鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼中鐵素體的測量

黃明忠　劉小紅　文陸一

（貴陽化工機械有限公司）（貴州省特種設(shè)備檢驗檢測院）

鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼中鐵素體的測量

黃明忠*劉小紅文陸一

（貴陽化工機械有限公司）（貴州省特種設(shè)備檢驗檢測院）

介紹了奧氏體-鐵素體雙相鋼UR45N+材料在磷酸凈化項目中的應(yīng)用和雙相鋼鐵素體的測量方法，著重論述了采用鐵素體測量儀測量板材和焊縫中鐵素體含量以及測量結(jié)果與金相定量法結(jié)果的誤差。此外，還論述了板材的測量位置和焊縫中鐵素體含量的測量方法。鐵素體測量儀的無損測量、精確度和快捷性等性能可滿足工程上對雙相鋼軋材及其焊縫的測量要求。

雙相鋼鐵素體測量儀測量方法板材焊縫鐵素體含量

0　前言

隨著磷化工行業(yè)深加工的不斷發(fā)展，鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼在工程中的應(yīng)用逐漸增多。雙相鋼結(jié)合了鐵素體鋼和奧氏體不銹鋼的優(yōu)良特性，高鉻、鎳、鉬合金元素及含氮的化學(xué)成分，對含有氯、氟離子的工藝介質(zhì)有極強的抗腐蝕能力，其抗腐蝕能力僅次于超低碳高級不銹鋼904L（UNS N08904）［1］。雙晶相組織使鋼材具有很高的機械強度。法國INDUSTEEL FRANCE CREUSOT PLANT生產(chǎn)的雙相鋼UR45N+，其屈服強度Rp0.2=450 MPa，常溫許用應(yīng)力［σ］=230 MPa。常用的超低碳奧氏體不銹鋼316L（S31603）其屈服強度Rp0.2=180 MPa，常溫許用應(yīng)力［σ］=120 MPa。材料的強度高，可減小設(shè)備主體材料的厚度，節(jié)約成本。在設(shè)備制造過程中，為確保焊縫鐵素體、奧氏體雙相組織的比例，避免焊縫出現(xiàn)高比例鐵素體組織，除選擇含鎳量（Ni）比母材高的焊材外，還要嚴格控制焊接的熱輸入（即線能量），焊后對焊縫進行鐵素體測量，確保焊縫的鐵素體含量在控制的范圍內(nèi)，保持其雙相鋼特有的優(yōu)良性能。

1　鐵素體測量方法

常用的鐵素體測量方法有三種：化學(xué)分析-圖譜法，金相法，磁性法［2］。

化學(xué)分析-圖譜法，即Schacffler圖鐵素體測量法，用化學(xué)分析法測試鉻、鎳、錳等合金元素成分，按一定關(guān)系計算出鉻、鎳當量，對照Schacffler圖，查出鐵素體量。這是一種根據(jù)金屬化學(xué)成分粗略估計鐵素體含量的方法［2］。具體方法參見美國焊接學(xué)會（AWS）的焊接手冊。

金相法分常規(guī)比較金相法和定量金相法。比較金相法測量誤差大，不再使用。定量金相法又分為手工定量金相法和圖像分析儀定量法。手工定量金相法由于是人工目視評定，其準確性、重現(xiàn)性差，如今很少采用。常用的圖像分析儀定量法，一般采用美國材料與試驗協(xié)會標準ASTM E562《用系統(tǒng)人工點計數(shù)測定體積分數(shù)的試驗方法》。

磁性法基于對奧氏體焊縫金屬表面永久磁性抗力的測量，測量焊縫金屬鐵素體含量。鐵素體（δ相）組織是鐵磁性的，而奧氏體（γ相）、碳化物和σ相都不是鐵磁性的，不會影響測量結(jié)果。此法被國際焊接學(xué)會作為標準采用，認為這是測量不銹鋼焊縫鐵素體含量最好的方法之一［2］。但被測試樣的化學(xué)成分、晶格常數(shù)、鐵素體組織形態(tài)分布不均，在不同的軋制方向，測量值會有所不同，測量重現(xiàn)性和準確性差。因此，在工程實際檢測時需要多位置測量，每一位置多次測量取其算術(shù)平均值作為結(jié)論值。德國FERITSCOPE FMP30鐵素體儀依據(jù)磁感方法進行測量，線圈產(chǎn)生的磁場區(qū)域與工件內(nèi)磁性部件相互作用，磁場區(qū)域的變化在第二線圈產(chǎn)生感生電壓，該電壓與鐵素體含量成比例關(guān)系，然后評估該電壓，得到鐵素體測量值。由于磁性法測量采樣體積相對較大，測量焊縫熱影響區(qū)（HAZ）、復(fù)合板不銹鋼層焊縫、較薄的不銹鋼堆焊層時要慎重，測量前要充分了解儀器測頭的敏感深度。

2　鐵素體儀測量板材鐵素體含量

使用德國產(chǎn)的FMR30型測量儀，測量時工件沒有振動，附近沒有鐵磁性材料的影響，測頭與測試面保持垂直，顯示讀數(shù)后立即撤離測頭，每一位置測量5次，計算平均值。采用點觸磁性法分別測量板材表面（軋制面）、橫截面（斷面），發(fā)現(xiàn)同一試件表面、橫截面鐵素體測量值相差很大，所測量位置（見圖1）及鐵素體數(shù)值分別見表1和表2。

圖1　板材測量位置

表1　側(cè)面（截面）鐵素體測量值

表2　平行軋制面的階梯面鐵素體測量值

分析表1和表2可知，采用鐵素體儀測試同一試件，板材截面比板材表面所測鐵素體值高9%。這是由于板材在軋制過程中鐵素體（δ相）已嚴重錯位，晶格常數(shù)產(chǎn)生變化，鐵磁性能已發(fā)生改變的緣故。因此采用鐵素體儀測量鍛材、軋材雙相體不銹鋼的鐵素體含量時，首先用鎢極氬弧焊保護自熔焊接的方式制作試樣，對自然狀態(tài)凝固表面進行測量，具體情況可按照ASTM第Ⅲ卷《核動力設(shè)備》相關(guān)規(guī)范進行。同一試件分別用金相定量法（圖像分析儀）、鐵素體儀進行鐵素體含量測量，經(jīng)對其測量值對比，橫截面鐵素體值與金相定量法測量值比較接近。為確定鐵素體測量儀與金相定量法的誤差值大小，選擇不同爐號、不同規(guī)格厚度UR45N+板材分別采用鐵素體儀、圖像分析金相定量法兩種方法測量同一試塊，結(jié)果如表3所示?？梢婅F素體儀測量板材截面鐵素體值與圖像分析儀金相法測量值比較接近，相差2%～5%。UR45N+板材鐵素體含量為45%～55%，比較接近奧氏體-鐵素體雙相鋼兩相各占50%理想值。因此在工程實際應(yīng)用中，軋材、鍛材、焊縫的鐵素體含量可用鐵素體儀的測量值加上2%～5%，作為其鐵素體含量的測量值。

表3　UR45N+鐵素體測量值

3　鐵素體儀測量焊縫鐵素體含量

焊縫中鐵素體形成不僅與母材、焊材有關(guān)，還與焊接工藝（不同板厚）、焊工焊接操作技術(shù)相關(guān)，焊接熱輸入（線能量）的穩(wěn)定性對焊縫鐵素體形成有著重要影響。在工程中需要對焊縫進行鐵素體測量，控制焊縫鐵素體含量，焊縫鐵素體應(yīng)盡可能穩(wěn)定在30%～40%。焊縫鐵素體含量一般不能超過60%，否則會對抗蝕能力產(chǎn)生不良影響［2］。鐵素體儀實現(xiàn)無損測量，方便快捷，測量值經(jīng)過較正后可滿足工程需要，因此鐵素體儀在工程中應(yīng)用廣泛。

某公司磷酸凈化項目工程現(xiàn)場制作一臺設(shè)備，直徑?5600 mm，高5000 mm，錐頂平底，主體材料UR45N+，δ=6 mm。焊材生產(chǎn)商為法國AIR LIQUIDE WENDNG FRANCE公司，焊條牌號為LEXAL E22 9 3 N/SAF-FRO（ASME SFA5.4/E2209-16），設(shè)備的焊縫布置如圖2所示，用鐵素體儀測量其焊縫鐵素體含量如表4所示。

圖2　設(shè)備的焊縫布置

表4　鐵素體儀測量焊縫鐵素體含量記錄

在生產(chǎn)過程中不斷摸索鐵素體儀測量方法，總結(jié)了使用鐵素體儀應(yīng)注意的操作要點如下所述。

（1）被檢焊縫表面處理：表面平整、光滑，測量點直徑不小于5 mm。

（2）測量過程中工件不應(yīng)有振動現(xiàn)象，附近不得有鐵磁性材料，測頭應(yīng)接觸測量面并保持垂直。

（3）每個測量位置取5～6個讀數(shù)，然后取其平均值作為測量結(jié)果。

（4）測量點均布于被測焊縫，根據(jù)被測焊縫長度、焊接位置、焊接工藝、焊接人員，確定測量點數(shù)，每一組測量點具有一定的代表性，每一性質(zhì)測量點應(yīng)不少于3個點。

使用鐵素體儀測量了50多臺現(xiàn)場產(chǎn)品的焊縫鐵素體含量，其中焊條電弧焊施焊的產(chǎn)品其焊縫鐵素體含量的范圍為30%～45%。焊縫位置為立焊（VU）或焊縫多層多道焊時，焊縫鐵素體測量值偏下限值30%。焊縫位置為橫焊（H）時，焊縫鐵素體測量值偏上限值45%。根據(jù)焊件厚度，選擇適當?shù)臒彷斎耄ň€能量），即適當增加焊接電流，減小焊接速度，提高層間溫度，采用多層多道焊（后道焊縫對前道焊縫有后熱作用），這些方法都有利于焊縫金屬鐵素體（δ）組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體（γ）組織，從而降低焊縫鐵素體含量［2］。

4　結(jié)束語

鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼金相顯微組織理論值各占50%。法國INDUSTEELFRANCE CREUSOT PLANT生產(chǎn)的UR45N+雙相鋼鐵素體含量保證值為45%～55%，質(zhì)量比較穩(wěn)定。采用鐵素體儀對板材鐵素體含量進行無損測量時，建議以橫截面鐵素體值為準。UR45N+雙相不銹鋼具有良好的焊接性能。實踐證明，UR45N+母材，選用高鎳含量焊接材料LEXAL E22.9.3N，采用適當?shù)暮附庸に?，焊接接頭鐵素體含量通常不超過60%，不會對抗蝕能力產(chǎn)生不良影響。本文通過對鐵素體儀測量焊縫鐵素體含量的應(yīng)用和探討，總結(jié)了使用鐵素體儀測量焊縫鐵素體時需注意的要點，對無損測量鐵素體-奧氏體雙相鋼軋材及焊縫的鐵素體含量提供了寶貴的經(jīng)驗，具有積極的借鑒意義。簡便快捷的鐵素體測量方法對推動鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼在化工行業(yè)的普及和應(yīng)用作出了積極的貢獻。

［1］左景伊.腐蝕數(shù)據(jù)手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

［2］Erich Folkhard.不銹鋼焊接冶金［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

LNG用高端低溫氣體壓縮機國產(chǎn)化

中石化洛陽工程有限公司牽頭研發(fā)的國內(nèi)首臺液化天然氣（LNG）用臥式對置平衡式低溫氣體壓縮機，于2015年11月27日通過中國機械工業(yè)聯(lián)合會組織的成果鑒定。鑒定專家組表示，樣機經(jīng)出廠試驗檢測，各項性能指標均達到設(shè)計任務(wù)書要求，表明我國已具備制造高端低溫氣體壓縮機的能力，為此類產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化提供了技術(shù)保障。

目前國內(nèi)市場近90%的臥式對置平衡式壓縮機依賴進口?！笆濉逼陂g，中石油、中石化和中海油相繼進入天然氣市場，目前處于規(guī)劃中的LNG接收站項目已有24個，到2020年，國內(nèi)接收站接收能力將達到每年5510萬t。LNG接收站發(fā)展迅速，其所需關(guān)鍵裝置——臥式對置平衡式低溫氣體壓縮機國產(chǎn)化迫在眉睫。

2013年，中石化洛陽工程有限公司聯(lián)合西安交通大學(xué)等單位，開始了此類低溫氣體壓縮機的國產(chǎn)化工作。在克服設(shè)備低溫材料選擇、配件在低溫條件下的運行配合等技術(shù)難題后，擁有全部自主知識產(chǎn)權(quán)的低溫氣體壓縮機通過鑒定。目前制造此類壓縮機產(chǎn)品價格在人民幣1000萬元左右，還不到國外產(chǎn)品價格的一半。下一步，將會加快該產(chǎn)品在商業(yè)層面的開發(fā)，為國家能源安全作出貢獻。

近年來，一些能源消費大國越來越重視LNG的引進，并大力興建LNG接收站。但在LNG的儲存過程中，因難以完全絕熱會產(chǎn)生蒸發(fā)氣體，如果對此不加以回收利用，任其排入空氣中，不僅危險，還會造成相當程度的經(jīng)濟損失和環(huán)境污染。因此，用于壓縮蒸發(fā)氣體進行回收利用的低溫氣體壓縮機，便成了LNG接收站的必備裝置。

（錢伯章）

Measurement of Ferrite in Duplex Ferritic-Austenitic Stainless Steel

Huang MingzhongLiu XiaohongWen Luyi

The application of the duplex ferritic-austenitic stainless steel UR45N+material in the phosphoric acid purification project and the measuring method of the ferrite in dual-phase steel are introduced.Especially，the measurements of the ferrite in the plates and weld joints using both the ferrite measuring instrument and the quantitative metallography are carried out，meanwhile，the measuring errors are analyzed.In addition，the measuring positions of the plates and the measurement methods of the ferrite in the weld joints are discussed.To conclude，the ferrite measuring instrument，with the properties of nondestructive measurement，accuracy and rapidness，meets the measurement requirements of the dual-phase rolled steel products and their welds in engineering project.

Dual-phase steel；Ferrite measuring instrument；Measurement method；Plate；Weld joints；Ferrite content

TG 115

2015-04-17）

*黃明忠，男，1970年生，工程師。貴陽市，550004。