超級雙相不銹鋼管- 管板焊接工藝的確定

耿煥然

北京燕華工程建設(shè)有限公司 北京 102502

北京燕華工程建設(shè)有限公司（以下簡稱北京燕華）承接的4 臺某煉油廠1000 萬t/ a 煉油系統(tǒng)改造工程800 萬t/ a常減壓蒸餾裝置常頂水冷器。常頂水冷器是常減壓裝置中的關(guān)鍵設(shè)備之一，由于介質(zhì)特殊，設(shè)備中的U 型換熱管采用S32750（SAF2507）超級雙相不銹鋼，管板采用16Mn鍛件復(fù)合S32750 超級雙相不銹鋼（S32750 為Cr、Ni 含量分別為25%、7%的超級雙相不銹鋼，即為50%鐵素體+50%奧氏體的雙相組織）。由于S32750 超級雙相不銹鋼價格昂貴，且焊接有較大難度，目前國內(nèi)應(yīng)用還不多。特別是S32750 超級雙相不銹鋼管- 管板的焊接，目前國內(nèi)還是首次。

換熱管超級雙相不銹鋼S32750（SAF 2507）為瑞典山特維克（SANDVIK）鋼材有限公司生產(chǎn)，管板復(fù)合層超級雙相不銹鋼材料S32750 為瑞典阿維斯塔（Avesta）生產(chǎn)，由大連爆炸復(fù)合研究所爆炸復(fù)合。超級雙相不銹鋼材料S32750 化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1。

表1 超級雙相不銹鋼材料S32750 化學(xué)成分及力學(xué)性能

1 焊接材料的選擇

由于此設(shè)備中超級雙相不銹鋼材料S32750 材料特殊，無論換熱管、管板復(fù)合層及焊接材料國內(nèi)還不能生產(chǎn)，均需進口。為保證焊接質(zhì)量，北京燕華選擇與換熱管配套的瑞典山特維克（SANDVIK）的焊接材料（焊材牌號：25.10.4.L）。考慮到超級雙相不銹鋼材料S32750 的焊接還要求組織成分為奧氏體35%～65%的鐵素體，焊接工藝參數(shù)必須穩(wěn)定。因此，超級雙相不銹鋼S32750 管- 管板的焊接采用自動氬弧焊[1]，焊絲直徑0.8mm，其化學(xué)成分及熔敷金屬的力學(xué)性能見表2。

表2 超級雙相不銹鋼材料SAF 2507 焊接材料化學(xué)成分及力學(xué)性能

2 焊接工藝的確定

SAF 2507 含有大量的鉻、鉬和氮元素，是用于特別嚴(yán)重腐蝕情況下的高合金超級雙相不銹鋼，專為海水等含氯化物環(huán)境所研制，具有良好的耐點腐蝕和氯離子引起的應(yīng)力腐蝕開裂的性能。此外，它還具有優(yōu)良的機械性能。

2.1 鐵素體含量

SAF 2507 超級雙相不銹鋼焊接的難點是焊縫組織鐵素體比例很難控制在35%～65%之間。影響因素主要有兩個方面：一方面，焊材的影響。眾所周知，熔焊意味著對焊接接頭和近縫區(qū)母材做了一次局部熱處理。由于焊接熱循環(huán)非常快，從熱動力學(xué)角度來看焊縫金屬達不到平衡狀態(tài)，用與母材化學(xué)成分相同的填充金屬焊接就會獲得鐵素體過高、機械與腐蝕性能較差的焊縫金屬。鎳是奧氏體穩(wěn)定元素，因此，填充金屬含較多的鎳可使焊縫獲得高比例的奧氏體，故焊材中的含鎳量為10%（母材含鎳量7%）。另一方面，焊接工藝參數(shù)的影響。如前所述，熔焊意味著對近縫區(qū)形成熱影響區(qū)（HAZ），或者更精確地稱為高溫?zé)嵊绊憛^(qū)。材料被加熱到幾乎全部變成鐵素體的溫度，冷卻時部分鐵素體才轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。

2.2 熱輸入大小

焊接雙相不銹鋼時，熱輸入和冷卻速度很重要。高溫時，氮在鐵素體中的溶解度增加；冷卻速度過快時，溶解度下降而形成氮化鉻。有限量的氮化鉻對焊縫的性能不會有任何影響，除非它們位于接近表面的晶粒中。這種情況下，“貧鉻”會降低耐蝕性，因此焊接厚壁結(jié)構(gòu)必須避免過低的熱輸入[2]。另一方面，如果熱輸入太高，則會形成金屬間沉淀相，其中有一種沉淀相叫做二次奧氏體，如果它出現(xiàn)在表面的鐵素體晶粒內(nèi)，會產(chǎn)生與氮化鉻一樣的危害。因此，為了獲得最優(yōu)的結(jié)果，焊接時應(yīng)嚴(yán)格控制焊接熱輸入?yún)?shù)：材料，SAF 2507；熱輸入，0.2～1.5 kJ/ mm；層間溫度，＜100℃。

另外，熱輸入的大小還取決于材料的厚度和焊接工藝，如薄管件，最好取下限且不超過0.5 kJ/ mm；壁厚越厚，熱輸入越要接近上限。層間溫度在任何情況下都應(yīng)該控制在＜100℃。

2.3 冷卻速度

對于超級雙相不銹鋼管- 管板的焊接還存在一個問題，管板的快速冷卻作用導(dǎo)致焊縫凝固過快，焊縫的鐵素體增加，并且在焊道頂部晶粒看到氮化物。因此，超級雙相不銹鋼管- 管板的焊接不能采用自熔焊。焊縫中鐵素體含量過高，一方面將降低焊縫的耐腐蝕及力學(xué)性能；另一方面，對于雙相不銹鋼，鐵素體是敏感相。在一個平衡的、鐵素體與奧氏體之比為50/ 50 時，沒有脆化的跡象。但是隨著鐵素體的增加，氫脆的危險增加。關(guān)于開始發(fā)生這種危險的鐵素體水平尚有爭論，一般認(rèn)為70%的鐵素體為極限[2]。當(dāng)然還要有拉伸應(yīng)力和氫的存在。對于自動氬弧焊（TIG），最薄弱的地方是熄弧前“衰減”區(qū)域形成的低熱輸入焊縫。為了提高焊縫的質(zhì)量，減少鐵素體量，應(yīng)在保護氣氬氣中加入2%～3%的氮。

氮在雙相不銹鋼中發(fā)揮著兩個重要作用：第一，氮能提高耐點腐蝕的性能，抗點蝕當(dāng)量（PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%）越高，抗點腐蝕的性能越好。超級雙相不銹鋼SAF 2507 的PRE 值可高達41 以上（SAF 2205 雙相不銹鋼只有35）[2]，這一點是其他材料無法與之相比的。第二，氮是強烈的奧氏體穩(wěn)定劑，可以優(yōu)化焊縫的奧氏體/鐵素體比例，同時，也正是氮的合金化使得雙相不銹鋼的可焊性大大提高。

如上所述，冷卻速度過快會導(dǎo)致焊縫的鐵素體增加；另一方面，冷卻速度過慢焊縫中有可能形成σ 相。焊縫中的σ 相會吸附Cr、Mo，使焊縫中的σ 相附近失效。使用時，溫度越高，這種現(xiàn)象越明顯。而N 可以使σ 相曲線右移，從而使冷卻時間比較充足，以保證不形成σ 相。

2.4 其他

在選定了合理的焊接材料及保護氣后，焊接中應(yīng)滿足以下要求：

（1）由于超級雙相不銹鋼不宜采用自熔焊，因此焊接宜采用雙道填絲焊[3]。

（2）焊接時收弧焊道應(yīng)覆蓋起始焊道。兩層焊接中，根部焊道應(yīng)被后一道的焊道充分覆蓋，相繼焊層的起弧和收弧焊道應(yīng)相互錯開。

（3）焊接雙相不銹鋼應(yīng)在不銹鋼車間進行，不能與碳鋼工具混用。

（4）焊接過程中應(yīng)隨時測量鐵素體含量，保證在35%～65%之間。

（5）為減少焊接變形及保證層間溫度，焊接中要分區(qū)進行，以保證均勻受熱。

按以上要求對SAF 2507 超級雙相不銹鋼管- 管板的焊接進行了以下試驗：按GB151《管殼式換熱器》附錄B《換熱管與管板接頭的焊接工藝評定》，在觀察管子剖面時也應(yīng)觀察管子與管孔的貼合情況，以不存在可視間隙及管子內(nèi)表面PT 檢測無裂紋為合格；進行管- 管板接頭的拉脫力試驗,其結(jié)果符合GB151 表26 的要求；用鐵素體測量儀測量焊縫金屬中的鐵素體含量在35%～65%為合格[3]；焊接接頭表面硬度檢測應(yīng)≤32HRC 為合格；對復(fù)合板2507 復(fù)層、接管及焊縫進行金相組織分析（圖1）；對焊縫金屬進行N 含量測定。工藝參數(shù)選取結(jié)果見表3。

表3 2507 雙相鋼管- 管板工藝參數(shù)選取結(jié)果

圖1 焊縫、母材及熱影響區(qū)金相組織照片

為了檢驗焊縫的抗晶間腐蝕性能，委托北京鋼鐵研究總院按GB4334.1 進行了《不銹鋼10%草酸侵蝕試驗》試驗, 金相組織照片見圖2。由圖可見，SAF 2507 超級雙相不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕的可能性不大，因此沒有必要再做其他晶間腐蝕試驗。

圖2 SAF 2507 超級雙相不銹鋼浸蝕組織圖

3 結(jié)論

（1）S32750（SAF 2507）超級雙相不銹鋼管- 管板焊接雖然存在較大難度，但只要采取有效措施，焊接質(zhì)量是完全可以保證的；

（2）對于雙相不銹鋼焊接應(yīng)避免過低或者過高的熱輸入，因為兩個極端均會降低焊接接頭的耐腐蝕能力；

（3）對于雙相不銹鋼管- 管板焊接，強烈推薦采用含氮的保護氣體，以降低焊縫的鐵素體含量；

（4）雙相不銹鋼的焊接應(yīng)避免鐵素體過高，尤其不能超過上限70%，否則可能產(chǎn)生氫脆，引發(fā)冷裂紋的危險；

（5）雙相不銹鋼焊后清理對外觀和耐腐蝕性都很重要，表面清理一定程度上也可提高耐腐蝕性能。