耐硫酸露點(diǎn)腐蝕用Q345NS超大管徑螺旋埋弧焊管的開發(fā)

陳 松

（華油鋼管有限公司揚(yáng)州分公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

0 前 言

在冶金、 電力和石化等工業(yè)領(lǐng)域，重油或煤中通常含有2%～3%的硫，經(jīng)燃燒后煙氣中就會(huì)有約 0.2%的二氧化硫 （SO2），其中 1%～2% SO2受灰分和金屬氧化物等的催化作用而生產(chǎn)三氧化硫（SO3），SO3再與燃燒氣體中所含的水分 （約5%～10%） 或空氣中所含的水分結(jié)合生成硫酸，在處于露點(diǎn)溫度 （acid dew-point temperature, ADT）以下時(shí) （當(dāng)煙氣中 SO3的含量為 30×10-6時(shí)，露點(diǎn)溫度約為 130～150 ℃），燃油或燃煤鍋爐等設(shè)備的低溫部分如鍋爐的空氣預(yù)熱器、 省煤器、 煙道、 煙囪以及脫硫裝置處凝結(jié)形成露滴并腐蝕金屬，即所謂硫酸露點(diǎn)腐蝕[1]（sulfuric acid dew-point corrosion，SADC）。 這種腐蝕既有化學(xué)腐蝕存在，又有電化學(xué)腐蝕存在，反應(yīng)類型復(fù)雜，腐蝕液腐蝕性極強(qiáng)，危害極大。目前，各大鋼鐵企業(yè)的高爐煤氣管道都存在不同程度的硫酸露點(diǎn)腐蝕，嚴(yán)重影響了煤氣管網(wǎng)輸送安全和使用壽命。 高爐煤氣管道輸送壓力約為12 kPa，屬于低壓大流量輸送管道，直徑范圍普遍在1 000～3 200 mm，而且該類管道大部分采用三輥成型短節(jié)焊接的成型方式，存在現(xiàn)場施工作業(yè)量大、 工期長、 造價(jià)高、 焊縫多、 外觀尺寸差異大等缺點(diǎn)。 耐硫酸露點(diǎn)腐蝕用Q345NS 超大管徑螺旋埋弧焊管的研制成功可大量應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)煤氣管道改造項(xiàng)目，同時(shí)也可在化工、 電力、煙草等行業(yè)的煙氣回收管道、 煙道等耐硫酸露點(diǎn)腐蝕方面使用[2]。 因此，該管材的開發(fā)具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

耐硫酸露點(diǎn)腐蝕用Q345NS 超大管徑螺旋埋弧焊管的開發(fā)需要克服兩個(gè)難點(diǎn)： 一是鋼管焊縫的耐蝕性，腐蝕多發(fā)生在焊接接頭，如何從焊接工藝角度解決焊縫的耐腐蝕性能將至關(guān)重要；另一個(gè)是超大管徑螺旋焊管的成型穩(wěn)定性，超大徑厚比的螺旋埋弧焊管成型穩(wěn)定性差，如何提高焊管成型的穩(wěn)定性將成為又一個(gè)挑戰(zhàn)。

某鋼廠提供兩卷Q345NS 熱軋卷板，卷板規(guī)格為12 mm×1 800 mm，用于耐硫酸露點(diǎn)腐蝕用Q345NS 螺旋焊管開發(fā)，鋼管規(guī)格Φ3 020 mm×12 mm。 筆者將從原材料、 焊接材料的選擇、 成型焊接工藝優(yōu)化、 鋼管力學(xué)性能以及耐硫酸露點(diǎn)腐蝕性能等方面對(duì)耐硫酸露點(diǎn)腐蝕用Q345NS 超大管徑螺旋埋弧焊管進(jìn)行介紹。

1 Q345NS熱軋卷板性能分析

耐硫酸露點(diǎn)腐蝕用鋼的使用環(huán)境惡劣，要想獲得優(yōu)良的耐蝕性能，主要取決于鋼的化學(xué)成分和金相組織。 化學(xué)成分和金相組織都能影響腐蝕速率，這些因素通過復(fù)雜的作用影響陽極和陰極的活化控制過程。

1.1 化學(xué)成分

在低合金鋼中，除了常規(guī)的五大元素 （C、Si、 Mn、 P、 S） 以外，能夠提高耐硫酸露點(diǎn)腐蝕性能的合金元素主要有 Cu、 Ni、 Cr、 Sn、 Sb、Ti、 W、 Mo、 B 等。 耐硫酸露點(diǎn)腐蝕用熱軋卷板的牌號(hào)為Q345NS，在板卷頭尾取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

表1 Q345NS 熱軋卷板的化學(xué)成分 %

為保證鋼的耐硫酸露點(diǎn)腐蝕性能，需考慮合金元素的特點(diǎn)并兼顧它們之間的交互作用，以合理的配比添加，同時(shí)應(yīng)保證其在板卷中的均勻分布。 在耐酸低合金鋼成分設(shè)計(jì)中重要的抗蝕合金元素主要是 Cu、 Cr、 Sb 等[3]。 Cu 對(duì)提高鋼的耐蝕性具有重要作用，Cu 易與鋼中的S結(jié)合，在鋼表面形成Cu2S 鈍化膜，從而可以抑制陽極和陰極的電化學(xué)反映。 Cr 能在鋼表面形成致密的氧化膜，提高鋼的鈍化能力。 Cu、 Cr復(fù)合加入，耐蝕效果更佳。 Sb 對(duì)提高鋼板的耐蝕性是有利的，尤其是硫酸腐蝕環(huán)境下，可以與Cu 在鋼表面形成Cu2Sb 薄膜抑制陰極反應(yīng)，但Sb 含量不能過高，因?yàn)镾b 含量較高會(huì)影響鋼的焊接性能，同時(shí)影響鑄坯質(zhì)量。 另外Cu、Sb 是低熔點(diǎn)元素，極易在晶界偏聚形成微裂紋，加入一定量的Ni 元素，Ni 與Cu 形成高熔點(diǎn)的Cu-Ni 復(fù)合相，減少微裂紋的產(chǎn)生。

1.2 顯微組織

對(duì)耐硫酸露點(diǎn)腐蝕用鋼來說，均勻細(xì)化的顯微組織對(duì)其耐腐蝕性能有較大影響。 鋼的金相組織的非均一性，諸如復(fù)相組織及其不均勻分布，均會(huì)導(dǎo)致鋼表面形成較大電位差，加快鋼的腐蝕。 同時(shí)，非金屬夾雜物的形態(tài)及分布、 帶狀組織及偏析也直接影響鋼的耐蝕性能[4]。 圖1 為Q345NS 卷板不同位置的顯微組織，由圖1 可見，其顯微組織為多邊形鐵素體+珠光體，晶粒均勻一致，晶界清晰，晶粒度級(jí)別為10.5 級(jí)。同時(shí)對(duì)卷板進(jìn)行多視域非金屬夾雜物觀察，鋼中僅存在D 類氧化物夾雜，級(jí)別為0.5 級(jí)；視場內(nèi)珠光體分布均勻，未見明顯條帶存在。

圖1 Q345NS 熱軋卷板不同位置的顯微組織

1.3 力學(xué)性能

Q345NS 板卷切頭 1 m 后，在板寬 1/2 處取橫向拉伸試樣，按照GB/T 228.1—2010 進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)，試樣采用全壁厚矩形試樣，試樣寬度25 mm；板寬1/4 處取橫向沖擊試樣，按照 GB/T 229—2007 進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，采用55 mm×10 mm×10 mm 全尺寸試樣；在板寬 1/4 處取橫向彎曲試樣，按照GB/T 232—2010 進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，試樣寬度24 mm，彎芯直徑36 mm。 具體試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 Q345NS 熱軋卷板力學(xué)性能

1.4 耐硫酸腐蝕性能

按照 GB/T 28907—2012[5]附錄 A 中規(guī)定的兩個(gè)試驗(yàn)條件進(jìn)行均勻腐蝕全浸試驗(yàn)： ①溫度20 ℃，硫酸濃度 20%，全浸 24 h；②溫度 70 ℃，硫酸濃度 50%，全浸 24 h，以 Q235B 鋼板作為對(duì)比試樣。 按照J(rèn)B/T 7901[6]中相關(guān)要求進(jìn)行試驗(yàn)，將試樣加工成 50 mm×10 mm× （2～5） mm的薄片，試樣最終表面采用120#水砂紙進(jìn)行研磨，每組試驗(yàn)3 個(gè)平行試樣，對(duì)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果見表3，均勻腐蝕全浸試驗(yàn)后的試樣形貌如圖2 所示。

表3 Q345NS 卷板耐硫酸腐蝕性能

圖2 均勻腐蝕全浸試驗(yàn)后母材試樣的形貌

2 焊接和成型工藝

2.1 焊接材料選擇

選擇焊接材料時(shí)應(yīng)在滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上盡量選用與母材化學(xué)成分相近的焊接材料[7]。 初步設(shè)想采用 H09CrCuSb （ND 鋼） 焊絲、 焊條，但該類焊接材料市場價(jià)格較高，不符合降低成本的焊接材料選用原則。 為進(jìn)一步尋求匹配焊材，同時(shí)保證一定的經(jīng)濟(jì)性，研制了Q345NS 鋼配套焊接材料。此次試制的4 種焊材的化學(xué)成分見表4～表7。

表4 牌號(hào)A 焊絲化學(xué)成分 %

表5 牌號(hào)B 焊劑熔敷金屬化學(xué)成分 %

表6 牌號(hào)C 氣保焊絲化學(xué)成分 %

表7 牌號(hào)D 焊條熔敷金屬化學(xué)成分 %

埋弧焊絲A、 氣體保護(hù)焊絲C 市場價(jià)格僅為H09CrCuSb （ND 鋼） 焊絲的 1/2，滿足降低成本的焊接材料選用原則。 焊條D 與母材Q345NS 的化學(xué)成分相近，有利于螺旋焊管缺陷補(bǔ)焊質(zhì)量。

2.2 焊管成型工藝

試制Q345NS 鋼管規(guī)格為 Φ3 020 mm×12 mm的螺旋埋弧焊鋼管，其徑厚比D/t 為252，屬于低鋼級(jí)、 大直徑超薄壁螺旋埋弧焊鋼管。 眾所周知，徑厚比過大的鋼管不可避免的會(huì)出現(xiàn)局部失穩(wěn)，從而導(dǎo)致成型過程中管徑、 橢圓度波動(dòng)幅度大，也容易產(chǎn)生錯(cuò)邊、 開縫缺陷，這對(duì)鋼管成型質(zhì)量造成了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。 現(xiàn)有螺旋埋弧焊管機(jī)組成型器采用外控方式 （見圖3），生產(chǎn)低鋼級(jí)超大徑厚比螺旋鋼管時(shí)，管坯中殘余周向應(yīng)力相對(duì)偏小甚至不足以抵消自重對(duì)管型的影響，會(huì)導(dǎo)致管型坍陷。 為解決上述問題，設(shè)計(jì)了在線內(nèi)撐輥裝置 （見圖4）。 通過設(shè)計(jì)加裝在線內(nèi)撐輥和錯(cuò)邊熨平輥裝置、 優(yōu)化1#、 3#輥開檔及包角參數(shù)、 調(diào)整2#輥壓下量及位置等方法，最終保證了成型的穩(wěn)定性[8]。

圖3 外控式成型器示意圖

圖4 在線內(nèi)撐輥裝置示意圖

優(yōu)化的成型工藝參數(shù)為： 先粗銑I 形坡口，然后精銑 X 形坡口，鈍邊 7.0～9.0 mm，上坡口角度 35°～40°，下坡口角度 40°～45°。 各成型輥參數(shù)設(shè)置為： 內(nèi)成型輥角度 79°10″，外成型輥角度 79°15″，1#輥包角 13°24″、 開襠 149.3 mm，3#輥包角 17°16″、 開襠 248.4 mm；根據(jù)卷板實(shí)物屈服強(qiáng)度水平調(diào)整2#輥壓下量。 開坡口的目的是保證板卷在焊接過程中能夠焊透，并提高焊接速度，改善焊縫形貌，減小焊接線能量，降低焊接殘余應(yīng)力和焊接熱輸入對(duì)焊接熱影響區(qū)組織和性能的影響，提高焊縫熱影響區(qū)的性能。 采用上述成型方式，精密測定控制各成型輥的位置和角度，確保鋼管成型后具有良好的圓度和低的殘余應(yīng)力。

2.3 焊接工藝

為保證焊接接頭的耐硫酸露點(diǎn)腐蝕性能，焊接時(shí)應(yīng)選用與母材化學(xué)成分相近的焊接材料。 同時(shí)焊接接頭的抗腐蝕性能主要在于焊接過程中的不均勻加熱，導(dǎo)致焊接接頭熱影響區(qū)晶粒組織粗大及成分偏析[9]，因此在焊接時(shí)宜選用小的焊接規(guī)范，嚴(yán)格控制焊接線能量，以保證焊接接頭耐蝕性能[10]。 本次試制采用雙絲串列埋弧自動(dòng)焊，優(yōu)化的焊接工藝見表8。

表8 優(yōu)化的內(nèi)外焊工藝參數(shù)

3 試制鋼管性能分析

3.1 化學(xué)成分

通過對(duì)試制鋼管管體和焊縫成分對(duì)比，焊縫化學(xué)成分與母材相近，確保了焊接接頭具有較高耐蝕性能。 具體的化學(xué)成分見表9。

表9 鋼管化學(xué)成分

3.2 顯微組織

試制鋼管金相顯微組織如圖5 所示。 由圖5可知，焊縫組織以針狀鐵素體和少量先共析鐵素體為主，熱區(qū)組織以粒狀貝氏體和鐵素體為主。針狀鐵素體組織非常細(xì)小，且鐵素體板條呈放射狀生長，板條間呈大角度晶界，并具有很高的位錯(cuò)密度，保證焊縫具有良好的強(qiáng)韌性；熱區(qū)中的粒狀貝氏體雖然韌性不如針狀鐵素體，但強(qiáng)度較高，保證焊接接頭具有良好的強(qiáng)度。

3.3 力學(xué)性能

圖5 鋼管產(chǎn)品金相顯微組織

Q345NS 螺旋焊管力學(xué)性能檢測結(jié)果見表10和表11。 按照 GB/T 228.1—2010 進(jìn)行管體橫向拉伸性能試驗(yàn)，取樣位置距焊縫180°；按照GB/T 2651—2008 進(jìn)行焊縫拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣采用全壁厚矩形試樣，試樣寬度25 mm。 按照GB/T 229—2007 進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，管體沖擊試樣取樣位置距焊縫90°，采用 55 mm×10 mm×10 mm 全尺寸試樣；按照 GB/T 2653—2008 進(jìn)行導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)，試樣寬度 38 mm，彎芯直徑96 mm。 管體及焊縫拉伸強(qiáng)度均能夠滿足產(chǎn)品技術(shù)要求，管體、 焊縫及熱影響區(qū)夏比沖擊試驗(yàn)韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別達(dá)到-50 ℃、 -30 ℃、-30 ℃ （見圖6），管體、 焊縫及熱區(qū)硬度值均小于170 HV10。 由此可見，該產(chǎn)品達(dá)到了良好的強(qiáng)韌性。

表10 試制鋼管拉伸性能檢測結(jié)果

表11 試制鋼管夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖6 管體、 焊縫及熱影響區(qū)夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.4 耐硫酸腐蝕性能

按GB/T 28907—2012 附錄A 中規(guī)定的兩個(gè)試驗(yàn)條件進(jìn)行均勻腐蝕全浸試驗(yàn)： ①溫度20 ℃，硫酸濃度 20%，全浸 24 h；②溫度70 ℃，硫酸濃度50%，全浸24 h，以Q235B 試樣作為對(duì)比試樣。按JB/T 7901 中相關(guān)要求進(jìn)行試驗(yàn)，將管體及焊縫試樣加工成 50 mm×10 mm×（2～5） mm 的薄片，試樣最終表面采用120#水砂紙進(jìn)行研磨，每組試驗(yàn)3 個(gè)平行試樣，分析所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果見表12，均勻腐蝕全浸試驗(yàn)后試樣形貌如圖7 所示。

表12 Q345NS 螺旋焊管的耐硫酸露點(diǎn)腐蝕性能

圖7 均勻腐蝕全浸試驗(yàn)后焊管試樣形貌

由表12 可見，與 Q235B 材質(zhì)相比，Q345NS螺旋焊管在兩種腐蝕試驗(yàn)條件下的耐硫酸露點(diǎn)腐蝕性能具有明顯的優(yōu)勢。

4 結(jié) 論

（1） 采用低 C、 低 S，添加 Cr、 Cu、 Sb 等合金元素和潔凈化冶煉、 控軋控冷工藝制造耐硫酸露點(diǎn)腐蝕用Q345NS 熱軋卷板，為保證鋼的耐硫酸露點(diǎn)腐蝕性能，需考慮合金元素的特點(diǎn)并兼顧它們之間的交互作用，以合理的配比添加，同時(shí)保證其在板卷中的均勻分布，在軋制過程中應(yīng)最大程度地細(xì)化晶粒并均勻組織。

（2） 基于外控與內(nèi)撐相結(jié)合的成型方式，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，選用耐酸性焊接材料，控制焊接熱輸入、 控制鋼管成型殘余應(yīng)力等，開發(fā)出了耐硫酸露點(diǎn)腐蝕用Q345NS 超大管徑螺旋埋弧焊管，該鋼管表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能和耐酸性能。