淺談S32750 雙相不銹鋼的焊接工藝和耐腐蝕性能

金錦榮

中石化寧波工程有限公司 浙江寧波 315103

雙相不銹鋼是不銹鋼的一個(gè)重要分支，一般是指在固溶組織中奧氏體相與鐵素體相各占一定含量，且較小相含量至少30%的不銹鋼。由于其為一種混合顯微組織，按照相平衡原理，可以設(shè)計(jì)生產(chǎn)成不同相比例的鋼種，滿足不同的材料性能要求。雙相不銹鋼的物理性能介于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間，具有較高的強(qiáng)度，可以減輕工件重量，同時(shí)具有比奧氏體不銹更良好的耐腐蝕性，在工程上也易加工制造。所以，雙相不銹鋼在石油化工設(shè)備和工藝管道工程中被廣泛使用。

雙相鋼不銹鋼的制造工藝一直在發(fā)展，按照其合金成分含量的不同，在石化工程領(lǐng)域主要使用22Cr- 5Ni 型（UNS 標(biāo) 號 為S31083/ S32205， 對 應(yīng) 國 標(biāo) 代 號 為S22253/ S22053）和25Cr- 7Ni 型（UNS 標(biāo)號為 S32750，對應(yīng)國標(biāo)代號為S25073）兩大種類[1]。其中，22Cr- 5Ni 型是主要的雙相不銹鋼鋼種，約占雙相不銹鋼鋼總量的一半以上，廣泛應(yīng)用于煉油化工設(shè)備（如常減壓裝置）、油氣輸送管道、甲醇合成反應(yīng)器等工程項(xiàng)目，在焊接施工中可采用的焊接方法與焊材種類也較多，焊接工藝相對成熟。25Cr- 7Ni 型雙相不銹鋼主要應(yīng)用在工業(yè)用水及海水熱交換器、尿素高壓設(shè)備及脫鹽淡化設(shè)備等裝置，其鋼材大多來自進(jìn)口，焊接材料及焊接工藝還沒有完全標(biāo)準(zhǔn)化，目前可選擇的焊接材料也有限，有些焊接工藝與措施產(chǎn)生的效果有待驗(yàn)證。因此，在實(shí)際施工中，25Cr- 7Ni 型雙相不銹鋼的焊接工藝還需要開發(fā)與調(diào)整。

1 項(xiàng)目概況

某石化項(xiàng)目氣化裝置的酸性水介質(zhì)管道，設(shè)計(jì)溫度288℃、設(shè)計(jì)壓力7.59MPa，管道材質(zhì)選用S32750 雙相不銹鋼（屬于25Cr- 7Ni 型雙相不銹鋼），管道規(guī)格219×8.18。該項(xiàng)目所采購的S32750 雙相不銹鋼管道是焊接管，卷制所采用的鋼板為日本新日鐵公司產(chǎn)品，由常州一家管道成套件公司采用PAW、GTAW 工藝制造。

S32750 雙相不銹鋼屬于高合金型的鋼種，焊接時(shí)容易氧化，原始鋼板的化學(xué)成分見表1。從保證焊縫質(zhì)量、施工的效率等方面來考慮，GTAW 焊接方法中氬氣有較好的保護(hù)作用，熔池的冶金反應(yīng)容易控制，易實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型，從而獲得高質(zhì)量的焊縫。因此，結(jié)合項(xiàng)目技術(shù)條件中有較高韌性的要求，針對壁厚在8～10mm 范圍的管道，項(xiàng)目施工優(yōu)先選擇全GTAW 工藝焊接。

表1 S32750 鋼板的化學(xué)成分 %

根據(jù)與母材化學(xué)成分、力學(xué)性能指標(biāo)相匹配的原理，焊材選用時(shí)須保證焊縫金屬力學(xué)性能高于或等于母材規(guī)定限值?？紤]到國外焊接材料的采購周期相對比較長，焊接試驗(yàn)采用的焊絲為國內(nèi)一家專業(yè)焊材廠的產(chǎn)品，焊絲牌號為GTS- 2594，批號B1S147T ，其化學(xué)成分見表2。比較母材與焊絲主要元素的含量，焊絲的Ni 含量比母材高2%左右，N 含量與母材相近，這也是含氮雙相不銹鋼選用焊材的經(jīng)驗(yàn)做法。

表2 GTS- 2594（ER2594 型）焊絲化學(xué)成分 %

雖然雙相不銹鋼的強(qiáng)度比較高，機(jī)械加工難于一般的奧氏體不銹鋼，但在生產(chǎn)實(shí)踐中為保證管道的組對質(zhì)量，坡口的加工宜采用機(jī)械法。根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場管道的實(shí)際厚度，采用的坡口形式及尺寸如圖1 所示，且坡口的表面不能有裂紋、分層等缺陷。

圖1 坡口形式和尺寸

2 焊接工藝與性能試驗(yàn)

2.1 焊接工藝

管件組對前，清理坡口面及兩側(cè)母材表面20mm 范圍內(nèi)的氧化物、油污、熔渣及其他有害物。焊接采用直流正接法，管件的焊接工藝參數(shù)見表3，表中的焊接參數(shù)與焊材廠家推薦的工藝參數(shù)相近。

表3 管件的焊接工藝參數(shù)

管件施焊過程中，正面焊槍氬氣流量保持在10～12L/ min，焊縫背面需進(jìn)行充氬保護(hù)，流量控制在8～10L/ min。在焊接時(shí)保持微正壓狀態(tài)，至少焊接兩層方可停止背面氣體保護(hù)，防止管道背面焊縫金屬被氧化，道間溫度≤150℃。

2.2 焊接接頭的力學(xué)性能試驗(yàn)

焊接后的試件經(jīng)外觀檢查合格后，按NB/ T47013 進(jìn)行射線檢驗(yàn)，Ⅱ級為合格。射線檢測合格的試件，依照NB/ 47014 等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求加工試樣，然后進(jìn)行力學(xué)性能及腐蝕率測定等試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)分別執(zhí)行GB/ T228、GB/ T2653 和GB/ T229 相關(guān)要求。焊接接頭的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表4，由表可見，拉伸、彎曲試驗(yàn)全部合格，但低溫沖擊值不合格。

表4 焊接接頭的力學(xué)性能試驗(yàn)值

2.3 焊接接頭的腐蝕試驗(yàn)

腐蝕試驗(yàn)按ASTM 983 方法C 進(jìn)行，這是用來檢驗(yàn)雙相不銹鋼發(fā)生點(diǎn)腐蝕的試驗(yàn)方法，試樣規(guī)格、數(shù)量與腐蝕率見表5。點(diǎn)腐蝕一般是應(yīng)力腐蝕的起始部位，是對雙相不銹鋼性能最有害的腐蝕類型之一[2]。

表5 腐蝕試驗(yàn)參數(shù)與腐蝕率

3 調(diào)整焊接工藝后的試驗(yàn)

考慮到?jīng)_擊韌性和腐蝕率是考核雙相不銹鋼焊接接頭的重要性能指標(biāo)，為獲得最佳的焊縫金屬性能，一般認(rèn)為較大的焊接熱輸入量會使焊縫金屬組織晶粒長大，降低焊接金屬低溫下的韌性。所以，調(diào)整焊接工藝參數(shù)，采用小工藝規(guī)范重新焊接管件，熱輸入量控制在7500～14000J/ cm，同時(shí)降低道間溫度50℃，每層的道間溫度≤100℃，防止焊縫金屬、熱影響區(qū)在高溫下停留時(shí)間過長。為避免焊縫金屬過快冷卻，導(dǎo)致有害相析出，不建議采用下限的熱輸入量。其余焊接工藝參數(shù)不變，針對低溫沖擊、腐蝕試驗(yàn)等兩個(gè)不合格項(xiàng)再次焊接管件進(jìn)行試驗(yàn)。

管件焊縫經(jīng)射線檢測合格后，進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)、氯化鐵點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果見表6。由表可見，沖擊韌性和腐蝕率仍然不合格。

表6 焊接接頭的低溫沖擊值與腐蝕率

雙相不銹鋼由于奧氏體相的作用，一般具有較好的韌性，但也具有奧氏體不銹鋼存在的σ 相脆性、475℃脆性的特點(diǎn)。σ 相是一種Fe- Cr 化合物，硬且脆，475℃脆性一般發(fā)生在鐵素體含量較高的焊縫內(nèi)。雙相不銹鋼中Cr 是強(qiáng)烈形成和穩(wěn)定鐵素體的元素，Mo 是鐵素體的形成元素，Cr、Mo 還能促進(jìn)σ 相析出。因此，S32750 雙相不銹鋼中Cr、Mo 元素的增加，會使其脆化性比22Cr- 5Ni 型雙相鋼大。從表6 中的沖擊試驗(yàn)值可以看出，S32750 雙相不銹鋼焊縫金屬的沖擊值比熱影響區(qū)下降得快，所以控制雙相不銹鋼焊材中的合金成分很重要。

在兩個(gè)不合格項(xiàng)目重新試驗(yàn)的同時(shí)，對焊縫金屬進(jìn)行鐵素體含量與非金屬夾雜物檢驗(yàn)。鐵素體含量檢驗(yàn)按GB/ T1954 金相法，測得焊縫鐵素體含量為40.25%，符合施工技術(shù)文件中鐵素體35%～55%的要求。

非金屬夾雜物依據(jù)ASTM E45 標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)重視野法進(jìn)行檢驗(yàn)，焊縫金屬夾雜物類型[4]與評級結(jié)果見表7?？梢?，評級結(jié)果符合施工技術(shù)文件B≤2.0 級、D≤1.5 級且A+B+C+D≤5 的要求。非金屬夾雜物的組成和分布對點(diǎn)腐蝕有較大影響，硫化物類夾雜物是形成點(diǎn)腐蝕最敏感的部位[5]。本次檢驗(yàn)的焊縫金屬中沒有發(fā)現(xiàn)硫化物類夾雜物。

表7 焊縫金屬夾雜物類型與評級

4 耐腐蝕性能試驗(yàn)

雙相不銹鋼耐腐蝕能力主要取決于合金元素的作用，在氯化物環(huán)境中影響點(diǎn)腐蝕的主要合金元素是Cr、Mo和N。合金元素與腐蝕性能之間的關(guān)系可采用抗點(diǎn)腐蝕當(dāng)量描述，抗點(diǎn)腐蝕當(dāng)量表示雙相不銹鋼耐腐蝕的等級，數(shù)字越大代表耐腐蝕性越好。當(dāng)雙相不銹鋼鋼含≥25%Cr、≥3.5%Mo、≥0.02%N 時(shí)，抗點(diǎn)腐蝕當(dāng)量可增加到40以上，S32750 管材的抗點(diǎn)腐蝕當(dāng)量≥41[6]。

在本項(xiàng)目的施工案例中，S32750 母材的抗點(diǎn)腐蝕當(dāng)量 為：PREN=% Cr+3.3% Mo+16% N=25.03+3.3 ×4.15+16×0.26=42.9；GTS- 2594 焊絲的抗點(diǎn)腐蝕當(dāng)量為：PREN=%Cr+3.3%Mo+16%N=24.83+3.3×4.01+16×0.24=41.9。對焊絲GTS- 2594 按AWS A5.9 中相關(guān)條款進(jìn)行化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)，測得焊絲的合金成分，其中Cr、Mo、N 分別為24.99%、3.98%、0.20%。由此，計(jì)算S- 2594 焊絲的實(shí)際抗點(diǎn)腐蝕當(dāng)量：PREN=%Cr+3.3%Mo+16%N=24.99+3.3×3.98+16×0.20=41.342。

從焊絲復(fù)驗(yàn)結(jié)果可知，國內(nèi)某焊材廠家生產(chǎn)的S32750 雙相不銹鋼焊絲抗點(diǎn)腐蝕當(dāng)量低于母材，在焊接熱循環(huán)作用下，焊絲合金元素會出現(xiàn)氧化燒損，焊接后焊縫中的合金含量與抗點(diǎn)腐蝕當(dāng)量還將降低。因此，在焊接狀態(tài)下，該焊接接頭的耐腐蝕性能會減弱，影響焊縫金屬在介質(zhì)中的腐蝕率。按焊材復(fù)驗(yàn)要求在板狀試塊上堆焊熔敷金屬，對GTS- 259 焊絲的熔敷金屬按ASTM 983 C法進(jìn)行腐蝕性試驗(yàn)，腐蝕試樣規(guī)格50mm×15mm×15mm，測得焊絲熔敷金屬腐蝕率為537.89、760.63mdd，屬于超標(biāo)。焊絲熔敷金屬的點(diǎn)腐蝕試樣及腐蝕部位見圖2所示。

圖2 腐蝕試樣及點(diǎn)腐蝕部位

在本次S32750 雙相不銹鋼焊接試驗(yàn)期間，筆者走訪了提供這兩次試驗(yàn)焊材的國內(nèi)某焊材廠。據(jù)了解，這批焊材采用的焊芯為法國一家品牌鎳基鋼絲廠的產(chǎn)品，在焊材廠國內(nèi)生產(chǎn)基地拔絲加工而成。焊材生產(chǎn)廠得知本試驗(yàn)過程中兩次腐蝕率不合格，當(dāng)即對該批次焊材進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。復(fù)驗(yàn)按焊材標(biāo)準(zhǔn)中的第三方仲裁試驗(yàn)法進(jìn)行，測得的腐蝕率為150mdd，同樣為不合格。事后廠家承認(rèn)該批次的焊材在出廠前沒有按批號進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，提供給我們的焊材質(zhì)量證明文件書中的腐蝕率是以往焊材試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

4.1 重新選擇焊材牌號

由于S32750 雙相不銹鋼沒有2205 型雙相不銹鋼應(yīng)用廣泛，目前國內(nèi)焊材的生產(chǎn)還沒標(biāo)準(zhǔn)化，能提供相應(yīng)焊材牌號的焊絲廠家有限。因此，進(jìn)行第三次焊接試驗(yàn)時(shí)，選擇從事雙相鋼焊材開發(fā)比較早的某歐洲焊材公司研制的焊材，焊絲牌號為AVESTA2507，批號103377，其化學(xué)成分見表8，抗點(diǎn)腐蝕當(dāng)量：PREN=%Cr+3.3%Mo+16%N=25.22+3.3×4.02+16×0.24=42.326。

表8 AVESTA 2507（ER2594 型）焊絲化學(xué)成分 %

焊接試件時(shí)，采用GTAW 的工藝基本與第二次試驗(yàn)相同，僅調(diào)整保護(hù)氣體氬氣的純度，氬氣含量為99.999%。第三次焊接試驗(yàn)的低溫沖擊值與腐蝕率見表9?？梢?，沖擊試驗(yàn)結(jié)果符合指標(biāo)要求，腐蝕率仍為不合格，同時(shí)測得該焊縫金屬的鐵素體含量41.6%，熱影響區(qū)鐵素體含量51.2%。

表9 焊接接頭的低溫沖擊值與腐蝕率

4.2 改變?nèi)酆媳?，減少填充金屬量

本項(xiàng)目的S32750 雙相不銹鋼管道是采用新日鐵公司的鋼板焊制而成，卷制焊接前，測得原始鋼板的腐蝕率為0.02798mdd，耐腐蝕性能符合要求。但在焊態(tài)下，由于雙相不銹鋼焊縫金屬為鑄狀組織，合金成分的稀釋與組織具有不均性，在多道焊接時(shí)，疊加熱循環(huán)作用，相的轉(zhuǎn)變不平衡，會造成奧氏體相減少，甚至形成鐵素體大晶粒，使焊縫金屬的鐵素體含量升高，導(dǎo)致焊縫金屬的耐腐蝕性能降低，不能保持到母材的水平。

在GB/ T21833- 2020《奧氏體- 鐵素體型雙相不銹鋼無縫鋼管》、AWS A5.9《不銹鋼光焊絲和填充絲標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)中，對鋼材與焊接材料是否進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)沒有明確要求；在GB/ T21832- 2018《奧氏體- 鐵素體型雙相不銹鋼焊接鋼管》中，點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)是作為特殊要求需在合同中注明的。本項(xiàng)目的管道成套廠焊評報(bào)告中沒有提供焊接接頭的點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由此可見，在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)僅是考核S32750 雙相不銹鋼母材、焊材及其焊接接頭性能的一個(gè)選擇項(xiàng)目。當(dāng)焊接接頭選擇耐腐蝕性能時(shí)，需要含有較高合金的填充金屬，而目前焊材廠實(shí)際產(chǎn)品的合金含量或配比可能無法滿足這樣的要求。

調(diào)整熔合比，減少焊材合金元素在焊縫金屬中的比例，可使焊縫金屬獲得與母材相近的耐腐蝕能力。在其余焊接工藝參數(shù)不變的情況下，改變焊接坡口尺寸進(jìn)行對比試驗(yàn)，當(dāng)坡口角度從70±5°改為40±5°時(shí)，焊縫金屬在焊接接頭中的填充金屬量減少約33%，焊接接頭的耐腐蝕性能會接近母材水平。通過這樣的工藝調(diào)整，重新焊接試件進(jìn)行金相微觀和腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果如圖3 所示。由圖可見，焊縫金屬組織為鐵素體和奧氏體均勻分布，未見第三相沉淀。測得焊縫鐵素體含量為38.06%，熱影響區(qū)鐵素體含量47.16%，鐵素體的含量也相應(yīng)降低。按ASTM 983 C 法進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，測得的焊接接頭腐蝕率為1.46mdd，達(dá)到≤10mdd 的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 焊縫金屬組織圖

5 結(jié)語

（1）S32750 雙相不銹鋼的焊接性能良好，管件的施焊過程中沒有產(chǎn)生裂紋、未熔合等焊接缺陷，焊縫金屬中的非金屬夾雜物評級均為合格，焊接接頭的力學(xué)性能可以達(dá)到指標(biāo)要求，奧氏體- 鐵素體的雙相比例要求也能實(shí)現(xiàn)。

（2）焊接材料的牌號與成分對S32750 雙相不銹鋼焊接接頭的性能有明顯影響。由于目前國內(nèi)批量生產(chǎn)S32750 雙相鋼焊材的廠家不多，從實(shí)際生產(chǎn)S32750 雙相不銹鋼焊材的能力保障來考量，現(xiàn)階段S32750 雙相不銹鋼焊接施工不建議使用國產(chǎn)焊材。

（3）根據(jù)現(xiàn)行焊接工藝評定標(biāo)準(zhǔn)，對焊接接頭力學(xué)性能的考核要求是高于或等于母材規(guī)定的值，焊接接頭的點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)是否用來評定雙相鋼焊縫金屬性能，沒有明確說明；在SH/ T3523《石油化工鉻鎳不銹鋼、鐵鎳合金、鎳基合金及不銹鋼復(fù)合鋼焊接規(guī)范》中也沒有涉及。在鋼材和焊接材料對耐點(diǎn)腐蝕性均無明確要求的情況下，全面考核焊接接頭的耐點(diǎn)腐蝕能力是否過于苛刻？對于S32750 雙相不銹鋼焊接接頭開展腐蝕性試驗(yàn)的條件和適應(yīng)性，希望將來有更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來支持，完善規(guī)范相應(yīng)的內(nèi)容。

（4）焊接工藝對焊接接頭的耐腐蝕性能有一定影響，可以通過減小坡口角度、調(diào)整熔合比，來改善焊縫金屬性能。當(dāng)在焊接接頭中的填充金屬量減少到一定比例時(shí)，可以提高焊接接頭的耐腐蝕性能。