SA-387 Gr.11+410S堆焊工藝的選擇

朱志剛，潘勝東

（森松（江蘇）重工有限公司，江蘇 如皋 226532）

關(guān)鍵字：410S堆焊；H2S工況；熱處理；焊材；鐵素體FN含量；焊接工藝

SA-240 410S 為鐵素體不銹鋼，含碳量≤0.08%，主要合金元素為Cr（鐵素體形成元素），特點(diǎn)是具有良好的耐腐蝕性，特別是在氯化物介質(zhì)和氧化環(huán)境中具有較好的耐腐蝕性。另外由于材料價(jià)格較低，同時(shí)具有較好的焊接性，所以，410S 在壓力容器行業(yè)特別是石油化工行業(yè)中得到了廣泛運(yùn)用。

一臺國外產(chǎn)品（流化床催化裂化和氣體回收主要塔），塔體下半段材料為復(fù)合板SA-387 Gr.11 CL1+SA-240 410S，設(shè)計(jì)溫度525 ℃，工作溫度為382℃，濕H2S 工況，介質(zhì)為HC（碳?xì)浠衔铮?。尺寸?guī)格為I.D.4500× （83+3）t/I.D. 4 500× （88+4） t，按照ASME VⅢ DIV.1，2015ED 制造，產(chǎn)品如圖1 所示。

圖1 產(chǎn)品示意圖Fig.1 Product shetch

產(chǎn)品殼體為復(fù)合板，鍛件（接管法蘭和Y 型鍛件）以及連接焊縫（縱環(huán)縫）需要堆焊。SA-387 Gr.11 CL1 屬于1.25Cr-0.5Mo 鉻鉬鋼，由于材料本身的原因，在Cr-Mo 鋼上堆焊410S 既滿足Cr-Mo 鋼的焊接要點(diǎn)，也要對堆焊工藝等進(jìn)行分析和評定，使堆焊焊縫滿足抗腐蝕等要求（復(fù)層沒有強(qiáng)度要求）。

客戶要求按照API 582[1]和客戶規(guī)范（UOP 和GP）制作。按照API 582 規(guī)定，堆焊410S 的焊材可以選用奧氏體焊材，也可以選用鎳基焊材，但應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際工況考慮。對于堆焊耐蝕層，其化學(xué)成分應(yīng)與母材相近，母材及焊材成分見表1。因?yàn)殒嚮覆腘i%含量較高，具有較好耐高溫（主要是低溫韌性）和耐腐蝕，另外相對不銹鋼焊材也具有良好的可焊性，所以一般會優(yōu)先選用鎳基焊材。

通過化學(xué)成分對照可以看出，采用鎳基焊材匹配410S，Ni 的含量很高，這似乎成為許多情況下使用鎳基焊材的一個保證。然而由于產(chǎn)品介質(zhì)中富S，高溫工況容易導(dǎo)致硫化，硫化合物熱分解反應(yīng)產(chǎn)生H2S 和其他反應(yīng)性硫類化和物。根據(jù)API 571[6]中關(guān)于高溫下金屬灰化機(jī)理，金屬灰化是在高溫（482 ～ 816℃）導(dǎo)致在滲碳?xì)怏w和/或含碳和氫的工藝流體中發(fā)生的局部點(diǎn)蝕加速的一種滲碳形式，其產(chǎn)生的關(guān)鍵因素之一是在高鎳合金中，認(rèn)為金屬灰化發(fā)生，而沒有形成金屬碳化物。顯然高Ni 成分對于在高溫濕H2S 工況下有很強(qiáng)的點(diǎn)蝕加速作用。對比不銹鋼焊材309L 的Ni 含量12% ～ 14%和Ni 基焊材Ni 含量62%，不銹鋼Ni 含量更低，能避免高溫灰化，適合高溫工況下運(yùn)行。

表1 母材SA-240 410S 及焊材化學(xué)成分（單個值為最大值）對照表Table 1 Comparison of chemical composition between SA-240 410S and welding consumable（Max） %

另外，設(shè)備工況條件下容易產(chǎn)生高溫氫/硫化氫腐蝕（API 571[6]），硫化氫工藝流中氫的存在會增加在高于500 ℉ （260℃）左右的溫度下高溫硫化物腐蝕的嚴(yán)重度。不銹鋼及Ni 合金的抗硫化能力是由Cr 元素的含量決定的，而不是Ni 元素。關(guān)于Cr 元素含量在H2S 條件下與腐蝕的關(guān)系也可以從API 571中“腐蝕速率曲線”看出，較高Cr 元素含量能明顯降低腐蝕的速率。

對比不銹鋼焊材309L 的[Cr]≈22% ～ 25%和Ni基焊材[Cr]≈13% ～ 22%，顯然不銹鋼Cr 含量更高，抗氫/硫化氫腐蝕能力更強(qiáng)。在征得客戶同意后，決定410S 堆焊采用309L 焊材，這樣也節(jié)省了大量焊材成本。

根據(jù)API 582 中對Ni 基焊材使用溫度，對S 工況也是有限制的，ERNiCrMo-3/ENiCrFe-2 焊材在S工況最高使用溫度為 400 ℃，也是考慮了以上腐蝕的原因。實(shí)際上在許多石油化工設(shè)備中，對富硫和H2S 條件下對Ni 的含量是有嚴(yán)格限制的，一般選用Ni ≤1%的材料來降低腐蝕的產(chǎn)生。所以焊材的選用一定要結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際工況和介質(zhì)等因素確定，選擇正確的焊材。

產(chǎn)品材料為SA-387 Gr.11 CL1+SA-240 410S，H2S 工 況，焊 后 需 要 進(jìn) 行（690±14） ℃的 熱 處理，保溫時(shí)間按照1 h/in 英寸計(jì)算，產(chǎn)品需要（690±14） ℃×3.5 h 的熱處理。圖紙還要求堆焊焊縫有未經(jīng)稀釋至少3 mm （undiluted），所以產(chǎn)品堆焊的最小厚度為焊接評定（PQR）化分合格的厚度+3 mm，焊接評定化分合格線決定了產(chǎn)品的堆焊厚度，關(guān)系如圖2 所示。另外按照客戶要求，產(chǎn)品堆焊焊縫還要求做焊縫表面向下1.5 mm 的化分檢測。

圖2 堆焊焊縫化分位置與厚度關(guān)系Fig.2 Relation between chemical compositions of weld and thickness

另外按照客戶要求，為保證堆焊層的晶間腐蝕能力（針對奧氏體不銹鋼），要求過渡層（即第一層）在產(chǎn)品熱處理之前完成，其它耐蝕焊層在熱處理之后進(jìn)行，這樣可以避免PWHT 對不銹鋼焊縫耐蝕能力的影響。但是對于產(chǎn)品制造而言，這樣的焊接順序是不現(xiàn)實(shí)的，例如接管法蘭和筒體組裝后內(nèi)壁耐蝕層無法再進(jìn)行堆焊了，只能整體堆焊完進(jìn)行組裝和熱處理。經(jīng)過和客戶協(xié)商，同意所有堆焊層結(jié)束后進(jìn)行熱處理，但是堆焊焊接工藝評定（PQR）需滿足3 個循環(huán)的熱處理（即690℃×10.5 h 的熱處理）。

根據(jù)產(chǎn)品堆焊需要確定了GTAW，SMAW，ESW，ESW+GTAW 焊接方法，以此焊接方法進(jìn)行焊接工藝評定試驗(yàn)。在各種工藝方法試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)SMAW 的E309L-16 焊條（不同廠家）焊接試樣在經(jīng)過規(guī)定的PWHT 后，彎曲試驗(yàn)試樣彎曲面大都開裂，表現(xiàn)不合格。這說明焊縫塑性差，不能滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。那么什么原因使得焊縫開裂了呢？

不銹鋼焊條SFA-5.4 E309L-16 未經(jīng)稀釋的化學(xué)成分見表1。由表1 可知，E309L-16 焊材的Cr 含量為22.0% ～25.0%，Cr 元素含量偏高，Cr 元素是鐵素體強(qiáng)化元素，是形成金屬化合物的重要成分。鐵素體含量與Cr 之間的關(guān)系參照WRC—1992 圖[4]，如圖3 所示，可以看出Creq， Nieq當(dāng)量與FN 的關(guān)系，按照E309L-16 焊材各元素的平均含量計(jì)算，鉻當(dāng)量Creq≈22.8，鎳當(dāng)量Nieq≈13.8，可以得出鐵素體含量FN ≈13（目前廠家生產(chǎn)的不銹鋼焊材一般情況下FN＞10）。

一般來說，不銹鋼會在425 ～ 550 ℃之間形成475 ℃敏化效應(yīng)。但是對于Cr 含量較高的不銹鋼焊縫在經(jīng)歷690℃×10.5 h 的熱處理后是否會產(chǎn)生脆化組織么？對于309L 焊材的適用溫度范圍，API 582 中僅對于奧氏體與低合金鋼強(qiáng)度焊時(shí)，設(shè)計(jì)溫度≤315℃，主要是因?yàn)椴牧吓蛎浵禂?shù)不同。根據(jù)《不銹鋼焊接冶金學(xué)及焊接性》[7]研究，對于Cr 含量20% ～ 70%的鐵素體不銹鋼在500 ～800 ℃經(jīng)歷較長時(shí)間（幾個小時(shí)）時(shí)，會析出脆性相σ（Fe，Cr 化合物），即中溫脆化（ITE），而且隨著Cr 含量增加和溫度提高，形成σ 也越快，見Cr 含量對于593 ℃和649 ℃時(shí)形成σ 相臨界時(shí)間曲線[7]，如圖3 所示。

圖3 鉻含量對于在593℃和649℃ （1 100 ℉和1 200 ℉）時(shí)形成σ 相所需臨界的影響Fig.3 Influence of chromium content on the critical time required to form σ phase at 593 ℃ and 649 ℃ (1 100 ℉ and 1 200 ℉)

為保證不銹鋼的耐蝕性和塑性，在產(chǎn)品制造和運(yùn)行過程中會盡力避免不銹鋼材料經(jīng)歷400 ～ 800 ℃的熱加工和熱過程，但是很多時(shí)候是無法避免的，比如復(fù)合板爆炸后的熱處理以及產(chǎn)品必要的熱處理。對于在SA-387 Gr.11 CL1 堆焊410S（309L 焊材），焊縫在經(jīng)歷690 ℃×10.5 h 熱處理后，是否產(chǎn)生了脆性相呢？彎曲試驗(yàn)開裂是否是這個原因呢？對2 個廠家的普通E309L-16 焊材進(jìn)行堆焊試驗(yàn)，焊態(tài)和熱處理?xiàng)l件下的金相照片見表2。

表2 E309L-16 焊縫金屬金相對比Table 2 Metallographic comparison of weld metal of E309L-16

可以看出，E309L-16 焊縫熱處理后鐵素體邊界有明顯的析出相出現(xiàn)，析出相一般是Fe、Cr化合物M23C6。這些脆化組織的析出導(dǎo)致了宏觀塑性的降低。可以確定309L 焊縫金屬經(jīng)過（690±14）℃×10.5 h 的熱處理后析出了脆性組織，使得焊縫塑性變差。

普通的309L 焊材很少用于690 ℃×10.5 h 的熱處理?xiàng)l件，焊材廠家生產(chǎn)的普通焊材僅滿足標(biāo)準(zhǔn)，鐵素體含量FN ＞10。鐵素體的提高（包括C%）顯然增加了焊縫在長時(shí)間熱處理或高溫工況下的脆化，對于在Cr-Mo 鋼堆焊309L 焊材，熱處理和高溫條件運(yùn)行是不可避免的。為減少或消除309L 焊縫在熱處理?xiàng)l件下的脆化，必須降低焊材的鐵素體FN 和C 含量。在與焊材廠家交流后，廠家重新調(diào)整了焊材配方，焊材鐵素體含量調(diào)整為FN ≤8.0（焊態(tài)）。這樣采用鐵素體較低的焊材試樣經(jīng)彎曲試驗(yàn)后，沒有開裂，焊材滿足了要求。關(guān)于不銹鋼焊材在熱處理或高溫條件服役的鐵素體FN 含量要求，在API 582 中也有要求。

所以對經(jīng)過熱處理?xiàng)l件或高溫條件服役下的不銹鋼焊材，除了滿足腐蝕要求外，控制鐵素體含量FN 才能滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。雖然如此，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)同樣焊接方法，同樣鐵素體含量的焊材也會因自動化程度等工藝條件不同而不同，塑性表現(xiàn)也不一致。例如同樣鐵素體含量的ER309L 焊絲，采用GTAW堆焊（Ar 保護(hù)），手工GTAW 堆焊焊縫彎曲試驗(yàn)開裂，而機(jī)械方法GTAW 堆焊焊縫彎曲試驗(yàn)合格。這說明焊縫的塑性還與自動化程度等工藝條件有關(guān)。至于手工GTAW 堆焊不合格的原因，可能是手工焊電弧長度較短降低了空氣中N2的吸入導(dǎo)致了鐵素體的增加（自動焊電弧長度較長）。

對手工氬弧焊來說，進(jìn)一步降低焊縫中的鐵素體含量顯然是避免焊縫經(jīng)PWHT 后脆化的一個途徑，通過在保護(hù)氣中加入少量N2，采用混合保護(hù)氣體（Ar + N2），進(jìn)一步降低焊縫鐵素體含量（低至0）。通過試驗(yàn)表明，加入一定比例N2可以迅速降低鐵素體從而保證塑性是行之有效的方法。在不銹鋼中組織中鐵素體的存在被認(rèn)為是對某些介質(zhì)的耐腐蝕性有不利影響，對低溫和高溫韌性也是不利的（見SFA 5.9 A7.1[8]），鐵素體的存在不是必不可少的。

在SA-387 Gr.11 CL1 堆焊410S 除了滿足塑性要求，如何確定焊縫的化學(xué)成分合格標(biāo)準(zhǔn)（未經(jīng)稀釋的）呢？一般情況下，除了埋弧焊（ESW）外，GTAW和SMAW 堆焊焊縫的化學(xué)成分合格值以焊材或母材標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)。從焊材309L 與復(fù)層410S 材料成分比較（見表1《母材SA-240 4110S 及焊材化學(xué)成分》）可知，堆焊后的Ni，Cr 是無法滿足SA-240 410S 要求的，在與客戶協(xié)商后客戶同意化學(xué)成分按照C ≤0.08%、Cr ≥11.5%進(jìn)行驗(yàn)收。

在確定了堆焊焊材和化分驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)后，根據(jù)產(chǎn)品焊縫不同焊接方法分別進(jìn)行了評定和試驗(yàn)，產(chǎn)品堆焊工藝和堆焊厚度見表3。

表3 SA-387 Gr.11 410S 堆焊焊接工藝一覽表Table 3 List of SA-387 Gr.11 410S overlaying procedure

由于產(chǎn)品基層為SA-387 Gr.11 CL1， 屬于1.25Cr-0.5Mo 鉻鉬鋼，材料具有淬硬傾向，堆焊過程容易產(chǎn)生冷裂紋。所以在Cr-Mo 鋼上堆焊除了滿足耐蝕性和塑性性外，還必須遵循Cr-Mo鋼的焊接特點(diǎn)，焊前采取預(yù)熱，焊后及時(shí)消氫或中間熱處理等措施，防止焊后應(yīng)力集中和焊縫開裂。

結(jié)論

通過對鎳基和不銹鋼焊材的試驗(yàn)和分析，選擇不銹鋼309L 焊材作為410S 在H2S 高溫工況耐蝕焊材。由于不銹鋼焊材在高溫和熱處理?xiàng)l件下產(chǎn)生脆化，應(yīng)嚴(yán)格控制焊縫鐵素體含量[FN ≤8.0（焊態(tài)）]。根據(jù)不同部件焊接方法進(jìn)行工藝評定，并和客戶確定化分驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，以此確定產(chǎn)品堆焊厚度和焊接工藝，滿足了410S 耐蝕焊縫的堆焊要求。合金光填充絲和焊絲標(biāo)準(zhǔn)[S].