度為382℃，濕H2S 工況，介質為HC（碳氫化合物）。尺寸規格為I.D.4500× （83+3）t/I.D. 4 500× （88+4） t，按照ASME VⅢ DIV.1，2015ED 制造，產品如圖1 所示。

圖1 產品示意圖Fig.1 Product shetch

產品殼體為復合板，鍛件（接管法蘭和Y 型鍛件）以及連接焊縫（縱環縫）需要堆焊。SA-387 Gr.11 CL1 屬于1.25Cr-0.5Mo 鉻鉬鋼，由于材料本身的原因，在Cr-Mo 鋼上堆焊410S 既滿足Cr-Mo 鋼的焊接要點，也要對堆焊工藝等進行分析和評定，使堆焊焊縫滿足抗腐蝕等要求（復層沒有強度要求）。

客戶要求按照API 582[1]和客戶規范（UOP 和GP）制作。按照API 582 規定，堆焊410S 的焊材可以選用奧氏體焊材，也可以選用鎳基焊材，但應根據產品實際工況考慮。對于堆焊耐蝕層，其化學成分應與母材相近，母材及焊材成分見表1。因為鎳基焊材Ni%含量較高，具有較好耐高溫（主要是低溫韌性）和耐腐蝕，另外相對不銹鋼焊材也具有良好的可焊性，所以一般會優先選用鎳基焊材。

通過化學成分對照可以看出，采用鎳基焊材匹配410S，Ni 的含量很高，這似乎成為許多情況下使用鎳基焊材的一個保證。然而由于產品介質中富S，高溫工況容易導致硫化，硫化合物熱分解反應產生H2S 和其他反應性硫類化和物。根據API 571[6]中關于高溫下金屬灰化機理，金屬灰化是在高溫（482 ～ 816℃）導致在滲碳氣體和/或含碳和氫的工藝流體中發生的局部點蝕加速的一種滲碳形式，其產生的關鍵因素之一是在高鎳合金中，認為金屬灰化發生，而沒有形成金屬碳化物。顯然高Ni 成分對于在高溫濕H2S 工況下有很強的點蝕加速作用。對比不銹鋼焊材309L 的Ni 含量12% ～ 14%和Ni 基焊材Ni 含量62%，不銹鋼Ni 含量更低，能避免高溫灰化，適合高溫工況下運行。

表1 母材SA-240 410S 及焊材化學成分（單個值為最大值）對照表Table 1 Comparison of chemical composition between SA-240 410S and welding consumable（Max） %

另外，設備工況條件下容易產生高溫氫/硫化氫腐蝕（API 571[6]），硫化氫工藝流中氫的存在會增加在高于500 ℉ （260℃）左右的溫度下高溫硫化物腐蝕的嚴重度。不銹鋼及Ni 合金的抗硫化能力是由Cr 元素的含量決定的，而不是Ni 元素。關于Cr 元素含量在H2S 條件下與腐蝕的關系也可以從API 571中“腐蝕速率曲線”看出，較高Cr 元素含量能明顯降低腐蝕的速率。

對比不銹鋼焊材309L 的[Cr]≈22% ～ 25%和Ni基焊材[Cr]≈13% ～ 22%，顯然不銹鋼Cr 含量更高，抗氫/硫化氫腐蝕能力更強。在征得客戶同意后，決定410S 堆焊采用309L 焊材，這樣也節省了大量焊材成本。

根據API 582 中對Ni 基焊材使用溫度，對S 工況也是有限制的，ERNiCrMo-3/ENiCrFe-2 焊材在S工況最高使用溫度為 400 ℃，也是考慮了以上腐蝕的原因。實際上在許多石油化工設備中，對富硫和H2S 條件下對Ni 的含量是有嚴格限制的，一般選用Ni ≤1%的材料來降低腐蝕的產生。所以焊材的選用一定要結合產品實際工況和介質等因素確定，選擇正確的焊材。

產品材料為SA-387 Gr.11 CL1+SA-240 410S，H2S 工 況，焊 后 需 要 進 行（690±14） ℃的 熱 處理，保溫時間按照1 h/in 英寸計算，產品需要（690±14） ℃×3.5 h 的熱處理。圖紙還要求堆焊焊縫有未經稀釋至少3 mm （undiluted），所以產品堆焊的最小厚度為焊接評定（PQR）化分合格的厚度+3 mm，焊接評定化分合格線決定了產品的堆焊厚度，關系如圖2 所示。另外按照客戶要求，產品堆焊焊縫還要求做焊縫表面向下1.5 mm 的化分檢測。

圖2 堆焊焊縫化分位置與厚度關系Fig.2 Relation between chemical compositions of weld and thickness

另外按照客戶要求，為保證堆焊層的晶間腐蝕能力（針對奧氏體不銹鋼），要求過渡層（即第一層）在產品熱處理之前完成，其它耐蝕焊層在熱處理之后進行，這樣可以避免PWHT 對不銹鋼焊縫耐蝕能力的影響。但是對于產品制造而言，這樣的焊接順序是不現實的，例如接管法蘭和筒體組裝后內壁耐蝕層無法再進行堆焊了，只能整體堆焊完進行組裝和熱處理。經過和客戶協商，同意所有堆焊層結束后進行熱處理，但是堆焊焊接工藝評定（PQR）需滿足3 個循環的熱處理（即690℃×10.5 h 的熱處理）。

根據產品堆焊需要確定了GTAW，SMAW，ESW，ESW+GTAW 焊接方法，以此焊接方法進行焊接工藝評定試驗。在各種工藝方法試驗中，發現SMAW 的E309L-16 焊條（不同廠家）焊接試樣在經過規定的PWHT 后，彎曲試驗試樣彎曲面大都開裂，表現不合格。這說明焊縫塑性差，不能滿足產品質量要求。那么什么原因使得焊縫開裂了呢？

不銹鋼焊條SFA-5.4 E309L-16 未經稀釋的化學成分見表1。由表1 可知，E309L-16 焊材的Cr 含量為22.0% ～25.0%，Cr 元素含量偏高，Cr 元素是鐵素體強化元素，是形成金屬化合物的重要成分。鐵素體含量與Cr 之間的關系參照WRC—1992 圖[4]，如圖3 所示，可以看出Creq， Nieq當量與FN 的關系，按照E309L-16 焊材各元素的平均含量計算，鉻當量Creq≈22.8，鎳當量Nieq≈13.8，可以得出鐵素體含量FN ≈13（目前廠家生產的不銹鋼焊材一般情況下FN＞10）。

一般來說，不銹鋼會在425 ～ 550 ℃之間形成475 ℃敏化效應。但是對于Cr 含量較高的不銹鋼焊縫在經歷690℃×10.5 h 的熱處理后是否會產生脆化組織么？對于309L 焊材的適用溫度范圍，API 582 中僅對于奧氏體與低合金鋼強度焊時，設計溫度≤315℃，主要是因為材料膨脹系數不同。根據《不銹鋼焊接冶金學及焊接性》[7]研究，對于Cr 含量20% ～ 70%的鐵素體不銹鋼在500 ～800 ℃經歷較長時間（幾個小時）時，會析出脆性相σ（Fe，Cr 化合物），即中溫脆化（ITE），而且隨著Cr 含量增加和溫度提高，形成σ 也越快，見Cr 含量對于593 ℃和649 ℃時形成σ 相臨界時間曲線[7]，如圖3 所示。

圖3 鉻含量對于在593℃和649℃ （1 100 ℉和1 200 ℉）時形成σ 相所需臨界的影響Fig.3 Influence of chromium content on the critical time required to form σ phase at 593 ℃ and 649 ℃ (1 100 ℉ and 1 200 ℉)

為保證不銹鋼的耐蝕性和塑性，在產品制造和運行過程中會盡力避免不銹鋼材料經歷400 ～ 800 ℃的熱加工和熱過程，但是很多時候是無法避免的，比如復合板爆炸后的熱處理以及產品必要的熱處理。對于在SA-387 Gr.11 CL1 堆焊410S（309L 焊材），焊縫在經歷690 ℃×10.5 h 熱處理后，是否產生了脆性相呢？彎曲試驗開裂是否是這個原因呢？對2 個廠家的普通E309L-16 焊材進行堆焊試驗，焊態和熱處理條件下的金相照片見表2。

表2 E309L-16 焊縫金屬金相對比Table 2 Metallographic comparison of weld metal of E309L-16

可以看出，E309L-16 焊縫熱處理后鐵素體邊界有明顯的析出相出現，析出相一般是Fe、Cr化合物M23C6。這些脆化組織的析出導致了宏觀塑性的降低?？梢源_定309L 焊縫金屬經過（690±14）℃×10.5 h 的熱處理后析出了脆性組織，使得焊縫塑性變差。

普通的309L 焊材很少用于690 ℃×10.5 h 的熱處理條件，焊材廠家生產的普通焊材僅滿足標準，鐵素體含量FN ＞10。鐵素體的提高（包括C%）顯然增加了焊縫在長時間熱處理或高溫工況下的脆化，對于在Cr-Mo 鋼堆焊309L 焊材，熱處理和高溫條件運行是不可避免的。為減少或消除309L 焊縫在熱處理條件下的脆化，必須降低焊材的鐵素體FN 和C 含量。在與焊材廠家交流后，廠家重新調整了焊材配方，焊材鐵素體含量調整為FN ≤8.0（焊態）。這樣采用鐵素體較低的焊材試樣經彎曲試驗后，沒有開裂，焊材滿足了要求。關于不銹鋼焊材在熱處理或高溫條件服役的鐵素體FN 含量要求，在API 582 中也有要求。

所以對經過熱處理條件或高溫條件服役下的不銹鋼焊材，除了滿足腐蝕要求外，控制鐵素體含量FN 才能滿足產品質量要求。雖然如此，在試驗中發現同樣焊接方法，同樣鐵素體含量的焊材也會因自動化程度等工藝條件不同而不同，塑性表現也不一致。例如同樣鐵素體含量的ER309L 焊絲，采用GTAW堆焊（Ar 保護），手工GTAW 堆焊焊縫彎曲試驗開裂，而機械方法GTAW 堆焊焊縫彎曲試驗合格。這說明焊縫的塑性還與自動化程度等工藝條件有關。至于手工GTAW 堆焊不合格的原因，可能是手工焊電弧長度較短降低了空氣中N2的吸入導致了鐵素體的增加（自動焊電弧長度較長）。

對手工氬弧焊來說，進一步降低焊縫中的鐵素體含量顯然是避免焊縫經PWHT 后脆化的一個途徑，通過在保護氣中加入少量N2，采用混合保護氣體（Ar + N2），進一步降低焊縫鐵素體含量（低至0）。通過試驗表明，加入一定比例N2可以迅速降低鐵素體從而保證塑性是行之有效的方法。在不銹鋼中組織中鐵素體的存在被認為是對某些介質的耐腐蝕性有不利影響，對低溫和高溫韌性也是不利的（見SFA 5.9 A7.1[8]），鐵素體的存在不是必不可少的。

在SA-387 Gr.11 CL1 堆焊410S 除了滿足塑性要求，如何確定焊縫的化學成分合格標準（未經稀釋的）呢？一般情況下，除了埋弧焊（ESW）外，GTAW和SMAW 堆焊焊縫的化學成分合格值以焊材或母材標準為準。從焊材309L 與復層410S 材料成分比較（見表1《母材SA-240 4110S 及焊材化學成分》）可知，堆焊后的Ni，Cr 是無法滿足SA-240 410S 要求的，在與客戶協商后客戶同意化學成分按照C ≤0.08%、Cr ≥11.5%進行驗收。

在確定了堆焊焊材和化分驗收標準后，根據產品焊縫不同焊接方法分別進行了評定和試驗，產品堆焊工藝和堆焊厚度見表3。

表3 SA-387 Gr.11 410S 堆焊焊接工藝一覽表Table 3 List of SA-387 Gr.11 410S overlaying procedure

由于產品基層為SA-387 Gr.11 CL1， 屬于1.25Cr-0.5Mo 鉻鉬鋼，材料具有淬硬傾向，堆焊過程容易產生冷裂紋。所以在Cr-Mo 鋼上堆焊除了滿足耐蝕性和塑性性外，還必須遵循Cr-Mo鋼的焊接特點，焊前采取預熱，焊后及時消氫或中間熱處理等措施，防止焊后應力集中和焊縫開裂。

結論

通過對鎳基和不銹鋼焊材的試驗和分析，選擇不銹鋼309L 焊材作為410S 在H2S 高溫工況耐蝕焊材。由于不銹鋼焊材在高溫和熱處理條件下產生脆化，應嚴格控制焊縫鐵素體含量[FN ≤8.0（焊態）]。根據不同部件焊接方法進行工藝評定，并和客戶確定化分驗收標準，以此確定產品堆焊厚度和焊接工藝，滿足了410S 耐蝕焊縫的堆焊要求。合金光填充絲和焊絲標準[S].