超級(jí)奧氏體不銹鋼254SMo的焊接工藝研究

海洋石油工程股份有限公司 （天津 300452） 徐玉強(qiáng) 趙翠華 馬洪偉 劉伯勝

在中海油與美國(guó)康菲石油公司合作開發(fā)的蓬萊19-3油田工程項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)方Fluor Daniel公司選擇了254SMo作為海上平臺(tái)注水系統(tǒng)的管線材料。為使焊縫接頭滿足力學(xué)性能和抗腐蝕性能要求，我們進(jìn)行了大量焊接試驗(yàn)，最終掌握了254SMo鋼的焊接工藝。

1. 試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證焊接工藝的適用性，選用φ60.3mm×5.54mm（試驗(yàn)管1）和φ168.3mm×11mm（試驗(yàn)管2）兩種規(guī)格的254SMo鋼管各焊接一個(gè)試件，并在焊后進(jìn)行力學(xué)和腐蝕性試驗(yàn)。試驗(yàn)過程和方法如下。

（1）焊材 254SMo鋼可采用鎢極氬弧焊、焊條電弧焊和埋弧焊等多種焊接方法，但最為常用的仍然是鎢極氬弧焊。本文即根據(jù)工程實(shí)際選用了鎢極氬弧焊。

當(dāng)使用化學(xué)成分匹配的焊接材料焊接254SMo鋼時(shí)，易出現(xiàn)兩大弱點(diǎn)：第一，由于焊接熱過程的影響，使熔合區(qū)的奧氏體組織中合金元素嚴(yán)重偏析，特別是直接影響焊縫接頭抗腐蝕性能的Cr、Mo和N元素將向枝晶晶間聚集，而晶核內(nèi)的合金含量劇減，所以使這些區(qū)域成為抵抗腐蝕的薄弱環(huán)節(jié)。第二，由于熔池在奧氏體區(qū)域結(jié)晶，使焊縫區(qū)域和HAZ有較大的熱裂紋傾向?；谝陨蟽牲c(diǎn)，254SMo鋼的焊接通常不推薦選用化學(xué)成分與母材相匹配的焊接材料。由于Mo元素能夠顯著提高抗腐蝕性能，同時(shí)又能降低熱裂傾向，通常情況下應(yīng)選用富Mo的Ni基合金焊材，其中比較常用的是ERNiCrMo—3。

本文選用了TGS—61（型號(hào)ERNiCrMo—3）實(shí)芯氬弧焊絲。焊絲的化學(xué)成分如表1所示。正面和背面保護(hù)氣體全部采用純度≥99.99%的Ar氣。

表1 ERNiCrMo—3焊絲的化學(xué)成分

（2） 母材 試驗(yàn)管材為瑞典Sandvik公司生產(chǎn)的254SMo鋼管，交貨狀態(tài)為固溶處理，母材的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表2、表3所示。

表2 254SMo鋼的化學(xué)成分

表3 254SMo鋼的力學(xué)性能

（3）坡口設(shè)計(jì) 坡口形式如圖1所示，開60°坡口，留1～1.5mm鈍邊。

圖1 坡口形式

（4）焊前準(zhǔn)備 坡口通過機(jī)加工方式獲得。焊前，管內(nèi)外側(cè)距離坡口面50mm以內(nèi)區(qū)域務(wù)必清理干凈，確保無油污、銹蝕或其他雜物存在（用丙酮清洗油污）。超級(jí)奧氏體不銹鋼和常規(guī)奧氏體不銹鋼一樣，焊前不需預(yù)熱。

（5）焊接參數(shù) 為保證焊縫區(qū)域的抗腐蝕性能，同時(shí)防止產(chǎn)生熱裂紋，焊接過程中要嚴(yán)格控制熱輸入和層間溫度。熱輸入量控制在2.0kJ/mm以下，層間溫度控制在150℃以下。焊接參數(shù)如表4所示。

表4 焊接參數(shù)

2. 試驗(yàn)結(jié)果

（1）力學(xué)試驗(yàn) 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。力學(xué)性能試驗(yàn)全部合格，焊縫接頭強(qiáng)度和韌性滿足要求。

表5 焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

（2）金相分析 對(duì)以上試樣進(jìn)行微觀金相分析，結(jié)論如表6所示，微觀金相組織如圖2所示。結(jié)果顯示，整個(gè)焊縫接頭區(qū)域基本為奧氏體組織，保持了與母材微觀組織的一致。

表6 微觀金相分析結(jié)果

圖2 金相組織

（3）腐蝕試驗(yàn) 按照ASTM G48試驗(yàn)方法C進(jìn)行點(diǎn)蝕試驗(yàn)，測(cè)試失重、點(diǎn)蝕密度和最大蝕坑深度。采用25mm×50mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，焊縫位于長(zhǎng)度方向的中間部位，通過機(jī)加工獲得，經(jīng)過研磨及拋光處理使表面達(dá)到一致粗糙度。共分三組，每組厚薄試樣各一個(gè)。將試樣放入配制好的FeCl3溶液中，40℃恒溫保持72h，取出后清理、清洗、吹干和干燥，進(jìn)行稱重和顯微鏡、電鏡觀察，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，試樣腐蝕后，要求肉眼觀察表面無可見蝕坑，最大點(diǎn)蝕深度≤0.025mm，失重≤0.0001g/cm2。通過腐蝕前后試樣圖片對(duì)比，可以看出，試樣表面光滑，肉眼觀察無可見蝕坑，在連續(xù)變倍體式顯微鏡（20×）下觀察蝕坑分散度極大，并且經(jīng)探測(cè)最大深度均≤0.025mm，失重也≤0.0001g/cm2，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。由此得出結(jié)論，以上焊縫接頭在40℃富氯離子的環(huán)境下抗點(diǎn)蝕性能良好。

3. 結(jié)語

通過多次焊接試驗(yàn)，摸索出了254SMo鋼的焊接參數(shù)，掌握了該類鋼的焊接技術(shù)，解決了生產(chǎn)中的技術(shù)難題。使用富含Mo的Ni基ERNiCrMo—3氬弧焊絲作為S254Mo的焊接材料，在合理控制熱輸入量和層間溫度下（熱輸入量≤2.0kJ/mm，層間溫度≤150℃），采用氬氣對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)格保護(hù)的前提下，克服了使用化學(xué)成分匹配焊接材料時(shí)易發(fā)生的合金元素偏析和焊接熱裂傾向的不足，得到了力學(xué)性能和抗腐蝕性都能滿足要求的焊縫接頭。

超級(jí)奧氏體不銹鋼254SMo以其優(yōu)良的性能和相對(duì)低廉的價(jià)格，必將在海洋石油工業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。