耐硫酸腐蝕鋼NS1—2的性能特點(diǎn)及焊接工藝研究

李孟良　王海強(qiáng)　李?！≮w華　郭洪寧　鄭志東

摘要：文章在對耐硫酸腐蝕鋼NS1-2的性能特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，通過焊接性分析對耐硫酸腐蝕鋼NS1-2的焊接工藝進(jìn)行研究，整理出了耐硫酸腐蝕鋼NS1-2用于火電機(jī)組煙囪鋼內(nèi)筒的焊接工藝，可為今后同類鋼的焊接提供借簽。

關(guān)鍵詞：耐硫酸腐蝕鋼NS1-2；焊接性；碳當(dāng)量；焊接工藝；煙囪鋼內(nèi)筒 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TG142 文章編號：1009-2374（2016）23-0070-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.23.033

1 概述

耐硫酸腐蝕鋼是耐候鋼的一種，通過添加少量的合金元素，使其具有良好的耐腐蝕性能的低合金強(qiáng)度鋼。這種鋼的耐腐蝕性能為普通碳鋼的2～8倍，使用時(shí)間越長，耐腐蝕性能越突出；除具有良好的耐腐蝕性外，還具有優(yōu)良的成形、焊接等使用性能。

NS1-2鋼的最大特點(diǎn)是含有少量的具有防腐蝕作用的Cu、P、Cr等元素，其優(yōu)良的防腐蝕性能，主要與所含合金元素Cu、P有關(guān)。Cu、P在鋼中起著活性陰極的作用，在一定條件下可以促使鋼產(chǎn)生陽極鈍化，從而降低鋼的腐蝕速度；Cu在銹層中的富集還能夠改善銹層的保護(hù)作用，可阻止鐵銹的進(jìn)一步深入。

NS1-2鋼的耐腐蝕性能遠(yuǎn)高于普通碳鋼，由上海三鋼開發(fā)研制，被廣泛應(yīng)用于火電機(jī)組的建設(shè)中，通過各個使用單位反饋的情況證實(shí)，NS1-2耐硫酸腐蝕用鋼非常適合燃煤電廠煙囪鋼內(nèi)筒的使用環(huán)境。由我公司承建的印度塔爾萬迪3×660MW燃煤電站項(xiàng)目正是采用NS1-2耐硫酸腐蝕鋼作為煙囪鋼內(nèi)筒用鋼，并在現(xiàn)場進(jìn)行了工藝評定試驗(yàn)。

2 NS1-2鋼的性能特點(diǎn)

NS1-2鋼之所以具有良好的耐腐蝕性能，其中合金元素起到了決定性作用，主要包括：（1）降低銹層的導(dǎo)電性能，自身沉淀并覆蓋鋼表面；（2）影響銹層中物相結(jié)構(gòu)和種類，阻礙銹層的生長；（3）推遲銹的結(jié)晶，加速鋼的均勻溶解；（4）加速Fe2+向Fe3+的轉(zhuǎn)化，并能阻礙腐蝕產(chǎn)物的快速生長。主要合金元素的作用如下：

C：對鋼的耐腐蝕性能不利，同時(shí)影響鋼的焊接性能、冷脆性能和沖壓性能等，因此C含量被控制在0.12%以下。

Cu：加入0.2%～0.4%的Cu后，使其耐腐蝕性能大幅提高，具體原理為：（1）鋼與表面二次析出的Cu之間的陰極接觸，促使鋼陽極鈍化，從而形成保護(hù)性較好的銹層；（2）Cu在基體與銹層之間形成以Cu、P為主要成分的阻擋層，它與基體結(jié)合牢固，具有較好的保護(hù)作用。

P：磷是提高鋼耐腐蝕性能的主要元素之一；當(dāng)P與Cu聯(lián)合加入鋼中時(shí)，將顯示出更好的復(fù)合效應(yīng)。在煙氣腐蝕條件下，鋼中的P是陽極去極化劑，它在鋼中能加速鋼的均勻溶解和Fe2+的氧化速率，有助于在鋼表面形成均勻的α-FeOOH銹層，促進(jìn)生成非晶態(tài)羥基氧化鐵FeOx（OH）3-2x致密保護(hù)膜，從而增大了電阻，成為腐蝕介質(zhì)進(jìn)入鋼基體的保護(hù)屏障，使鋼內(nèi)部免遭煙氣腐蝕。另外，當(dāng)P形成PO43+時(shí)還可以起到緩蝕作用。

Cr：它能在鋼的表面形成致密的氧化膜，提高鋼的鈍化能力；當(dāng)Cr與Cu同時(shí)加入鋼中時(shí)，效果尤為明顯。另外，Cr元素可以阻止干濕交替過程中，干燥時(shí)Fe3+向Fe2+的轉(zhuǎn)化，從而提高鋼的耐腐蝕性能。

Si：硅與其他元素如Cu、Cr、P配合使用可以改善鋼的耐腐蝕性能，較高的Si含量有利于細(xì)化α-FeOOH銹層，從而降低鋼整體的腐蝕速率。

S：硫元素起不良作用，作為殘余元素其含量應(yīng)被控制在0.04%以下。

3 焊接性分析

3.1 化學(xué)成分和力學(xué)性能

由南京鋼鐵股份有限公司出具的鋼材材質(zhì)證明可以得知NS1-2鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能數(shù)據(jù)分別如表1和表2所示，材質(zhì)證書編號為：110801P01281。

3.2 化學(xué)成分分析

鋼材的化學(xué)成分對焊接熱影響區(qū)的淬硬及冷裂紋傾向有直接影響，因此可以用化學(xué)成分來分析其冷裂敏感性。各種元素中，碳是對冷裂敏感性影響最顯著的一個，因此我們就將各種元素都按相當(dāng)于若干含碳量折合并疊加起來求得所謂的碳當(dāng)量（CE或Ceq），用CE或Ceq來估計(jì)冷裂傾向的大小。

采用國際焊接學(xué)會（IIW）推薦的碳當(dāng)量公式計(jì)算出碳當(dāng)量如下：

CE=C+Mn/6+（Ni+Cu）/15+（Cr+Mo+V）/5=0.381%

由于CE=0.381%<0.41%且含C=0.08%<0.207%，所以焊接厚度小于37mm的NS1-2鋼板時(shí)可以不預(yù)熱。

采用日本JIS和WES推薦的碳當(dāng)量公式計(jì)算出的碳當(dāng)量如下：

Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14=0.377%

由于Ceq=0.377%<0.46%，抗拉強(qiáng)度=490MPa<500MPa，所以焊接厚度小于25mm且焊接線能量小于17kJ/cm的鋼板時(shí)可以不預(yù)熱。

由以上兩種碳當(dāng)量計(jì)算方法得出的NS1-2鋼的碳當(dāng)量可知：NS1-2鋼的冷裂傾向較小，當(dāng)焊接厚度不超過25mm的鋼板時(shí)，在合理的焊接線能量輸入的情況下，可以不進(jìn)行焊前預(yù)熱措施。

4 焊接工藝的確定

4.1 預(yù)熱溫度

本次工藝評定試驗(yàn)所選用的NS1-2的鋼板為現(xiàn)場實(shí)際使用的鋼板，厚度為16mm；通過上文對其碳當(dāng)量的分析，結(jié)合施工現(xiàn)場的環(huán)境溫度，在合理控制焊接線能量的情況下，不需要進(jìn)行預(yù)熱，因此預(yù)熱溫度為環(huán)境溫度。

4.2 焊接方法

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，加上手工電弧焊有設(shè)備簡單、工藝靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合設(shè)計(jì)要求，選用手工電弧焊背面清根雙面焊的焊接工藝。

4.3 焊接材料

根據(jù)NS1-2鋼耐硫酸腐蝕的性能特點(diǎn)，為了使焊縫具有相似的性能，就要選擇同樣具有耐蝕性的焊接材料；結(jié)合NS1-2鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能，選用AWS A5.5的E8018-W2耐候鋼焊條，焊條的化學(xué)成分如表3所示；焊條使用前要在350～400℃烘培1小時(shí)，使用時(shí)放在80℃～100℃的保溫桶中隨用隨取。

4.4 坡口形式

由于現(xiàn)場施工時(shí)，所有坡口均在現(xiàn)場加工，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，選用V型坡口。采用這種形式的坡口，還有以下兩個優(yōu)點(diǎn)：（1）環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)時(shí)，平焊位置施焊條件好，焊接電流、焊接速度可以適當(dāng)增大；（2）坡口兩側(cè)，電弧停留時(shí)間可加長，防止咬邊，且焊工操作容易，焊接質(zhì)量也可相應(yīng)提高。坡口形式均采用機(jī)械加工完成，焊前坡口處及其周圍必須清理干凈油污、鐵銹、水分等雜質(zhì)。

4.5 焊接工藝參數(shù)

焊接時(shí)線能量不易過高，否則將使熱影響區(qū)過寬，粗晶區(qū)擴(kuò)大，造成焊接接頭韌性下降。因此焊接時(shí)的層間溫度控制在250℃以下，適宜的焊接工藝參數(shù)如表4所示：

5 試驗(yàn)結(jié)果

5.1 硬度

（1）近表面硬度值為：母材180.5VHN，熱影響區(qū)207、191VHN，焊縫243VHN；（2）層間硬度值為：母材170.5VHN，熱影響區(qū)205、189VHN，焊縫233VHN；（3）根部硬度值為熱影響區(qū)206、188VHN，焊縫232VHN。

硬度測試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92進(jìn)行，具體硬度檢查結(jié)果見表5所示：

5.2 力學(xué)性能

根據(jù)ASME第Ⅸ卷中的QW462.1a進(jìn)行了拉伸性能測試（見表6），根據(jù)ASME第Ⅸ卷中的QW462.3（a）和QW466.1進(jìn)行了彎曲性能測試（見表7）。

5.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）兩個試樣的抗拉強(qiáng)度分別為502MPa和509MPa，且均斷在母材，結(jié)果合格；（2）四個焊縫彎曲試樣，試驗(yàn)后均未在外表面發(fā)現(xiàn)裂紋，結(jié)果合格；（3）硬度值沿厚度方向從表面到根部硬度平均值分別為：母材硬度為180.5VHN、170.5VHN；焊縫一側(cè)的熱影響區(qū)硬度為207VHN、205VHN、206VHN；焊縫另一側(cè)的熱影響區(qū)硬度為191VHN、189VHN、188VHN；焊縫硬度為243VHN、233VHN、232VHN，所有硬度值均在合格范圍之內(nèi)。

6 結(jié)語

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界所有的金屬制品中，每年由于腐蝕而報(bào)廢的重量，大約相當(dāng)于金屬年產(chǎn)量的三分之一，因此擴(kuò)大耐蝕鋼的應(yīng)用及研究其焊接工藝具有重大的經(jīng)濟(jì)意義。本項(xiàng)目對應(yīng)用于煙囪鋼內(nèi)筒的NS1-2耐硫酸腐蝕鋼采用上述焊接工藝進(jìn)行施焊，試驗(yàn)結(jié)果表明在滿足其本身耐蝕性的基礎(chǔ)上，焊縫熔敷金屬的力學(xué)性能也很好地滿足了母材的要求，可為今后同類鋼材的焊接提供參考和借鑒。

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作者簡介：李孟良（1980-），男，河南洛陽人，山東電力建設(shè)第一工程公司工程師，研究方向：金屬焊接技術(shù)管理。

（責(zé)任編輯：蔣建華）