超級(jí)雙相不銹鋼換熱管焊縫返修性能研究

， ， ， ， ， ，

(1.蘭州蘭石鑄鍛有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730314；2.新疆蘭石重裝能源工程有限公司，新疆 哈密 839000)

S32750不銹鋼是一種超級(jí)雙相不銹鋼[1]，該材料屬于奧氏體不銹鋼，具有奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性，優(yōu)良的塑性、韌性和焊接性。同時(shí)它內(nèi)部還含有一定量的鐵素體，也兼具鐵素體不銹鋼的高強(qiáng)度和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能[2]。此外，超級(jí)雙相不銹鋼還具有抗點(diǎn)蝕、窄間隙縫隙內(nèi)部抵抗腐蝕、氯化物環(huán)境抗應(yīng)力腐蝕、抗疲勞和抗晶間腐蝕等特點(diǎn)[3-6]。目前，越來越多的石油、天然氣及化工企業(yè)選用這種超級(jí)雙相不銹鋼作為熱交換器管束的材料[7]，以延長(zhǎng)熱交換器的使用壽命，提高設(shè)備運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

文中結(jié)合高壓熱交換器運(yùn)行環(huán)境的高溫、高壓及介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)S32750超級(jí)雙相不銹鋼換熱管與堆焊S2209型雙相不銹鋼管板的焊接性能進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)管板堆焊層和管頭焊縫的同一部位進(jìn)行返修，以掌握超級(jí)雙相不銹鋼換熱管制造技術(shù)，制訂出合理優(yōu)化的制造工藝，為雙相不銹鋼的焊縫返修性能研究提供技術(shù)支持。

1 焊接試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)用材料及焊接材料

試驗(yàn)用管板基層材料為2.25Cr-1Mo鋼板材，厚度30 mm。

焊接方法采用帶極堆焊，堆焊過渡層和表層時(shí)均采用SANDVIK公司生產(chǎn)的焊接材料。過渡層堆焊采用鋼帶21.12.3.L配焊劑34S，表層堆焊采用鋼帶22.8.3L配焊劑10SW，管接頭焊接材料采用?2.4 mm的SANDVIK25.10.4.L[8]。

1.2 堆焊注意要點(diǎn)

雙相不銹鋼具有良好的焊接工藝性，在焊接過程中和焊接完成后一般都不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋和冷裂紋，焊接效果較好[9]。即便如此，焊接過程中仍需嚴(yán)格按照焊接工藝控制焊接過程。

在雙相不銹鋼的焊接試驗(yàn)過程中應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)[10]：

(1)焊接熱輸入量是影響焊接質(zhì)量的重要因素，建議在焊接過程中將焊接熱輸入量合理控制在8～15 kJ/cm。

(2)雙相不銹鋼一般不進(jìn)行焊前預(yù)熱。當(dāng)材料溫度低于5 ℃或材料不干燥時(shí)，將溫度及表面處理到正常范圍，預(yù)熱至20 ℃左右即可。

(3)采用多道多層焊進(jìn)行焊接，層間溫度最高控制在150 ℃。

(4)禁止在母材引弧，防止引弧冷卻過快使鐵素體含量升高，要絕對(duì)避免快速冷卻。

1.3 試板焊接規(guī)范

1.3.1堆焊試板

在試板上采用帶極焊機(jī)堆焊5 mm的S2209型不銹鋼，見圖1。

焊接操作參數(shù)為，堆焊試板過渡層預(yù)熱溫度150 ℃、其余層預(yù)熱溫度10～150 ℃，過渡層層間溫度150～250 ℃、其余層層間溫度10～150 ℃，后熱處理規(guī)范(250～350) ℃×2 h，電源直流反接，焊接電流450～550 A，焊接電壓29～31 V，焊接速度10～11 m/h[11]。

堆焊試板焊接試驗(yàn)完成后對(duì)試板進(jìn)行了鐵素體含量的測(cè)量，結(jié)果為堆焊試板中帶極堆焊的鐵素體數(shù)FN均在35～45[12]。

1.3.2換熱管-管板焊接試板

采用?2.4 mm的SANDVIK 25.10.4.L，對(duì)換熱管-管板焊接試板進(jìn)行手工鎢極氬弧焊填絲焊接，焊接層次1～2層，預(yù)熱溫度10 ℃，層間溫度10～150 ℃，電源直流正接，焊接電流140～150 A，焊接電壓15～17 V，焊接速度105 mm/min，最大線能量14.57 kJ/cm，氬氣體積流量10～15 L/min[13]。換熱管-管板焊接試板見圖2。

圖2 換熱管-管板焊接試板

1.4 返修

一次返修是利用碳弧氣刨或鉆加工方法將管板堆焊層和管接頭原焊縫金屬去除，然后重新進(jìn)行焊接，焊接規(guī)范分別與前述試板焊接規(guī)范一致。堆焊試板返修是去除部分焊縫金屬，管接頭試板返修是去除全部焊縫金屬，但保留熱影響區(qū)。

二次返修是在一次返修基礎(chǔ)上重復(fù)上述返修過程。返修后制取的試樣均應(yīng)包含返修時(shí)的焊接接頭熱影響區(qū)。

2 焊接試驗(yàn)結(jié)果

焊態(tài)、一次返修及二次返修后換熱管-管板試板試驗(yàn)結(jié)果見表1。管板與換熱管接頭部位各區(qū)金相組織照片見圖3。

表1 焊態(tài)及返修后換熱管-管板試板試驗(yàn)結(jié)果

圖3 管板與換熱管接頭各區(qū)金相組織(400×)

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析對(duì)比表明，所有試板焊接接頭的力學(xué)性能、硬度、金相組織及鐵素體含量均滿足技術(shù)條件要求，腐蝕試驗(yàn)時(shí)試板雖然出現(xiàn)了點(diǎn)蝕坑，但由于試樣加工不標(biāo)準(zhǔn)，且焊縫是完好的，因此不足以說明腐蝕不合格[17]。

由表1可知，焊態(tài)、一次返修與二次返修試板在拉脫力、硬度、宏觀檢查、H值等方面均符合要求，且三者的結(jié)果差別不大。焊態(tài)、一次返修與二次返修試板的點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果均不合格。焊態(tài)試板焊縫區(qū)未出現(xiàn)腐蝕坑，一次返修和二次返修試板均在焊縫位置出現(xiàn)點(diǎn)蝕坑，一次返修試板腐蝕較輕微，二次返修試板較一次返修試板腐蝕嚴(yán)重[18]。

返修次數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響實(shí)際就是對(duì)焊接熱影響區(qū)性能的影響，通過制定準(zhǔn)確詳細(xì)的焊接規(guī)范參數(shù)、嚴(yán)格控制熱輸入量和層間溫度可以保證返修后焊接接頭具有合理的雙相組織比例，避免出現(xiàn)σ、x、M23C6、Cr2N、γ2、α＇等析出相，從而保證雙相不銹鋼的性能，尤其是其在鹵素離子環(huán)境下優(yōu)良的局部腐蝕抗力[19]。

3 結(jié)語

對(duì)S32750超級(jí)雙相不銹鋼換熱管與堆焊S2209型雙相不銹鋼管板的焊接性能進(jìn)行了研究，換熱管-管板焊接接頭各項(xiàng)性能符合技術(shù)條件要求。換熱管-管板試板在限定的焊接規(guī)范參數(shù)下經(jīng)一次返修、二次返修后各項(xiàng)性能符合技術(shù)要求，但焊縫區(qū)域出現(xiàn)了不同程度的腐蝕現(xiàn)象，可見在生產(chǎn)制造中焊接返修對(duì)腐蝕性能有一定影響，應(yīng)盡量減少返修次數(shù)[20]。通過對(duì)S32750超級(jí)雙相不銹鋼進(jìn)行的焊接試驗(yàn)，掌握了相關(guān)焊接工藝參數(shù)，為后期的生產(chǎn)制造提供了技術(shù)準(zhǔn)備。