超级双相不锈钢管- 管板焊接工艺的确定

耿焕然

北京燕华工程建设有限公司 北京 102502

北京燕华工程建设有限公司（以下简称北京燕华）承接的4 台某炼油厂1000 万t/ a 炼油系统改造工程800 万t/ a常减压蒸馏装置常顶水冷器。常顶水冷器是常减压装置中的关键设备之一，由于介质特殊，设备中的U 型换热管采用S32750（SAF2507）超级双相不锈钢，管板采用16Mn锻件复合S32750 超级双相不锈钢（S32750 为Cr、Ni 含量分别为25%、7%的超级双相不锈钢，即为50%铁素体+50%奥氏体的双相组织）。由于S32750 超级双相不锈钢价格昂贵，且焊接有较大难度，目前国内应用还不多。特别是S32750 超级双相不锈钢管- 管板的焊接，目前国内还是首次。

换热管超级双相不锈钢S32750（SAF 2507）为瑞典山特维克（SANDVIK）钢材有限公司生产，管板复合层超级双相不锈钢材料S32750 为瑞典阿维斯塔（Avesta）生产，由大连爆炸复合研究所爆炸复合。超级双相不锈钢材料S32750 化学成分及力学性能见表1。

表1 超级双相不锈钢材料S32750 化学成分及力学性能

1 焊接材料的选择

由于此设备中超级双相不锈钢材料S32750 材料特殊，无论换热管、管板复合层及焊接材料国内还不能生产，均需进口。为保证焊接质量，北京燕华选择与换热管配套的瑞典山特维克（SANDVIK）的焊接材料（焊材牌号：25.10.4.L）。考虑到超级双相不锈钢材料S32750 的焊接还要求组织成分为奥氏体35%～65%的铁素体，焊接工艺参数必须稳定。因此，超级双相不锈钢S32750 管- 管板的焊接采用自动氩弧焊[1]，焊丝直径0.8mm，其化学成分及熔敷金属的力学性能见表2。

表2 超级双相不锈钢材料SAF 2507 焊接材料化学成分及力学性能

2 焊接工艺的确定

SAF 2507 含有大量的铬、钼和氮元素，是用于特别严重腐蚀情况下的高合金超级双相不锈钢，专为海水等含氯化物环境所研制，具有良好的耐点腐蚀和氯离子引起的应力腐蚀开裂的性能。此外，它还具有优良的机械性能。

2.1 铁素体含量

SAF 2507 超级双相不锈钢焊接的难点是焊缝组织铁素体比例很难控制在35%～65%之间。影响因素主要有两个方面：一方面，焊材的影响。众所周知，熔焊意味着对焊接接头和近缝区母材做了一次局部热处理。由于焊接热循环非常快，从热动力学角度来看焊缝金属达不到平衡状态，用与母材化学成分相同的填充金属焊接就会获得铁素体过高、机械与腐蚀性能较差的焊缝金属。镍是奥氏体稳定元素，因此，填充金属含较多的镍可使焊缝获得高比例的奥氏体，故焊材中的含镍量为10%（母材含镍量7%）。另一方面，焊接工艺参数的影响。如前所述，熔焊意味着对近缝区形成热影响区（HAZ），或者更精确地称为高温热影响区。材料被加热到几乎全部变成铁素体的温度，冷却时部分铁素体才转变为奥氏体。

2.2 热输入大小

焊接双相不锈钢时，热输入和冷却速度很重要。高温时，氮在铁素体中的溶解度增加；冷却速度过快时，溶解度下降而形成氮化铬。有限量的氮化铬对焊缝的性能不会有任何影响，除非它们位于接近表面的晶粒中。这种情况下，“贫铬”会降低耐蚀性，因此焊接厚壁结构必须避免过低的热输入[2]。另一方面，如果热输入太高，则会形成金属间沉淀相，其中有一种沉淀相叫做二次奥氏体，如果它出现在表面的铁素体晶粒内，会产生与氮化铬一样的危害。因此，为了获得最优的结果，焊接时应严格控制焊接热输入参数：材料，SAF 2507；热输入，0.2～1.5 kJ/ mm；层间温度，＜100℃。

另外，热输入的大小还取决于材料的厚度和焊接工艺，如薄管件，最好取下限且不超过0.5 kJ/ mm；壁厚越厚，热输入越要接近上限。层间温度在任何情况下都应该控制在＜100℃。

2.3 冷却速度

对于超级双相不锈钢管- 管板的焊接还存在一个问题，管板的快速冷却作用导致焊缝凝固过快，焊缝的铁素体增加，并且在焊道顶部晶粒看到氮化物。因此，超级双相不锈钢管- 管板的焊接不能采用自熔焊。焊缝中铁素体含量过高，一方面将降低焊缝的耐腐蚀及力学性能；另一方面，对于双相不锈钢，铁素体是敏感相。在一个平衡的、铁素体与奥氏体之比为50/ 50 时，没有脆化的迹象。但是随着铁素体的增加，氢脆的危险增加。关于开始发生这种危险的铁素体水平尚有争论，一般认为70%的铁素体为极限[2]。当然还要有拉伸应力和氢的存在。对于自动氩弧焊（TIG），最薄弱的地方是熄弧前“衰减”区域形成的低热输入焊缝。为了提高焊缝的质量，减少铁素体量，应在保护气氩气中加入2%～3%的氮。

氮在双相不锈钢中发挥着两个重要作用：第一，氮能提高耐点腐蚀的性能，抗点蚀当量（PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%）越高，抗点腐蚀的性能越好。超级双相不锈钢SAF 2507 的PRE 值可高达41 以上（SAF 2205 双相不锈钢只有35）[2]，这一点是其他材料无法与之相比的。第二，氮是强烈的奥氏体稳定剂，可以优化焊缝的奥氏体/铁素体比例，同时，也正是氮的合金化使得双相不锈钢的可焊性大大提高。

如上所述，冷却速度过快会导致焊缝的铁素体增加；另一方面，冷却速度过慢焊缝中有可能形成σ 相。焊缝中的σ 相会吸附Cr、Mo，使焊缝中的σ 相附近失效。使用时，温度越高，这种现象越明显。而N 可以使σ 相曲线右移，从而使冷却时间比较充足，以保证不形成σ 相。

2.4 其他

在选定了合理的焊接材料及保护气后，焊接中应满足以下要求：

（1）由于超级双相不锈钢不宜采用自熔焊，因此焊接宜采用双道填丝焊[3]。

（2）焊接时收弧焊道应覆盖起始焊道。两层焊接中，根部焊道应被后一道的焊道充分覆盖，相继焊层的起弧和收弧焊道应相互错开。

（3）焊接双相不锈钢应在不锈钢车间进行，不能与碳钢工具混用。

（4）焊接过程中应随时测量铁素体含量，保证在35%～65%之间。

（5）为减少焊接变形及保证层间温度，焊接中要分区进行，以保证均匀受热。

按以上要求对SAF 2507 超级双相不锈钢管- 管板的焊接进行了以下试验：按GB151《管壳式换热器》附录B《换热管与管板接头的焊接工艺评定》，在观察管子剖面时也应观察管子与管孔的贴合情况，以不存在可视间隙及管子内表面PT 检测无裂纹为合格；进行管- 管板接头的拉脱力试验,其结果符合GB151 表26 的要求；用铁素体测量仪测量焊缝金属中的铁素体含量在35%～65%为合格[3]；焊接接头表面硬度检测应≤32HRC 为合格；对复合板2507 复层、接管及焊缝进行金相组织分析（图1）；对焊缝金属进行N 含量测定。工艺参数选取结果见表3。

表3 2507 双相钢管- 管板工艺参数选取结果

图1 焊缝、母材及热影响区金相组织照片

为了检验焊缝的抗晶间腐蚀性能，委托北京钢铁研究总院按GB4334.1 进行了《不锈钢10%草酸侵蚀试验》试验, 金相组织照片见图2。由图可见，SAF 2507 超级双相不锈钢产生晶间腐蚀的可能性不大，因此没有必要再做其他晶间腐蚀试验。

图2 SAF 2507 超级双相不锈钢浸蚀组织图

3 结论

（1）S32750（SAF 2507）超级双相不锈钢管- 管板焊接虽然存在较大难度，但只要采取有效措施，焊接质量是完全可以保证的；

（2）对于双相不锈钢焊接应避免过低或者过高的热输入，因为两个极端均会降低焊接接头的耐腐蚀能力；

（3）对于双相不锈钢管- 管板焊接，强烈推荐采用含氮的保护气体，以降低焊缝的铁素体含量；

（4）双相不锈钢的焊接应避免铁素体过高，尤其不能超过上限70%，否则可能产生氢脆，引发冷裂纹的危险；

（5）双相不锈钢焊后清理对外观和耐腐蚀性都很重要，表面清理一定程度上也可提高耐腐蚀性能。