12Cr 超級馬氏體不銹鋼焊接性及工藝特點(diǎn)

張德文 李蘭現(xiàn) 王洪亮 趙緒磊 程建濤

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

1 概述

伴隨著油氣開采規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，部分油氣田介質(zhì)本身存在的腐蝕性就使得管線自身的材料性能要求被進(jìn)一步提高，但是傳統(tǒng)的低碳鋼管線本身的韌性、強(qiáng)度以及耐蝕性也無法匹配標(biāo)準(zhǔn)要求。所以，在輸送油氣管道之中就逐漸開始使用12Cr 超級馬氏體不銹鋼無縫管。

2 12Cr 超級馬氏體不銹鋼特點(diǎn)

2.1 12Cr 不銹鋼的化學(xué)成份及微觀組織

對于傳統(tǒng)模式下的馬氏體不銹鋼，其本身的含鉻量一般在13%和17%左右，并且其中的C 含量更高。因?yàn)槠浔旧砣鄙傺诱剐?，在制造過程中因?yàn)槎諔?yīng)力裂紋下的分敏感，導(dǎo)致其實(shí)際的可焊性較差，在使用方面就會(huì)存在一定的限制，進(jìn)而成為不太受關(guān)注的一種材料。為了實(shí)現(xiàn)上述問題的有效克服，就需要落實(shí)含碳量的有效控制，并且適當(dāng)?shù)脑黾渔嚭?，?shí)現(xiàn)新合金的開發(fā)。這一類合金的實(shí)際抗拉強(qiáng)度較高，延展性良好，能夠明顯的改善焊接性能。伴隨著冶煉技術(shù)的不斷進(jìn)步，在不銹鋼精煉之中就會(huì)應(yīng)用到對應(yīng)的精煉技術(shù)，其最高的碳含量也會(huì)逐漸從0.07%降低到0.05%與0.03%。在不懈努力之下，還會(huì)進(jìn)一步的降低含碳量，同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化合金，綜合性的提升不銹鋼的力學(xué)性能，再加上其本身的耐腐蝕性能良好，這樣就會(huì)形成新的超級馬氏體不銹鋼，最終受到人們的廣泛關(guān)注。針對這一種鋼，在經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理之后，地毯回火馬氏體就是其主要的微觀組織。

2.2 12Cr 不銹鋼的力學(xué)性能

針對12Cr 超級馬氏體不銹鋼，其本身具有較為優(yōu)異的力學(xué)性能，其實(shí)際的強(qiáng)度為X80 級，最小屈服度為550MPa，實(shí)際的抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到700MPa，在-40℃的沖擊韌性可以達(dá)到200J（如圖1）。

圖1 超級馬氏體不銹鋼的韌性-溫度分布圖

2.3 12Cr 不銹鋼的腐蝕性能

2.3.1 抗CO2應(yīng)力腐蝕

對于應(yīng)力腐蝕而言，其主要是針對殘余應(yīng)力或者是受力構(gòu)件的局部，在特定組合下的腐蝕環(huán)境之中，其構(gòu)建本身就會(huì)承受到最大的拉應(yīng)力，進(jìn)而出現(xiàn)裂紋，一直到穿透，所以，其也被稱之為應(yīng)力腐蝕開裂，可以將其稱之為SCC。

在各種溫度與介質(zhì)濃度之下，12Cr 超級馬氏體不銹鋼的CO2應(yīng)力腐蝕性能具體見表1 所示。

表1 12Cr 超級馬氏體不銹鋼的抗CO2 應(yīng)力腐蝕性能

由此可見，此種超馬氏體不銹鋼的耐CO2應(yīng)力腐蝕性能非常優(yōu)異。

2.3.2 氫脆敏感性

高強(qiáng)度鋼在富氫氣氛中加熱時(shí)出現(xiàn)塑性和韌性降低的現(xiàn)象稱為氫脆(HE/HISC)。氫脆通常表現(xiàn)為延遲斷裂。延遲斷裂，主要是因?yàn)榱慵?nèi)部氫向應(yīng)力集中部位擴(kuò)散聚集，其應(yīng)力集中的部位金屬缺陷相對較多。在其擴(kuò)散到這一部分缺陷之中，其氫原子就會(huì)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅浞治?，進(jìn)而產(chǎn)生較大的壓力，這一個(gè)壓力與材料的內(nèi)部殘留應(yīng)力以及對應(yīng)的外加應(yīng)力就會(huì)形成一個(gè)合力，當(dāng)合力超出材料屈服強(qiáng)度之后，就會(huì)出現(xiàn)斷裂的問題。

材料強(qiáng)度越大,其氫脆敏感性也越大，但12Cr 超級馬氏體鋼具有超低的C、N 含量，同時(shí)又富含Cr、Mo、Ti，所以在具有高強(qiáng)度的同時(shí)又具有較好的抗氫脆能力。

2.4 熱處理對其各項(xiàng)性能的影響

12Cr 超級馬氏體相比傳統(tǒng)的馬氏體不銹鋼，其本身的焊接性較差，需要在焊接之后進(jìn)行熱處理，焊接之后的熱處理，能夠有效的改善接頭，其主要包含了：可以將焊接接頭的殘余應(yīng)力消除、降低熱影響區(qū)域的硬度、提升焊接接頭的耐腐蝕性、提升焊接接頭低溫韌性。

綜上所述，12Cr 超級馬氏體不銹鋼本身的強(qiáng)度高、適應(yīng)各種環(huán)境的腐蝕，具有良好的綜合性能，屬于優(yōu)秀的不銹鋼種類。但是在焊接技術(shù)應(yīng)用中，究竟焊接性如何，焊接接頭部位與母材性能相互匹配，就成為重點(diǎn)關(guān)注的問題。

3 焊接技術(shù)難點(diǎn)

3.1 焊接工藝所要達(dá)到的目標(biāo)

首先，我們必須選用合適的焊材來與母材相匹配，所形成的焊縫金屬必須要達(dá)到以下基本要求：

a.強(qiáng)度與母材相匹配。

b.達(dá)到相應(yīng)的韌性。

c.硬度保持在可接受值以下。

d.抗腐蝕性能與母材相匹配。

其次，在焊接過程中如何保證焊接熱影響區(qū)的各項(xiàng)性能達(dá)到要求，也是我們所重點(diǎn)關(guān)心的內(nèi)容。

最后，考慮到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的限制，提高焊接效率，要盡量避免進(jìn)行焊后熱處理。

3.2 焊接工藝重點(diǎn)與難點(diǎn)分析

3.2.1 焊縫金屬的選擇及其對焊接工藝的要求

12Cr 超級馬氏體不銹鋼是一種調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨的鋼材，即經(jīng)過淬火及回火處理而形成的低碳馬氏體組織，在焊接過程中形成這種組織而且兼顧母材所具有的抗腐蝕性能是十分不容易的。所以，焊接此類不銹鋼通常選用雙相不銹鋼焊材進(jìn)行焊接。

雙相不銹鋼指鐵素體-奧氏體雙相鋼，具有超強(qiáng)的綜合性能：高強(qiáng)度、高韌性、超強(qiáng)耐腐蝕性，各項(xiàng)性能均可以與12Cr 超級馬氏體不銹鋼相匹配。獲得此類焊縫金屬對焊接工藝的要求非常嚴(yán)格，必須滿足以下幾點(diǎn)要求：

3.2.1.1 選用合理的焊接方法，對焊接熱輸入進(jìn)行控制；

3.2.1.2 控制焊接層間溫度，冷卻速度過快會(huì)造成鐵素體和氮化鉻含量超標(biāo)，降低耐應(yīng)力腐蝕性能，冷卻速度過慢使焊縫金屬過熱會(huì)形成金屬間相（σ 相），降低耐點(diǎn)蝕能力和沖擊強(qiáng)度；

3.2.1.3 保持焊縫的相比例平衡（鐵素體約45-55%），鐵素體超標(biāo)將導(dǎo)致延展性降低、耐腐蝕性降低、氫脆敏感，奧氏體超標(biāo)將導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度降低。

3.2.2 焊接工藝對熱影響區(qū)性能的影響

3.2.2.1 焊接工藝對熱影響區(qū)硬度的影響。高硬度是導(dǎo)致焊接接頭氫致開裂（氫脆）的重要因素，而且經(jīng)過焊接熱循環(huán)下的熱影響區(qū)硬度的提高幾乎是不可避免的。因此，控制熱影響區(qū)硬度保持在一個(gè)合適的水平上是我們關(guān)注的重點(diǎn)。

3.2.2.2 焊接工藝會(huì)直接影響到熱影響區(qū)抗CO2應(yīng)力腐蝕性能。對于這一區(qū)域，因?yàn)楹附訜嵫h(huán)，所以就會(huì)降低其對應(yīng)的性能，晶粒長大、產(chǎn)生殘余應(yīng)力，都會(huì)降低其抗CO2應(yīng)力腐蝕的性能。所以，如何通過控制熱輸入和層間溫度來使這些影響最小化也成為焊接工藝中的難點(diǎn)。

3.2.3 焊后熱處理的作用及可行性分析

焊后熱處理對此類馬氏體不銹鋼的性能具有一定的改善作用，其主要作用是降低焊接接頭硬度，改善腐蝕性能。

本材料使用的主要目的是用于海底管線用，由于其施工環(huán)境的限制和對鋪管效率的要求，使得熱處理變得很不經(jīng)濟(jì)。所以，開發(fā)一種可以不進(jìn)行焊后熱處理的焊接工藝也是我們的重點(diǎn)及難點(diǎn)。

針對12Cr 超級馬氏體不銹鋼本身的性能，使用環(huán)境的要求，以及相應(yīng)焊接方法及焊材的選擇，對其焊接工藝的開發(fā)存在以下幾點(diǎn)難度：

馬氏體鋼在所有組織鋼材中焊接性最差，容易產(chǎn)生冷裂紋，焊接接頭硬度高、塑性差，往往要求進(jìn)行熱處理；

焊接接頭性能要求高，首次要求進(jìn)行應(yīng)力腐蝕、氫脆等試驗(yàn)；

需要特殊培訓(xùn)焊工；

無相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，沒有相關(guān)技術(shù)資料可參考；

工期緊、時(shí)間短，如不能一次開發(fā)成功將嚴(yán)重影響立管的陸地安裝。

4 焊接工藝的設(shè)計(jì)

4.1 焊接工藝的開發(fā)

與12Cr 超級馬氏體不銹鋼的實(shí)用環(huán)境以及材質(zhì)特點(diǎn)相互結(jié)合，就可以開發(fā)出能夠匹配性能的，并且免除焊接之后熱處理的焊接工藝。設(shè)計(jì)主要是為了確保焊縫強(qiáng)度能夠滿足母材的相同水平，在-10℃韌性超過45J 之后，其焊接接頭硬度都在320HV10 以下，焊接本身擁有0℃下0.2 以上的CTOD 值，并且其擁有良好的耐腐蝕性，耐氫脆性依舊良好。在本次所使用的材料，其屬于日本JFE 公司所開發(fā)的不銹鋼無縫管材料，對應(yīng)的規(guī)格為φ324×19×300mm。

通過對應(yīng)的開發(fā)處理，其焊接工藝詳細(xì)內(nèi)容如表2 所示。

表2 焊接工藝

焊接要點(diǎn)在于做好熱輸入的控制，不能過高，并且層間溫度要適合，根焊道能夠充分的保護(hù)，冷卻速度不能夠太高或者是太低，冷卻條件就直接決定了焊縫的微觀組織。

4.2 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

對于焊接之后的焊接接頭，需要開展全面的性能試驗(yàn)，其主要是包含了力學(xué)、斷裂韌性以及腐蝕性幾個(gè)方面。

在-10℃下的低溫夏比沖擊韌性具體如表3 所示。

表3 夏比沖擊韌性對比圖

焊接接頭的硬度如圖2 所示，分別在厚度中心線、距上下表面1.5mm 處測其母材、熱影響區(qū)、焊縫的維氏硬度。與廠商提供的熱處理后的硬度相比，本次開發(fā)的焊接工藝硬度可以達(dá)到免除進(jìn)行焊后熱處理的要求。

圖2 焊接接頭硬度分布圖

與廠商提供的熱處理后的硬度相比，本次開發(fā)的焊接工藝硬度可以達(dá)到免除進(jìn)行焊后熱處理的要求。

焊縫0℃下的斷裂韌性（CTOD）值如表4 所示。

對于焊接工藝的開發(fā)而言，焊接接頭的抗氫催性能與抗腐蝕性能良好，所以，就需要做好嚴(yán)格的試驗(yàn)控制。通過ASTM G39 標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)分析處理，當(dāng)載荷處理90%SMYS，在50℃之下的3.5%的NaCl+的溶液，要求其pH 值能夠保持在4.5，CO2分壓為10KPa，驗(yàn)收要求在7 天之后沒有任何表面裂紋的出現(xiàn)。

基于上述試驗(yàn)結(jié)果分析，本次開發(fā)的焊接工藝，其能夠滿足語氣目標(biāo)的要求，并且都能夠達(dá)到對應(yīng)的使用環(huán)境目標(biāo)。

5 結(jié)論

基于上述的分析結(jié)果來看，在進(jìn)行12Cr 超級馬氏體不銹鋼的兩種焊接工藝都能夠成功的獲取，其實(shí)際的焊接接頭無論是其腐蝕性能，還是力學(xué)性能，都可以滿足性能的需求。達(dá)到了以下設(shè)計(jì)目的：

a. 焊縫強(qiáng)度與母材相匹配。

b. 焊縫及熱影響區(qū)達(dá)到相應(yīng)的韌性。

c. 焊接接頭硬度保持在可接受值以下。

d. 抗腐蝕性能與母材相匹配。

e. 免除了進(jìn)行焊后熱處理。

此焊接工藝可以在高腐蝕性環(huán)境的管道焊接中成功應(yīng)用，推動(dòng)12Cr 超級馬氏體不銹鋼的應(yīng)用發(fā)展前景。