國產(chǎn)超級奧氏體不銹鋼SB-690 N08367換熱管與管板的焊接研究

張凱翔，張建曉，尤秀美，陶彥文，王叢元

(1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，蘭州 730314；2.甘肅省壓力容器特種材料焊接重點實驗室，蘭州 730314)

0 引言

隨著我國能源市場需求量的激增，石油化工、電廠電站等行業(yè)的發(fā)展十分迅猛，石油化工中的油罐和管道、電廠電站中的煙氣脫硫等腐蝕環(huán)境均需要大量耐腐蝕金屬材料；同時由于裝置的大型化，對設(shè)備的耐腐蝕要求和使用壽命都提出了更高的要求，普通的奧氏體不銹鋼已無法滿足工況的要求，因此采用Cr,Ni,Mo等合金含量更高的超級奧氏體不銹鋼以適應(yīng)各種酸性、堿性及其他苛刻環(huán)境顯得尤為必要。

SB-690 N08367是低碳高純氮超級奧氏體不銹鋼，Cr,Ni,Mo含量較高，其中Mo含量達到6%～7%，使其具有優(yōu)異的耐氯離子點蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能，它的屬性使其在酸或堿性環(huán)境下都表現(xiàn)出良好的性能[1-5]。

國產(chǎn)及進口SB-690 N08367換熱管的化學(xué)成分、力學(xué)性能、晶粒度、腐蝕試驗等對比分別如表1,2所示。從表1可以看出，SB-690 N08367鋼中Cr,Ni,Mo含量明顯高于GB/T 24511—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》中的304L,316L和317L不銹鋼[6]。與普通的18Cr-8Ni奧氏體不銹鋼相比，SB-690 N08367增加了抗腐蝕元素的含量。從表2中可以看出，國產(chǎn)及進口SB-690 N08367換熱管各方面性能基本相當。

表1 超級奧氏體不銹鋼換熱管SB-690 N08367的化學(xué)成分

表2 超級奧氏體不銹鋼換熱管SB-690 N08367的性能試驗

1 超級奧氏體不銹鋼的焊接特點

SB-690 N08367具有較好的韌性、塑性，焊接時不會發(fā)生淬火硬化，其線膨脹系數(shù)比碳鋼大，焊接過程中有很大的塑性應(yīng)力[7-8]，帶來以下焊接性的問題：一是焊接熱裂紋，這與超級奧氏體不銹鋼的晶界特性和對某些微量雜質(zhì)如S,P等敏感有關(guān)；二是焊接變形大。

因此，對于SB-690 N08367的焊接，應(yīng)嚴格控制母材中的S,P等有害元素[10]，選用低S,P含量的焊材，為了獲得與母材較為接近的腐蝕性能，需要選用高Mo合金的焊材，綜合考慮，焊接材料選用NiCrMo-3和NiCrMo-4的鎳基合金焊材[11]。

2 模擬管板堆焊試驗

模擬管板選用Q345R分別堆焊ENiCrMo-3(試板1)和ENiCrMo-4(試板2)，規(guī)格350 mm×240 mm×δ40 mm，堆焊層厚度8 mm，其中2塊進行力學(xué)性能檢測、腐蝕試驗[12]等；另外2塊用于模擬管板(管板分別堆焊ENiCrMo-3和ENiCrMo-4)+國產(chǎn)換熱管(規(guī)格?25 mm×2.0 mm)的焊接試驗。

2.1 焊接工藝參數(shù)

模擬管板堆焊的焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表3 模擬管板堆焊參數(shù)

2.2 焊接試驗過程

圖1示出試板焊前打磨清理及預(yù)熱處理，圖2示出試板堆焊的情況。

圖1 試板打磨清理及預(yù)熱處理情況

圖2 試板焊接現(xiàn)場

2.3 外觀檢查及無損檢測

焊后對試板進行外觀檢查，表面堆焊焊道成形良好，焊道與焊道搭接處無咬邊等缺陷，并按NB/T 47013—2015標準Ⅰ級要求對焊縫表面進行100%UT和100%PT檢測，結(jié)果均合格。

2.4 熱處理工藝及檢測項目

試板堆焊后進行去應(yīng)力退火，并對試板進行性能檢測，具體見表4。

表4 熱處理工藝及檢測項目

2.5 堆焊試板理化性能檢測

(1)堆焊層化學(xué)成分。

解決對策：在持續(xù)高溫干旱季節(jié)除袋，尤其是供應(yīng)雙節(jié)市場的套袋蘋果，有條件的可在除袋前后灌1次小水（滲灌），有利于減少日灼病和促進果實著色。無灌水條件的果園，每天傍晚5∶00—8∶00或間隔1天噴清水，噴時最好加益微1 500～2 000倍液或眾望所歸納米水溶硅800～1 000倍液或天達2116或肽神800～1 000倍液，以利增加果面光潔度，除銹、上蠟、增色，二來降低溫度，增加濕度，防日灼，保持比較穩(wěn)定的土壤濕度和空氣溫度，加大晝夜溫差，堅持5～7天，直到降溫，或再結(jié)合涂干（探路先鋒或CA2000果氨寶氨基酸+天達2116或海之寶），對防日灼和增加全紅果比率有一定作用。

根據(jù)GB/T 14203—2016《火花放電原子發(fā)射光譜分析法》對堆焊層進行化學(xué)成分分析，見表5，結(jié)果符合標準要求。

表5 堆焊層化學(xué)成分

(2)力學(xué)性能檢測。

按GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》對試板1，2取樣進行力學(xué)性能檢測，結(jié)果均合格，見表6。圖3，4分別示出大、小側(cè)彎試樣。

表6 模擬管板的力學(xué)性能檢測

圖3 大、小側(cè)彎試樣(試板1)

圖4 大、小側(cè)彎試樣(試板2)

(3)宏觀檢查。

試樣經(jīng)酸蝕后，檢查所有受檢面，均未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合、夾渣等焊接缺陷，如圖5，6所示。

圖5 宏觀檢查試樣(試板1)

圖6 宏觀檢查試樣(試板2)

(4)金相組織及硬度。

按GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》和GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗》對試板1，2取樣進行金相組織及硬度檢測，結(jié)果符合標準要求，具體見表7，金相組織照片如圖7，8所示。

表7 模擬管板的金相組織及硬度

圖7 堆焊層金相組織(試板1)

圖8 堆焊層金相組織(試板2)

(5)腐蝕試驗。

按ASTM G28—2002《鍛制高鎳鉻軸承合金晶間腐蝕敏感性檢測的標準試驗方法》和GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》分別對試板1,2取樣進行腐蝕試驗，結(jié)果見表8，均滿足要求。

表8 模擬管板的腐蝕試驗

3 模擬管板與換熱管焊接試驗

3.1 試板制備

將上述堆焊完成的試板1(Q345R+ENiCrMo-3)、試板2(Q345R+ENiCrMo-4)作為模擬管板進行試驗。換熱管牌號：SB-690 N08367(規(guī)格為?25 mm×2.0 mm)。

圖9 管孔加工結(jié)構(gòu)示意

將上述試板1，2堆焊層加工平整，保證堆焊層的厚度為8 mm，先按照圖9所示加工成模擬管板，再按照圖10進行換熱管+管板的焊接。焊材分別選用國產(chǎn) ERNiCrMo-3(?2.0 mm)和ERNiCrMo-4(?2.0 mm)，焊接工藝參數(shù)按表9執(zhí)行。

圖10 換熱管與管板連接結(jié)構(gòu)示意

表9 模擬換熱管+管板的焊接工藝參數(shù)

3.2 外觀檢查及無損檢測

焊后對試板進行外觀檢測，焊縫表面成形良好，焊道與焊道搭接處無咬邊等缺陷，并按照NB/T 47013—2015標準Ⅰ級要求對焊縫表面進行100%PT檢測，結(jié)論合格。

3.3 理化性能檢測

(1)宏觀檢查。按NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》中的附錄D對試板1，2取樣進行宏觀檢查及角焊縫厚度測量，試樣1，2經(jīng)酸蝕后檢查受檢面，均未發(fā)現(xiàn)裂紋，未熔合等焊接缺陷，均滿足要求，圖11示出了宏觀檢查試樣。

圖11 試板1，2宏觀檢查

(2)硬度檢測及角焊縫厚度測量。按GB/T 4340.1—2009和NB/T 47014—2011附錄D對試板1，2取樣進行硬度檢測及角焊縫厚度測量，結(jié)果見表10，均滿足要求。

表10 試件的硬度檢測及角焊縫厚度測量結(jié)果

4 結(jié)語

(1)從進口超級奧氏體不銹鋼換熱管的ASME SB-690標準與國產(chǎn)超級奧氏體不銹鋼換熱管SB-690 N08367的技術(shù)條件上可以看出，兩者之間化學(xué)成分、力學(xué)性能、晶粒度、硬度及晶間腐蝕基本相當，國產(chǎn)換熱管可以代替進口換熱管用于生產(chǎn)。

(2)SB-690 N08367換熱管的焊材選用ENiCrMo-3和ENiCrMo-4均能滿足技術(shù)條件要求。

(3)通過對國產(chǎn)超級奧氏體不銹鋼SB-690 N08367焊接試板進行化學(xué)成分、力學(xué)性能、腐蝕性能等檢測，結(jié)果表明，國產(chǎn)超級奧氏體不銹鋼換熱管SB-690 N08367的各項性能均滿足標準和技術(shù)條件要求，證明所選用的焊接材料、焊接工藝正確合理，使得采用國產(chǎn)超級奧氏體不銹鋼換熱管代替進口超級奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼、鎳基合金等換熱管的應(yīng)用成為現(xiàn)實，降低了設(shè)備采購成本，最大限度地提高了設(shè)備使用的安全性和可靠性。

(4)該試驗結(jié)果已應(yīng)用于某公司煉化一體化項目上，設(shè)備已運行約兩年，用戶反饋運行狀態(tài)良好。