淺談S32750 雙相不銹鋼的焊接工藝和耐腐蝕性能

金錦榮

中石化寧波工程有限公司 浙江寧波 315103

雙相不銹鋼是不銹鋼的一個重要分支，一般是指在固溶組織中奧氏體相與鐵素體相各占一定含量，且較小相含量至少30%的不銹鋼。由于其為一種混合顯微組織，按照相平衡原理，可以設計生產成不同相比例的鋼種，滿足不同的材料性能要求。雙相不銹鋼的物理性能介于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間，具有較高的強度，可以減輕工件重量，同時具有比奧氏體不銹更良好的耐腐蝕性，在工程上也易加工制造。所以，雙相不銹鋼在石油化工設備和工藝管道工程中被廣泛使用。

雙相鋼不銹鋼的制造工藝一直在發展，按照其合金成分含量的不同，在石化工程領域主要使用22Cr- 5Ni 型（UNS 標 號 為S31083/ S32205， 對 應 國 標 代 號 為S22253/ S22053）和25Cr- 7Ni 型（UNS 標號為 S32750，對應國標代號為S25073）兩大種類[1]。其中，22Cr- 5Ni 型是主要的雙相不銹鋼鋼種，約占雙相不銹鋼鋼總量的一半以上，廣泛應用于煉油化工設備（如常減壓裝置）、油氣輸送管道、甲醇合成反應器等工程項目，在焊接施工中可采用的焊接方法與焊材種類也較多，焊接工藝相對成熟。25Cr- 7Ni 型雙相不銹鋼主要應用在工業用水及海水熱交換器、尿素高壓設備及脫鹽淡化設備等裝置，其鋼材大多來自進口，焊接材料及焊接工藝還沒有完全標準化，目前可選擇的焊接材料也有限，有些焊接工藝與措施產生的效果有待驗證。因此，在實際施工中，25Cr- 7Ni 型雙相不銹鋼的焊接工藝還需要開發與調整。

1 項目概況

某石化項目氣化裝置的酸性水介質管道，設計溫度288℃、設計壓力7.59MPa，管道材質選用S32750 雙相不銹鋼（屬于25Cr- 7Ni 型雙相不銹鋼），管道規格219×8.18。該項目所采購的S32750 雙相不銹鋼管道是焊接管，卷制所采用的鋼板為日本新日鐵公司產品，由常州一家管道成套件公司采用PAW、GTAW 工藝制造。

S32750 雙相不銹鋼屬于高合金型的鋼種，焊接時容易氧化，原始鋼板的化學成分見表1。從保證焊縫質量、施工的效率等方面來考慮，GTAW 焊接方法中氬氣有較好的保護作用，熔池的冶金反應容易控制，易實現單面焊雙面成型，從而獲得高質量的焊縫。因此，結合項目技術條件中有較高韌性的要求，針對壁厚在8～10mm 范圍的管道，項目施工優先選擇全GTAW 工藝焊接。

表1 S32750 鋼板的化學成分 %

根據與母材化學成分、力學性能指標相匹配的原理，焊材選用時須保證焊縫金屬力學性能高于或等于母材規定限值。考慮到國外焊接材料的采購周期相對比較長，焊接試驗采用的焊絲為國內一家專業焊材廠的產品，焊絲牌號為GTS- 2594，批號B1S147T ，其化學成分見表2。比較母材與焊絲主要元素的含量，焊絲的Ni 含量比母材高2%左右，N 含量與母材相近，這也是含氮雙相不銹鋼選用焊材的經驗做法。

表2 GTS- 2594（ER2594 型）焊絲化學成分 %

雖然雙相不銹鋼的強度比較高，機械加工難于一般的奧氏體不銹鋼，但在生產實踐中為保證管道的組對質量，坡口的加工宜采用機械法。根據項目現場管道的實際厚度，采用的坡口形式及尺寸如圖1 所示，且坡口的表面不能有裂紋、分層等缺陷。

圖1 坡口形式和尺寸

2 焊接工藝與性能試驗

2.1 焊接工藝

管件組對前，清理坡口面及兩側母材表面20mm 范圍內的氧化物、油污、熔渣及其他有害物。焊接采用直流正接法，管件的焊接工藝參數見表3，表中的焊接參數與焊材廠家推薦的工藝參數相近。

表3 管件的焊接工藝參數

管件施焊過程中，正面焊槍氬氣流量保持在10～12L/ min，焊縫背面需進行充氬保護，流量控制在8～10L/ min。在焊接時保持微正壓狀態，至少焊接兩層方可停止背面氣體保護，防止管道背面焊縫金屬被氧化，道間溫度≤150℃。

2.2 焊接接頭的力學性能試驗

焊接后的試件經外觀檢查合格后，按NB/ T47013 進行射線檢驗，Ⅱ級為合格。射線檢測合格的試件，依照NB/ 47014 等相關標準要求加工試樣，然后進行力學性能及腐蝕率測定等試驗。拉伸試驗、彎曲試驗和沖擊試驗分別執行GB/ T228、GB/ T2653 和GB/ T229 相關要求。焊接接頭的力學性能試驗結果見表4，由表可見，拉伸、彎曲試驗全部合格，但低溫沖擊值不合格。

表4 焊接接頭的力學性能試驗值

2.3 焊接接頭的腐蝕試驗

腐蝕試驗按ASTM 983 方法C 進行，這是用來檢驗雙相不銹鋼發生點腐蝕的試驗方法，試樣規格、數量與腐蝕率見表5。點腐蝕一般是應力腐蝕的起始部位，是對雙相不銹鋼性能最有害的腐蝕類型之一[2]。

表5 腐蝕試驗參數與腐蝕率

3 調整焊接工藝后的試驗

考慮到沖擊韌性和腐蝕率是考核雙相不銹鋼焊接接頭的重要性能指標，為獲得最佳的焊縫金屬性能，一般認為較大的焊接熱輸入量會使焊縫金屬組織晶粒長大，降低焊接金屬低溫下的韌性。所以，調整焊接工藝參數，采用小工藝規范重新焊接管件，熱輸入量控制在7500～14000J/ cm，同時降低道間溫度50℃，每層的道間溫度≤100℃，防止焊縫金屬、熱影響區在高溫下停留時間過長。為避免焊縫金屬過快冷卻，導致有害相析出，不建議采用下限的熱輸入量。其余焊接工藝參數不變，針對低溫沖擊、腐蝕試驗等兩個不合格項再次焊接管件進行試驗。

管件焊縫經射線檢測合格后，進行低溫沖擊試驗、氯化鐵點腐蝕試驗，結果見表6。由表可見，沖擊韌性和腐蝕率仍然不合格。

表6 焊接接頭的低溫沖擊值與腐蝕率

雙相不銹鋼由于奧氏體相的作用，一般具有較好的韌性，但也具有奧氏體不銹鋼存在的σ 相脆性、475℃脆性的特點。σ 相是一種Fe- Cr 化合物，硬且脆，475℃脆性一般發生在鐵素體含量較高的焊縫內。雙相不銹鋼中Cr 是強烈形成和穩定鐵素體的元素，Mo 是鐵素體的形成元素，Cr、Mo 還能促進σ 相析出。因此，S32750 雙相不銹鋼中Cr、Mo 元素的增加，會使其脆化性比22Cr- 5Ni 型雙相鋼大。從表6 中的沖擊試驗值可以看出，S32750 雙相不銹鋼焊縫金屬的沖擊值比熱影響區下降得快，所以控制雙相不銹鋼焊材中的合金成分很重要。

在兩個不合格項目重新試驗的同時，對焊縫金屬進行鐵素體含量與非金屬夾雜物檢驗。鐵素體含量檢驗按GB/ T1954 金相法，測得焊縫鐵素體含量為40.25%，符合施工技術文件中鐵素體35%～55%的要求。

非金屬夾雜物依據ASTM E45 標準最嚴重視野法進行檢驗，焊縫金屬夾雜物類型[4]與評級結果見表7。可見，評級結果符合施工技術文件B≤2.0 級、D≤1.5 級且A+B+C+D≤5 的要求。非金屬夾雜物的組成和分布對點腐蝕有較大影響，硫化物類夾雜物是形成點腐蝕最敏感的部位[5]。本次檢驗的焊縫金屬中沒有發現硫化物類夾雜物。

表7 焊縫金屬夾雜物類型與評級

4 耐腐蝕性能試驗

雙相不銹鋼耐腐蝕能力主要取決于合金元素的作用，在氯化物環境中影響點腐蝕的主要合金元素是Cr、Mo和N。合金元素與腐蝕性能之間的關系可采用抗點腐蝕當量描述，抗點腐蝕當量表示雙相不銹鋼耐腐蝕的等級，數字越大代表耐腐蝕性越好。當雙相不銹鋼鋼含≥25%Cr、≥3.5%Mo、≥0.02%N 時，抗點腐蝕當量可增加到40以上，S32750 管材的抗點腐蝕當量≥41[6]。

在本項目的施工案例中，S32750 母材的抗點腐蝕當量 為：PREN=% Cr+3.3% Mo+16% N=25.03+3.3 ×4.15+16×0.26=42.9；GTS- 2594 焊絲的抗點腐蝕當量為：PREN=%Cr+3.3%Mo+16%N=24.83+3.3×4.01+16×0.24=41.9。對焊絲GTS- 2594 按AWS A5.9 中相關條款進行化學成分復驗，測得焊絲的合金成分，其中Cr、Mo、N 分別為24.99%、3.98%、0.20%。由此，計算S- 2594 焊絲的實際抗點腐蝕當量：PREN=%Cr+3.3%Mo+16%N=24.99+3.3×3.98+16×0.20=41.342。

從焊絲復驗結果可知，國內某焊材廠家生產的S32750 雙相不銹鋼焊絲抗點腐蝕當量低于母材，在焊接熱循環作用下，焊絲合金元素會出現氧化燒損，焊接后焊縫中的合金含量與抗點腐蝕當量還將降低。因此，在焊接狀態下，該焊接接頭的耐腐蝕性能會減弱，影響焊縫金屬在介質中的腐蝕率。按焊材復驗要求在板狀試塊上堆焊熔敷金屬，對GTS- 259 焊絲的熔敷金屬按ASTM 983 C法進行腐蝕性試驗，腐蝕試樣規格50mm×15mm×15mm，測得焊絲熔敷金屬腐蝕率為537.89、760.63mdd，屬于超標。焊絲熔敷金屬的點腐蝕試樣及腐蝕部位見圖2所示。

圖2 腐蝕試樣及點腐蝕部位

在本次S32750 雙相不銹鋼焊接試驗期間，筆者走訪了提供這兩次試驗焊材的國內某焊材廠。據了解，這批焊材采用的焊芯為法國一家品牌鎳基鋼絲廠的產品，在焊材廠國內生產基地拔絲加工而成。焊材生產廠得知本試驗過程中兩次腐蝕率不合格，當即對該批次焊材進行復驗。復驗按焊材標準中的第三方仲裁試驗法進行，測得的腐蝕率為150mdd，同樣為不合格。事后廠家承認該批次的焊材在出廠前沒有按批號進行腐蝕試驗，提供給我們的焊材質量證明文件書中的腐蝕率是以往焊材試驗的數據。

4.1 重新選擇焊材牌號

由于S32750 雙相不銹鋼沒有2205 型雙相不銹鋼應用廣泛，目前國內焊材的生產還沒標準化，能提供相應焊材牌號的焊絲廠家有限。因此，進行第三次焊接試驗時，選擇從事雙相鋼焊材開發比較早的某歐洲焊材公司研制的焊材，焊絲牌號為AVESTA2507，批號103377，其化學成分見表8，抗點腐蝕當量：PREN=%Cr+3.3%Mo+16%N=25.22+3.3×4.02+16×0.24=42.326。

表8 AVESTA 2507（ER2594 型）焊絲化學成分 %

焊接試件時，采用GTAW 的工藝基本與第二次試驗相同，僅調整保護氣體氬氣的純度，氬氣含量為99.999%。第三次焊接試驗的低溫沖擊值與腐蝕率見表9。可見，沖擊試驗結果符合指標要求，腐蝕率仍為不合格，同時測得該焊縫金屬的鐵素體含量41.6%，熱影響區鐵素體含量51.2%。

表9 焊接接頭的低溫沖擊值與腐蝕率

4.2 改變熔合比，減少填充金屬量

本項目的S32750 雙相不銹鋼管道是采用新日鐵公司的鋼板焊制而成，卷制焊接前，測得原始鋼板的腐蝕率為0.02798mdd，耐腐蝕性能符合要求。但在焊態下，由于雙相不銹鋼焊縫金屬為鑄狀組織，合金成分的稀釋與組織具有不均性，在多道焊接時，疊加熱循環作用，相的轉變不平衡，會造成奧氏體相減少，甚至形成鐵素體大晶粒，使焊縫金屬的鐵素體含量升高，導致焊縫金屬的耐腐蝕性能降低，不能保持到母材的水平。

在GB/ T21833- 2020《奧氏體- 鐵素體型雙相不銹鋼無縫鋼管》、AWS A5.9《不銹鋼光焊絲和填充絲標準》等標準中，對鋼材與焊接材料是否進行腐蝕試驗沒有明確要求；在GB/ T21832- 2018《奧氏體- 鐵素體型雙相不銹鋼焊接鋼管》中，點腐蝕試驗是作為特殊要求需在合同中注明的。本項目的管道成套廠焊評報告中沒有提供焊接接頭的點腐蝕試驗數據。由此可見，在現行標準規范中點腐蝕試驗僅是考核S32750 雙相不銹鋼母材、焊材及其焊接接頭性能的一個選擇項目。當焊接接頭選擇耐腐蝕性能時，需要含有較高合金的填充金屬，而目前焊材廠實際產品的合金含量或配比可能無法滿足這樣的要求。

調整熔合比，減少焊材合金元素在焊縫金屬中的比例，可使焊縫金屬獲得與母材相近的耐腐蝕能力。在其余焊接工藝參數不變的情況下，改變焊接坡口尺寸進行對比試驗，當坡口角度從70±5°改為40±5°時，焊縫金屬在焊接接頭中的填充金屬量減少約33%，焊接接頭的耐腐蝕性能會接近母材水平。通過這樣的工藝調整，重新焊接試件進行金相微觀和腐蝕試驗，結果如圖3 所示。由圖可見，焊縫金屬組織為鐵素體和奧氏體均勻分布，未見第三相沉淀。測得焊縫鐵素體含量為38.06%，熱影響區鐵素體含量47.16%，鐵素體的含量也相應降低。按ASTM 983 C 法進行腐蝕試驗，測得的焊接接頭腐蝕率為1.46mdd，達到≤10mdd 的標準要求。

圖3 焊縫金屬組織圖

5 結語

（1）S32750 雙相不銹鋼的焊接性能良好，管件的施焊過程中沒有產生裂紋、未熔合等焊接缺陷，焊縫金屬中的非金屬夾雜物評級均為合格，焊接接頭的力學性能可以達到指標要求，奧氏體- 鐵素體的雙相比例要求也能實現。

（2）焊接材料的牌號與成分對S32750 雙相不銹鋼焊接接頭的性能有明顯影響。由于目前國內批量生產S32750 雙相鋼焊材的廠家不多，從實際生產S32750 雙相不銹鋼焊材的能力保障來考量，現階段S32750 雙相不銹鋼焊接施工不建議使用國產焊材。

（3）根據現行焊接工藝評定標準，對焊接接頭力學性能的考核要求是高于或等于母材規定的值，焊接接頭的點腐蝕試驗是否用來評定雙相鋼焊縫金屬性能，沒有明確說明；在SH/ T3523《石油化工鉻鎳不銹鋼、鐵鎳合金、鎳基合金及不銹鋼復合鋼焊接規范》中也沒有涉及。在鋼材和焊接材料對耐點腐蝕性均無明確要求的情況下，全面考核焊接接頭的耐點腐蝕能力是否過于苛刻？對于S32750 雙相不銹鋼焊接接頭開展腐蝕性試驗的條件和適應性，希望將來有更多的試驗數據來支持，完善規范相應的內容。

（4）焊接工藝對焊接接頭的耐腐蝕性能有一定影響，可以通過減小坡口角度、調整熔合比，來改善焊縫金屬性能。當在焊接接頭中的填充金屬量減少到一定比例時，可以提高焊接接頭的耐腐蝕性能。