超级双相不锈钢的焊接工艺评定及应用

第３９卷第３期　化工机械　３６９　超级双相不锈钢的焊接工艺评定及应用　程克光　张　凯　任世宏　陈宏伟　张建晓　（１．甘肃省锅炉压力容器检验研究中心；２．兰州兰石重型装备股份有限公司）　摘要进行了超级双相不锈钢的手工电弧焊、手工钨极氩弧焊以及模拟封头热成形、经固溶化热处理　的手工电弧焊的对接焊缝焊４￣＿ｒ－艺评定和产品的施焊，各项技术指标均满足要求，证明所选用的焊接方　法、焊接材料、焊接工艺和热成形工艺正确合理。　关键词超级双相不锈钢焊接工艺评定焊接材料　中图分类号ＴＱ０５０．４　１　文献标识码　Ｂ　文章编号０２５４　６０９４（２０１２）０３—０３６９４）４　双相不锈钢在室温下固溶体中奥氏体和铁素　体约各占一半，一般最少量也应控制在３０％以　上，且兼有奥氏体和铁素体两相组织的特征。双　２０世纪８０年代后期发展的超级双相不锈钢　属于第三代双相不锈钢，典型牌号有ＳＡＦ２５０７、　ＵＲ５２Ｎ＋及Ｚｅｒｏｎｌ００等，这类钢的特点是含碳量　低（０．０１～０．０２％），且含有较高的Ｍｏ和Ｎ（Ｍｏ　约４％，Ｎ约０．３％），铁素体含量约占４０—４５％；　双相不锈钢保留了铁素体不锈钢强度高、导热系　数大及线膨胀系数小等特点，同时又具备奥氏体　相不锈钢的发展与应用开始于２０世纪３０年代，　至今已发展了三代。第一代以美国在２０世纪４０　年代开发的ＡＩＳＩ３２９钢为代表，含高Ｃｒ、Ｍｏ，耐局　部腐蚀性能好，但含碳量较高（ｃ≤０．１０％），焊接　后，其接头耐腐蚀性和韧性都较差，只适用于铸锻　件；日本在ＡＩＳＩ３３２９钢的基础上降低了含碳量，　钢不锈钢韧性好、脆性转变温度较低、力学性能和　焊接性能好的优点；超级双相不锈钢具有抗点腐　开发了ＳＵＳ３２９Ｊ１钢，可作为焊接用钢；６０年代中　期，瑞典开发了３ＲＥ６０钢，特点是超低碳，含ｃｒ　量为１８％，焊接、成形性能得到了较大地改善，使　之成为具有较好焊接性能的第一代双相不锈钢的　代表钢种。　蚀和缝隙腐蚀能力、耐氯化物应力腐蚀、腐蚀疲劳　以及晶间腐蚀性能等综合特点；超级双相不锈钢　有较高的强度和疲劳强度，屈服强度是ｌ８—８型奥　氏体不锈钢的两倍，固溶态的延伸率达到２５％，　冲击功Ａ　（Ｖ形槽口）在１００Ｊ以上，由于综合力　从２０世纪７０年代开始，随着二次精炼技术　学性能好，因此可以大量节约用材，降低设备制造　成本。由于超级双相不锈钢的以上特殊优点，已　广泛应用于海上和陆地油气装置、化工压力容器　及纸浆和造纸等行业。　１　双相不锈钢的焊接特点　ＡＯＤ、ＶＯＤ等方法的出现、普及和连铸技术的发　展，超低碳（Ｃ≤０．０３％）钢的冶炼更加容易。同　时发现氮作为奥氏体形成元素对双相不锈钢的性　能有重要影响，氮元素独特效果的合理利用和超　低碳熔炼技术的发展，使得在生产技术上完全克　服了第一代双相不锈钢的缺点，开发出了第二代　双相不锈钢，即含氮双相不锈钢，典型钢种为瑞典　开发的ＳＡＦ２２０５钢，由于其良好的耐腐蚀性能和　双相不锈钢有良好的焊接性，与奥氏体不锈　钢相比，热裂倾向较低；与铁素体不锈钢相比，加　热脆化倾向较低，不会像铁素体不锈钢那样焊接　时热影响区由于晶粒严重粗化而使塑韧性大幅度　降低。大量对双相不锈钢的研究和实际经验表　明，焊接时为了保持焊缝金属的相平衡，焊接材料　焊接性能的进一步改善，使双相钢在石油化工行　业得到了广泛的应用。　程克光，男，１９５６年３月生，高级工程师。甘肃省兰州市，７３００２０。　３７０　化工机械　２０１２钲　中的奥氏体形成元素Ｎｉ、Ｎ的含量应相对比母材　适度提高（Ｎｉ大约高出２％～４％、Ｎ大约高出　致晶粒粗大、ｏｒ相和二次奥氏体（＾ｙ２）析出，因此　熟悉掌握每一种双相不锈钢的ＴＴＴ和ＣＣＴ转变　０．１％～０．２％），同时合金元素Ｎ对脆性　相形　成也有一定的影响　。　曲线、精细制定焊接规范参数、严格控制热输入量　（焊接线能量）和层间温度，是得到焊接接头双相　组织合理比例的关键所在。　２　中压精馏塔制造的焊接过程控制　２．１　中压精馏塔的主要设计参数　尿素合成蒸发装置用中压精馏塔的设计温度　为１９０％，设计压力为２．４３ＭＰａ，物料名称为　ＮＨ　、ＣＯ２和尿液，规格４，１　３８０／１　９００ｍｍ×　１８ｍｍ×８　６０６ｍｍ．主体材料为ＳＡＦ２５０７。表１为　双相不锈钢在３００～５５０％低温加热时保留　了铁素体不锈钢４７５ｏＣ的脆性；在６００～９００￣Ｃ中　温加热时会出现脆性的１３＂相　。因此，为尽量减　少焊接过程在以上两个温度区间的停留时间，应　避免焊前预热和焊后消除应力处理。特殊情况　（如设备封头加热成形后）下必须进行固溶热处　理，以消除４７５℃脆性和脆性的１３＂相组织，恢复双　相组织及耐蚀性能。由于在高温状态双相不锈钢　液相焊缝金属先是以单相６凝固结晶，在其后的　ＳＡＦ２５０７钢的化学成分，其力学性能如下：　屈服强度不小于５３０ＭＰａ　降温过程中若冷却速度较快，即焊接热输入量较　低时，则６一　转变的较少，使８相较多而　相较　抗拉强度尺　不小于７３０ＭＰａ　一少；若热输入量高，即冷却速度慢，虽然会促使较　多的８—　转变，得到足够数量的奥氏体，但会导　４０℃下的冲击功Ａ　不小于２７Ｊ　硬度ＨＶ　。不大于２９０　表１　ＳＡＦ２５０７钢化学成分　％　从以上设计参数可以看出中压精馏塔设计理　念主要体现在其特定工况条件下，以保证设备抗　腐蚀为前提，选取了高强度综合力学性能优良的　结构特点，在查阅和认真研究了ＳＡＦ２５０７超级双　相不锈钢ＴＴＴ和ＣＣＴ转变曲线的基础上，经多次　针对ＳＡＦ２５０７超级双相不锈钢材料的焊接性能　ＳＡＦ２５０７超级双相不锈钢，从而减薄了设备壁厚，　降低了制造成本，提升了制造安装工艺水平　。　２．２　焊接材料选取和焊接工艺规范参数制定　结合双相不锈钢的焊接特点和中压精馏塔的　试验，最终选取性能优良的２５．１０．４ＬＲ（手工电弧　焊条）和２５．１０．４Ｌ（手工钨极氩弧焊丝）两种焊接　材料，并优化制定包含焊接电流、焊接电压、焊接　速度及层（道）间温度等焊接工艺规范，详见表２。　表２焊接材料及焊接工艺规范参数　２．３　中压精馏塔产品的焊接工艺评定　选用表２的焊接材料和制定的焊接工艺规范　封头对接焊缝热成形后（９８０￣Ｃ×９０ｍｉｎ）、经固溶　化热处理（１　０８０￣Ｃ×５０ｒａｉｎ）的手工电弧焊工艺评　参数，依据ＮＢ／Ｔ　４７０１４－２０１１和中压精馏塔设计　技术条件，在厚度６为２５、ｌＯｍｍ的ＳＡＦ２５０７钢试　件上分别进行了手工电弧焊和手工钨极氩弧焊工　艺评定，同时根据中压精馏塔的结构特点，模拟了　定。并分别进行了焊缝金属化学成分、焊接接头　力学性能、硬度和金相组织、铁素体和耐蚀性测　试，结果分别见表３～７。　第３９卷第３期　化　工　机　械　表３　焊缝金属化学成分　３７１　％　表４焊接接头力学性能试验结果　表５硬度测量（ＨＶ，。）和金相组织　表７腐蚀试验　将表３～７的测试数据与ＳＡＦ２５０７超级双相　不锈钢材料数据进行详细比对，可以看出，测试结　果均满足文献［４］和中压精馏塔产品设计技术条　件要求，证明所选用焊接材料、制定的焊接工艺以　及热做工艺正确合理。　２．４产品焊接过程控制　有了以材料焊接性能试验为基础的，经焊接　工艺评定验证的合适焊接工艺规范参数，最终产　品的焊接质量还是要靠焊工实际操作来实现。综　（下转第３７５页）　第３９卷第３期　化　工　机　械　参　考　文　献　３７５　不得大于０．０２５％ｏ，尿素合成塔卧式放置充满水，　缓慢升压至规定试验压力后保压６０ｍｉｎ，然后将　［１］　袁一，王文善．尿素［Ｍ］．北京：化学工业出版社，　１９９７．　压力降至规定试验压力的８０％，并保持足够长的　时间以对所有焊接接头和连接部位进行检查。尿　素合成塔在水压试验合格后，需要彻底排净塔内　的积水并用压缩空气吹干，对其壳体、封头、人孔　［２］　沈华民．力主技术创新保障尿塔安全［Ｊ］．化肥设　计，２Ｏ０６，４４（６）：７一ｌ２．　［３］　李南京，朱孝钦，宋鹏云，等．多层压力容器的研究　及其进展［Ｊ］．化工机械，２００８，３５（６）：３６８～３７３．　［４］　郑津洋，董其伍，桑芝富．过程设备设计［Ｍ］．第３　版．北京：化学工业出版社，２０１０．　（盖）的衬里进行氦检漏试验，还应对高压螺栓和　其他受压部件进行一次表面无损检测。通过这些　措施，从而确保尿素合成塔的制造质量以及在实　际工业生产过程中的安全运行。　３　结束语　［５］　朱孝钦，吴京生，陈国理．整体多层夹紧式高压容器　研制及应用［Ｊ］．石油化工设备，１９９９，２８（４）：４２—　４５．　基于以上整体多层包扎尿素合成塔的制造关　［６］　宜飞远，郭春义，许福才．整体多层夹紧式不锈钢衬　里尿素合成塔设计［Ｊ］．化工装备技术，２００８，２９　（６）：６０～６２．　键工序及其质量控制要点，云南大为化工装备制　造有限公司分别于２００８、２００９年成功制造了３台　整体多层包扎尿素合成塔。这３台设备自投入使　用以来，一直处于安全运行、正常生产中。整体多　层包扎尿素合成塔的制造实践表明，通过建立合　［７］　江辉．整体多层夹紧式不锈钢衬里尿素合成塔制造　和检验［Ｊ］．化工装备技术，２００８，２９（６）：６０—６２．　［８］　许福才，王坚，宜飞远，等．整体多层夹紧式不锈钢　衬里尿素合成塔［Ｐ］．中国：ＺＬ　２００７　２　０１０４６３４．７，　２００７．　理的制造过程质量保证体系，只要严格控制其制　造关键工序及其质量要求，完全能够保证整体多　［９］　谢梅生，李亚民，王坚，等．多层包扎金属压力容器　用多功能包扎机［Ｐ］．中国：２００８１０２３３７５２．７，２０１０．　（收稿日期：２０１１－０５．１５）　层包扎尿素合成塔的制造质量和安全性能，从而　确保其在尿素工业生产中的安全可靠性。　（上接第３７１页）　上所述ＳＡＦ２５０７超级双相不锈钢焊接电流、焊接　电压的允许区间都比较窄，特别是焊接速度控制　对保证焊接接头力学性能和设备的抗腐蚀综合性　能尤为重要。产品施焊前，在对焊工进行必要的　理论培训同时，重点进行实际操作的培训考核。　３．３应避免焊前预热和焊后消除应力处理。特　殊情况（如设备封头加热成形后）下必须进行固　熔热处理（１　０８０℃×５０ｍｉｎ）。　３．４施焊前需对焊工进行必要的适应性培训考　核，稳定焊接速度和层（道）温度是保证产品质量　关键因素。　参　考　文　献　［１］　中国机械工程学会焊接学会．焊接手册２——材料　的焊接［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００８．　［２］　吴玖．双相不锈钢［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，　ｌ９９９．　并且制定严格的包含多项质量检查点的ＳＡＦ２５０７　超级双相不锈钢焊接作业指导书，指导控制中压　精馏塔的焊接全过程。事实表明，焊缝成形美观、　无损检测合格率高，特别是经产品焊接试板测试　出的各项技术指标均与焊前工艺评定的技术指标　基本吻合，完全满足设计和工艺控制要求。　３　结论　３．１　超级双相不锈钢焊接过程中必须严格控制　焊接热输入量，制定合理的焊接工艺。　３．２　适度提高焊接材料中的奥氏体形成元素　Ｎｉ、Ｎ的含量，一般Ｎｉ大约高出２％一４％、Ｎ大约　高出０．１％～０．２％。　［３］　李平瑾，王观东，胡积胜，等．不锈钢在压力容器中　的应用及焊接技术［Ｊ］．压力容器，２００３，２０（７）：３９　～４２．４７．　［４］　ＮＢ／Ｔ　４７０１４－２０１１，承压设备焊接工艺评定［ｓ］．北　京：原子能出版社，２０１１．　（收稿日期：２０１１－０７・２０，修回日期：２０１２－０３・１９）