雙相不銹鋼在高壓換熱器制造中的應用
時間：2019-06-13
作者：無錫不銹鋼板
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雙相不銹鋼焊接接頭的力學性能和耐蝕性取決于接頭能否保持適當的相比例，正確選用焊接材料，嚴格控制焊接熱輸入量以及制定合理的焊接工藝，避免焊后消除應力處理是雙相不銹鋼焊接的關鍵。本文通過焊接工藝試驗、焊接工藝評定及產品的施焊證明，所選用的焊接方法、焊接材料、焊接工藝規范正確合理。
雙相不銹鋼在室溫下固溶體中奧氏體和鐵素體約各占半且兼有兩相組織特征。它保留了鐵素體不銹鋼導熱系數大、線膨脹系數小、耐點蝕，縫蝕及氯化物應力腐蝕的性能特點（當然也存在475℃析出脆性的σ相，造成脆化及加工硬化傾向大的缺點）；又具備奧氏體不銹鋼韌性好、脆性轉變溫度較低、抗晶間腐蝕、力學性能和焊接性能好的優點，廣泛應用于海上和陸地油氣、化工壓力容器、紙漿和造紙等行業。
高壓換熱器是加氫裂化裝置除反應器外的核心設備之一，由于螺紋鎖緊環式密封結構換熱器結構緊湊、泄漏點少、密封可靠、占地面積小、節省材料,一旦運行過程中出現泄漏，也不必停車,只需緊固內、外圈頂緊螺栓即可達到密封要求。目前國內外加氫裂化和重油加氫脫硫裝置中普遍采用此結構換熱器。年產180×104t/a加氫裂化裝置中的熱高分氣/混氫換熱器，管程設計溫度245℃，設計壓力16.4MPa，換熱管材質為超級2507（UNS32750），規格φ25mm×2.5mm；介質特性：易爆；管板材質為12Cr2Mo1R（H）Ⅳ+雙層堆焊（E309MoL+E2209），殼體材質為12Cr2Mo1R（H），設計溫度225℃,設計壓力17.9MPa，介質特性：易爆,結構簡圖如圖1所示。
雙相不銹鋼焊接接頭的力學性能和耐蝕性取決于接頭能否保持適當的相比例，因此，雙相不銹鋼的焊接是圍繞如何保證其雙相組織而進行的。
1雙相不銹鋼的焊接特點
1.1焊接過程對相組織的影響
對于雙相不銹鋼焊縫金屬而言，是以單相δ凝固結晶，隨著溫度的降低，從凝固→冷卻這是一個速度較快的從δ→γ組織轉變的不平衡過程。若冷卻速度較快，即焊接熱輸入量較低時，則δ→γ轉變的較少，使δ相較多而γ相較少；若熱輸入量高，即冷卻速度慢，雖然會促使較多的δ→γ轉變，可以得到足夠數量的奧氏體，但也會使晶粒粗大，σ相和二次奧氏體（γ2）析出，從而降低焊縫的耐腐蝕性能，韌性下降。因此，要選用合適的足夠高的熱輸入量和層間溫度以保證冷卻速度適中，能夠得到滿意數量的奧氏體相，而又不致降低耐腐蝕性能。
圖2為雙相不銹鋼的凝固過程，從圖中可以看出，雙相不銹鋼從液相凝固后是完全的鐵素體組織，且保留至鐵素體溶解度曲線的溫度。只有在更低的溫度下部分鐵素體才轉變成奧氏體，形成鐵素體加奧氏體雙相組織；化學成分Ni、N為強烈的奧氏體形成元素，Cr、Mo為強烈的鐵素體形成元素；焊接熱循環的參數（加熱速度、冷卻速度等）也會影響相比例組織的變化。
雙相鋼焊接時，焊縫有可能發生三種類型的析出相，它們都會降低耐腐蝕性能和韌性，這三種析出相分別是：
1.2.1氮化物（Cr2N、CrN）的析出（見圖3）
在高溫時，氮在鐵素體中溶解度增加，在快速冷卻時溶解度又開始下降；尤其在靠近焊縫表面的部位，由于鐵素體量較多，氮化物更易析出，這對焊縫金屬的耐腐蝕性有直接影響。若焊縫金屬有合適的相比例，則氮化物的析出量很少。為了避免氮化物的析出，應在填充金屬中提高Ni和N元素的含量，以增加焊縫金屬的奧氏體數量。另外應避免采用過低的熱輸入量（特別是厚壁件焊接時），以防止因冷卻速度過快而生成純鐵素體晶粒,引起氮化物的析出。
1.2.2二次奧氏體的析出（γ2）（見圖4）
1.2.3金屬間脆化相的析出（σ相）（見圖5）
當焊接熱輸入量過大時，冷卻速度就會變慢，這樣雖有利于奧氏體的轉變，使δ和γ相比例比較滿意，但也造成金屬間脆化相（σ相）的析出。尤其是含W，Cu的超級雙相不銹鋼對高的熱輸入量敏感。
1.3475℃脆化現象
由于雙相不銹鋼中有較高的鐵素體，當接頭在300~550℃范圍內停留時間過長，會發生475℃脆化。因此，應盡量縮短雙相不銹鋼焊接接頭在這個溫度區間的停留時間。
1.4熱處理的影響
在300~550℃低溫加熱時可能產生475℃脆性，在600~900℃中溫加熱時會出現脆性的σ相。因此，應避免焊后消除應力處理，最好的熱處理方式為進行固溶化熱處理。但過高的固溶化熱處理溫度，會使單相鐵素體晶粒粗大，耐應力腐蝕性能下降。
綜上所述，保持相平衡，得到滿意的相比例組織，盡量減少析出相，是雙相不銹鋼焊接的關鍵，要想達此目的，必須嚴格控制焊接熱輸入量；提高焊接材料中的Ni含量，一般焊材中Ni含量要比母材高2%~4%，再加入與母材含量相當的N（為0.1%~0.2%）；應避免焊后消除應力處理。
2焊接工藝評定的制定
結合雙相不銹鋼的焊接特點及高壓換熱器的結構特點，管板的堆焊采用埋弧帶極堆焊、管板與換熱管的焊接采用自動鎢極氬弧焊，并分別進行了焊接工藝評定。
2.1管板埋弧帶極堆焊焊接工藝評定
雙相不銹鋼的帶極堆焊，主要考慮堆焊層的厚度、化學成分的范圍、雙相組織的相比例、耐蝕性及其有關特性。要達到上述要求，需要控制的要素如圖6所示。
2.1.112Cr2Mo1R鋼上進行了（E309-MoL+E2209）帶極堆焊
12Cr2Mo1R試板表面100％磁粉（MT）檢測→預熱（預熱溫度≥150℃）→堆焊過渡層（道間溫度150~250℃）→后熱（250~300℃×2h）→堆焊層100％（PT）檢查→690℃×8（P-WHT）消除應力處理→堆焊表層（道間溫度≤100℃）→堆焊層100％著色（UT、PT）檢測。
依據中國石化工程建設公司BCEQ-9338/A1《壓力容器內部雙層堆焊（E-309MoL+E2209型）技術條件》的要求,分別進行了化學成分、彎曲、鐵素體含量、硬度及耐蝕性的檢測。試驗結果分別見表2、表3、表4、表5和表6。
表2、表3、表4、表5和表6試驗結果表明，堆焊層化學成分、堆焊層彎曲試驗、硬度測量、鐵素體測量及腐蝕試驗均滿足要求，證明所選用的焊接工藝以及焊接材料正確合理。
2.2管板與換熱管的焊接采用自動鎢極氬弧焊工藝評定
用堆焊合格的12Cr2Mo1R+（E309-MoL+E2209）試板，進行了管板與換熱管的自動鎢極氬弧焊工藝評定，焊絲選用25.10.4.L，規格φ0.8mm，純氬氣保護，并依據中國石化工程建設公司BCEQ-9333/A1《超級雙相不銹鋼冷換熱管束制造技術條件》和GB151-1999《管殼式換熱器》附錄B的要求，分別進行了化學成分、彎曲、鐵素體含量、硬度、耐蝕性的檢測及拉脫力試驗。試驗結果均滿足制造技術條件要求。
3產品焊接
在工藝試驗及工藝評定的基礎上,進行了管板的雙相不銹鋼的堆焊、管板與換熱管的自動鎢極氬弧焊的焊接,事實表明，堆焊層與管接頭角焊縫成形美觀，無損檢測合格率高，各項技術指標均滿足要求。
4結束語
雙相不銹鋼焊接接頭的力學性能和耐蝕性取決于接頭能否保持適當的相比例，正確選用焊接材料、嚴格控制焊接熱輸入量以及制定合理的焊接工藝是雙相不銹鋼焊接的關鍵，本文通過焊接工藝試驗、焊接工藝評定及產品的施焊證明，所選用的焊接方法、焊接材料、焊接工藝規范正確合理。
參考文獻
[1]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊2－材料的焊接[M].北京:機械工業出版社.2008.
[2]吳玖.雙相不銹鋼[M].北京:冶金工業出版社.1999.
[3]李平瑾,王觀東,胡積勝,崔軍.不銹鋼在壓力容器中的應用及焊接技術[J].壓力容器,2003,20(7)(8).
[4]KurtStaub,超級雙相不銹鋼SAF2507的焊接[J].Sandvik公司資料,2006.
雙相不銹鋼在室溫下固溶體中奧氏體和鐵素體約各占半且兼有兩相組織特征。它保留了鐵素體不銹鋼導熱系數大、線膨脹系數小、耐點蝕，縫蝕及氯化物應力腐蝕的性能特點（當然也存在475℃析出脆性的σ相，造成脆化及加工硬化傾向大的缺點）；又具備奧氏體不銹鋼韌性好、脆性轉變溫度較低、抗晶間腐蝕、力學性能和焊接性能好的優點，廣泛應用于海上和陸地油氣、化工壓力容器、紙漿和造紙等行業。
高壓換熱器是加氫裂化裝置除反應器外的核心設備之一，由于螺紋鎖緊環式密封結構換熱器結構緊湊、泄漏點少、密封可靠、占地面積小、節省材料,一旦運行過程中出現泄漏，也不必停車,只需緊固內、外圈頂緊螺栓即可達到密封要求。目前國內外加氫裂化和重油加氫脫硫裝置中普遍采用此結構換熱器。年產180×104t/a加氫裂化裝置中的熱高分氣/混氫換熱器，管程設計溫度245℃，設計壓力16.4MPa，換熱管材質為超級2507（UNS32750），規格φ25mm×2.5mm；介質特性：易爆；管板材質為12Cr2Mo1R（H）Ⅳ+雙層堆焊（E309MoL+E2209），殼體材質為12Cr2Mo1R（H），設計溫度225℃,設計壓力17.9MPa，介質特性：易爆,結構簡圖如圖1所示。
雙相不銹鋼焊接接頭的力學性能和耐蝕性取決于接頭能否保持適當的相比例，因此，雙相不銹鋼的焊接是圍繞如何保證其雙相組織而進行的。
1雙相不銹鋼的焊接特點
1.1焊接過程對相組織的影響
對于雙相不銹鋼焊縫金屬而言，是以單相δ凝固結晶，隨著溫度的降低，從凝固→冷卻這是一個速度較快的從δ→γ組織轉變的不平衡過程。若冷卻速度較快，即焊接熱輸入量較低時，則δ→γ轉變的較少，使δ相較多而γ相較少；若熱輸入量高，即冷卻速度慢，雖然會促使較多的δ→γ轉變，可以得到足夠數量的奧氏體，但也會使晶粒粗大，σ相和二次奧氏體（γ2）析出，從而降低焊縫的耐腐蝕性能，韌性下降。因此，要選用合適的足夠高的熱輸入量和層間溫度以保證冷卻速度適中，能夠得到滿意數量的奧氏體相，而又不致降低耐腐蝕性能。
圖2為雙相不銹鋼的凝固過程，從圖中可以看出，雙相不銹鋼從液相凝固后是完全的鐵素體組織，且保留至鐵素體溶解度曲線的溫度。只有在更低的溫度下部分鐵素體才轉變成奧氏體，形成鐵素體加奧氏體雙相組織；化學成分Ni、N為強烈的奧氏體形成元素，Cr、Mo為強烈的鐵素體形成元素；焊接熱循環的參數（加熱速度、冷卻速度等）也會影響相比例組織的變化。
雙相鋼焊接時，焊縫有可能發生三種類型的析出相，它們都會降低耐腐蝕性能和韌性，這三種析出相分別是：
1.2.1氮化物（Cr2N、CrN）的析出（見圖3）
在高溫時，氮在鐵素體中溶解度增加，在快速冷卻時溶解度又開始下降；尤其在靠近焊縫表面的部位，由于鐵素體量較多，氮化物更易析出，這對焊縫金屬的耐腐蝕性有直接影響。若焊縫金屬有合適的相比例，則氮化物的析出量很少。為了避免氮化物的析出，應在填充金屬中提高Ni和N元素的含量，以增加焊縫金屬的奧氏體數量。另外應避免采用過低的熱輸入量（特別是厚壁件焊接時），以防止因冷卻速度過快而生成純鐵素體晶粒,引起氮化物的析出。
1.2.2二次奧氏體的析出（γ2）（見圖4）
1.2.3金屬間脆化相的析出（σ相）（見圖5）
當焊接熱輸入量過大時，冷卻速度就會變慢，這樣雖有利于奧氏體的轉變，使δ和γ相比例比較滿意，但也造成金屬間脆化相（σ相）的析出。尤其是含W，Cu的超級雙相不銹鋼對高的熱輸入量敏感。
1.3475℃脆化現象
由于雙相不銹鋼中有較高的鐵素體，當接頭在300~550℃范圍內停留時間過長，會發生475℃脆化。因此，應盡量縮短雙相不銹鋼焊接接頭在這個溫度區間的停留時間。
1.4熱處理的影響
在300~550℃低溫加熱時可能產生475℃脆性，在600~900℃中溫加熱時會出現脆性的σ相。因此，應避免焊后消除應力處理，最好的熱處理方式為進行固溶化熱處理。但過高的固溶化熱處理溫度，會使單相鐵素體晶粒粗大，耐應力腐蝕性能下降。
綜上所述，保持相平衡，得到滿意的相比例組織，盡量減少析出相，是雙相不銹鋼焊接的關鍵，要想達此目的，必須嚴格控制焊接熱輸入量；提高焊接材料中的Ni含量，一般焊材中Ni含量要比母材高2%~4%，再加入與母材含量相當的N（為0.1%~0.2%）；應避免焊后消除應力處理。
2焊接工藝評定的制定
結合雙相不銹鋼的焊接特點及高壓換熱器的結構特點，管板的堆焊采用埋弧帶極堆焊、管板與換熱管的焊接采用自動鎢極氬弧焊，并分別進行了焊接工藝評定。
2.1管板埋弧帶極堆焊焊接工藝評定
雙相不銹鋼的帶極堆焊，主要考慮堆焊層的厚度、化學成分的范圍、雙相組織的相比例、耐蝕性及其有關特性。要達到上述要求，需要控制的要素如圖6所示。
2.1.112Cr2Mo1R鋼上進行了（E309-MoL+E2209）帶極堆焊
12Cr2Mo1R試板表面100％磁粉（MT）檢測→預熱（預熱溫度≥150℃）→堆焊過渡層（道間溫度150~250℃）→后熱（250~300℃×2h）→堆焊層100％（PT）檢查→690℃×8（P-WHT）消除應力處理→堆焊表層（道間溫度≤100℃）→堆焊層100％著色（UT、PT）檢測。
依據中國石化工程建設公司BCEQ-9338/A1《壓力容器內部雙層堆焊（E-309MoL+E2209型）技術條件》的要求,分別進行了化學成分、彎曲、鐵素體含量、硬度及耐蝕性的檢測。試驗結果分別見表2、表3、表4、表5和表6。
表2、表3、表4、表5和表6試驗結果表明，堆焊層化學成分、堆焊層彎曲試驗、硬度測量、鐵素體測量及腐蝕試驗均滿足要求，證明所選用的焊接工藝以及焊接材料正確合理。
2.2管板與換熱管的焊接采用自動鎢極氬弧焊工藝評定
用堆焊合格的12Cr2Mo1R+（E309-MoL+E2209）試板，進行了管板與換熱管的自動鎢極氬弧焊工藝評定，焊絲選用25.10.4.L，規格φ0.8mm，純氬氣保護，并依據中國石化工程建設公司BCEQ-9333/A1《超級雙相不銹鋼冷換熱管束制造技術條件》和GB151-1999《管殼式換熱器》附錄B的要求，分別進行了化學成分、彎曲、鐵素體含量、硬度、耐蝕性的檢測及拉脫力試驗。試驗結果均滿足制造技術條件要求。
3產品焊接
在工藝試驗及工藝評定的基礎上,進行了管板的雙相不銹鋼的堆焊、管板與換熱管的自動鎢極氬弧焊的焊接,事實表明，堆焊層與管接頭角焊縫成形美觀，無損檢測合格率高，各項技術指標均滿足要求。
4結束語
雙相不銹鋼焊接接頭的力學性能和耐蝕性取決于接頭能否保持適當的相比例，正確選用焊接材料、嚴格控制焊接熱輸入量以及制定合理的焊接工藝是雙相不銹鋼焊接的關鍵，本文通過焊接工藝試驗、焊接工藝評定及產品的施焊證明，所選用的焊接方法、焊接材料、焊接工藝規范正確合理。
參考文獻
[1]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊2－材料的焊接[M].北京:機械工業出版社.2008.
[2]吳玖.雙相不銹鋼[M].北京:冶金工業出版社.1999.
[3]李平瑾,王觀東,胡積勝,崔軍.不銹鋼在壓力容器中的應用及焊接技術[J].壓力容器,2003,20(7)(8).
[4]KurtStaub,超級雙相不銹鋼SAF2507的焊接[J].Sandvik公司資料,2006.