超級(jí)奧氏體不銹鋼管道UNS N08367焊接工藝研究

■ 賀誠

超級(jí)奧氏體不銹鋼指高合金、高性能的奧氏體不銹鋼，還具有超低碳、超高潔凈度和超高均勻性的特點(diǎn)，其耐孔腐蝕當(dāng)量PREN≥40。與300系列（304L、316L、317L）奧氏體不銹鋼相比，具有更高的強(qiáng)度和耐腐蝕性能，特別是Cl-的酸性腐蝕環(huán)境下具有較強(qiáng)抗點(diǎn)腐蝕能力、縫隙腐蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕的能力。UNS N08367是美國Allegheny Ludlum公司研發(fā)的超級(jí)奧氏體不銹鋼材料，其Cr、Ni、Mo三種元素的總含量超過50%，PREN≥40，廣泛應(yīng)用于海水脫鹽淡化設(shè)備、海水管道系統(tǒng)、海水飛濺區(qū)的支撐和煙氣脫硫裝置等，在歐美國家常常被用于替代銅合金。

1.UNS N08367材料性能

（1）化學(xué)成分和力學(xué)性能 UNS N08367材料是通過氬氧脫碳法（AOD）或真空脫碳爐（VOD）精練技術(shù)對(duì)雜質(zhì)元素進(jìn)行了嚴(yán)格的凈化處理，從而提高了材料的耐蝕性能。其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。

與300系列奧氏體不銹鋼相比，N08367的Ni、Mo含量都有顯著的提高，其合金含量超過50%。因此，N08367比300系列奧氏體不銹鋼具有更高的抗拉強(qiáng)度和更優(yōu)良的塑性。

（2）焊接性分析 U N S N08367超級(jí)奧氏體不銹鋼是純奧氏體組織，在焊態(tài)下有較好的塑性和韌性，焊接性與普通奧氏體不銹鋼類似。另外，其合金元素的增加，使得熔化金屬的流動(dòng)性變得更差，焊接性比普通奧氏體不銹鋼稍差。其主要問題是焊接熱裂紋和接頭的耐腐蝕性能。

焊接熱裂紋：奧氏體不銹鋼具有較高的熱裂紋敏感性，熱裂紋主要產(chǎn)生在焊縫及近縫區(qū)域。要防止N08367焊縫熱裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)嚴(yán)格控制焊縫中的S、P、Si等雜質(zhì)元素的含量，選用純度較高的優(yōu)質(zhì)焊接材料。在焊接工藝上，盡可能的采用小的焊接參數(shù)，焊前嚴(yán)格清理坡口，保持坡口高清潔度，有合理的焊接順序，減少焊接應(yīng)力水平。

表1 UNS N08367 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 UNS N08367 力學(xué)性能

焊接接頭的耐腐蝕性能：N08367超級(jí)奧氏體不銹鋼優(yōu)良的耐腐蝕性能，決定了焊接接頭需要有與母材一樣的耐腐蝕性能。根據(jù)貧鉻理論，在晶界上析出碳化鉻造成的晶界貧鉻是晶間腐蝕的主要原因。因此，選擇超低碳焊接材料保證焊縫金屬是超低碳的不銹鋼，且焊接時(shí)應(yīng)使用小的焊接參數(shù)。

2.焊接方法及焊接材料選擇

（1）焊接方法 常用的奧氏體不銹鋼的焊接方法均適用于N08367超級(jí)奧氏體不銹鋼的焊接。對(duì)于管道材料，為保證根部焊接質(zhì)量，易于單面焊雙面成形，一般選用GTAW或GTAW+SMAW組合的焊接方法。對(duì)于管徑小、管壁薄的選用GTAW焊接，對(duì)于直徑大、壁厚厚的管道使用GTAW打底、SMAW填充蓋面的方法。

（2）焊接材料選擇 根據(jù)N08367超級(jí)奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能以及焊接性的特點(diǎn)，在焊接材料的選擇時(shí)需要保證其焊縫金屬力學(xué)性能，同時(shí)要保證焊接接頭的耐腐蝕性能與母材相當(dāng)，焊縫金屬的抗點(diǎn)腐蝕當(dāng)量指數(shù)PREN≥40。焊接Mo含量為6%的超級(jí)奧氏體不銹鋼，遵循“高匹配”原則，采用Mo含量達(dá)到9%的Ni-Cr-Mo系列鎳基合金材料，以確保焊縫金屬的耐腐蝕性能，例如NiCrMo合金系列焊接材料。同時(shí)，在焊接材料選擇時(shí)還需要考慮焊接材料的經(jīng)濟(jì)性原則。

根據(jù)上述焊接材料的選用原則，AWS A5.14，AWS A5.11標(biāo)準(zhǔn)中材料的用途，以及管道焊接需要全位置焊接的工藝要求，NiCrMo-3，NiCrMo-10、NiCrMo-12系列焊接材料均適用于N03867超級(jí)奧氏體不銹鋼的焊接。母材與焊條熔敷金屬的化學(xué)成分、力學(xué)性能對(duì)比如表3、表4所示。

從表3焊條熔敷金屬化學(xué)成分，可以計(jì)算出焊縫抗腐蝕當(dāng)量指數(shù)如下：①ENiCrMo-3的P R E N=4 7～6 0.5。②E N i C r M o-1 0的P R E N=61.85～74.85。③ENiCrMo-12的PREN=49.64～60。

從經(jīng)濟(jì)性和焊接材料使用的廣泛性考慮，NiCrMo-3型焊接材料可以滿足N03867超級(jí)奧氏體不銹鋼管道的焊接，即GTAW焊絲選用ERNiCrMo-3，SMAW焊條選用ENiCrMo-3。

此外，鎳合金焊縫金屬對(duì)氣孔比較敏感，這是因?yàn)殒嚭辖鸬墓桃合鄿囟乳g距較少，而且液態(tài)金屬的流動(dòng)性比較差，若熔池中的氣體來不及逸出，就可能被凝固在焊縫中形成氣孔。因此，焊接過程中要注意坡口的清理和熔池保護(hù)、盡量減少氣體元素來源，同時(shí)在操作過程中要使得熔池中氣體有足夠的時(shí)間逸出。

3.焊接工藝試驗(yàn)

（1）焊接試件準(zhǔn)備 ①試件規(guī)格尺寸： NUS N08367，168.3mm×7.11mm管，長度：200mm 、2段，坡口形式為V形、坡口角度60°±5°、鈍邊1～2mm。②焊接材料：GTAW：E R N i C r M o-3、φ2.0m m，S M A W：E N i C r M o-3、φ3.2mm。③保護(hù)氣體： 99.99%Ar。④組對(duì)要求：間隙2～5mm，錯(cuò)邊量≤0.5mm，焊接位置5G。

表3 母材與焊條熔敷金屬化學(xué)成分對(duì)比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 母材與焊條熔敷金屬力學(xué)性能對(duì)比

（2）焊接參數(shù) 試件焊接參數(shù)如表5所示。

（3）焊接技術(shù)措施 第一，控制錯(cuò)邊量≤0.5mm，焊接前使用不銹鋼專用砂輪片打磨清理坡口及兩側(cè)，并用丙酮進(jìn)行清理，確保坡口及兩側(cè)50mm范圍內(nèi)清潔無污物。

第二，采用GTAW焊坡口內(nèi)點(diǎn)焊的方式進(jìn)行定位焊，在管3點(diǎn)、9點(diǎn)、12點(diǎn)位置進(jìn)行定位焊，長度為5～8mm 。

第三，嚴(yán)格控制保護(hù)氣體純度和保護(hù)質(zhì)量，可采用測(cè)氧儀進(jìn)行測(cè)量，背面充氣至少5mm厚度以上方可停止充氣保護(hù)，以防止背面氧化。

第四，嚴(yán)格控制熱輸入，起弧點(diǎn)應(yīng)在焊接方向前方，收弧時(shí)應(yīng)填滿弧坑，避免產(chǎn)生弧坑裂紋。

焊條電弧焊采用短弧焊接，直線或小幅度擺動(dòng)，每層應(yīng)清理干凈焊縫表面藥皮。

4.試件檢驗(yàn)及結(jié)果

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)要求，對(duì)試驗(yàn)試件焊接接頭進(jìn)行無損檢測(cè)、力學(xué)性能檢測(cè)、金相檢測(cè)和腐蝕試驗(yàn)結(jié)果如下。

（1）試件無損檢測(cè) 試件焊縫表面呈現(xiàn)銀白色或金黃色，表面無裂紋、咬邊、未熔合的缺陷，焊縫余高未超過1～3mm，根部全焊透。按照ASME B31.1要求進(jìn)行射線檢測(cè)合格。

（2）力學(xué)性能檢測(cè) 試件按照ASME IX卷要求進(jìn)行取樣和力學(xué)性能試驗(yàn)，取樣位置如圖1所示，各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果如表6～表9所示。

第一，焊接接頭橫向拉伸試驗(yàn)。焊接接頭橫向拉伸試驗(yàn)按照AWS，焊接接頭抗拉強(qiáng)度如表6所示，抗拉強(qiáng)度大于母材抗拉強(qiáng)度655MPa，結(jié)果合格。

第二，焊接接頭彎曲試驗(yàn)。焊接接頭橫向拉伸試驗(yàn)ASME IX卷，彎曲直徑4D。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示，受拉面無裂紋缺陷，結(jié)果合格。

第三，沖擊韌性試驗(yàn)分析。按照ASTM 923 對(duì)試件焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行夏比V型（Charpy V）沖擊試驗(yàn)，試樣尺寸為55mm×10mm×5mm，缺口位置分別為焊縫，熔合線+1mm、熔合線+3mm、熔合線+5mm， 4組沖擊試樣。沖擊溫度為-46℃，合格指標(biāo)為沖擊值≥54J。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表8所示，結(jié)果滿足要求。

以GTAW+SMAW工藝評(píng)定試件為例，在400倍金相顯微鏡下觀察組織（見表5～表7）。發(fā)現(xiàn)熔合線及熔合線+1mm、熔合線+3mm、熔合線+5mm的熱影響區(qū)附近由于焊接熱的作用使奧氏體晶粒重組晶粒變細(xì)，組織均勻。

（3）焊接接頭金相檢測(cè) 焊接接頭金相檢測(cè)如圖2所示，組織為奧氏體組織，分布均勻，無雜質(zhì)和非金屬夾雜物。

（4）焊接接頭腐蝕試驗(yàn) 主要是檢測(cè)焊接接頭抗點(diǎn)腐蝕能力，根據(jù)各種腐蝕試驗(yàn)的特點(diǎn)，試驗(yàn)方法按照ASTM G48 A法進(jìn)行試驗(yàn)。腐蝕溶液為10%F e Cl3溶液，試樣尺寸50mm×25mm×3mm，使用高精密電子天平進(jìn)行稱試樣重，精確到0.001g。試樣在50℃恒溫水浴鍋中進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間為72h。驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為計(jì)算腐蝕速率≤10mdd（毫克/(平方分米·日)），20×放大鏡下觀察試樣表面不得出現(xiàn)明顯點(diǎn)蝕。

表5 焊接參數(shù)

表6 焊接接頭橫向拉伸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表7 焊接接頭面彎和背彎試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表8 焊接接頭沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)如表9所示，試樣表面未見明顯點(diǎn)蝕，腐蝕速率4.35mdd，＜10mdd（要求值）。

5.產(chǎn)品焊接

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果制定產(chǎn)品焊接工藝，完成了φ6 0.3 m m×5.5 4 m m、φ1 6 8.3 m m×7.1 1 m m、φ508mm×9.53mm等規(guī)格的管道焊接，合計(jì)焊接200余道焊口，未出現(xiàn)熱裂紋的情況，RT一次檢測(cè)合格率達(dá)到98.6%。其中φ60.3m m×5.54m m的管接頭使用全氬弧焊接，φ508mm×9.53mm大管采取兩人對(duì)稱焊接，減少應(yīng)力和變形。

6.結(jié)語

（1）通過對(duì)超級(jí)奧氏體不銹鋼UNS N08367材料焊接性分析，該材料焊接過程中易產(chǎn)生熱裂紋的缺陷，特別是應(yīng)力較大定位焊位置，以及根部焊道、弧坑等位置。選擇合適的焊接材料、焊前嚴(yán)格清理坡口及合理的焊接順序以減少接頭應(yīng)力，嚴(yán)格控制熱輸入及嫻熱的操作技巧，可以避免焊接過程中熱裂紋的產(chǎn)生。

表9 G48 A腐蝕試驗(yàn)測(cè)量及計(jì)算數(shù)據(jù)

圖1 焊接接頭理化性能試驗(yàn)取樣位置

圖2 焊接接頭微觀金相（400×）

（2）超級(jí)奧氏體不銹鋼UNS N08367焊接接頭的抗腐蝕性能是焊接工藝控制的重點(diǎn)。選擇超合金化的焊接材料，遵循“高匹配”的原則，選擇Mo含量達(dá)到9%的NiCrMo合金，在保證焊接接頭強(qiáng)度的同時(shí)，提高焊接接頭的抗腐蝕性能。

（3）ERNiCrMo-3氬弧焊絲、ENiCrMo-3焊條與其他系列焊材相比，在經(jīng)濟(jì)性、可操作性方面有一定的優(yōu)勢(shì)，是焊接UNS N08367超級(jí)奧氏體不銹鋼接頭的較為理想的焊接材料。

（4）可以在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求指標(biāo)下，在焊接材料采購時(shí)，可進(jìn)一步降低C含量以及S、P、Si等雜質(zhì)元素的含量，以降低產(chǎn)生熱裂紋的傾向，提高操作性；提高Al、Ti元素的含量，達(dá)到細(xì)化晶粒、提高焊縫金屬的塑性。