双相钢UNSS32750和超级不锈钢UNSS31254异种钢焊接工艺分析

1 母材简述

UNS S32750是一种强度及抗腐蚀能力较强的双相钢, 它具有较强的抗氯化物腐蚀能力, 较高的导热性和较低的热膨胀系数。较高的铬、钼及氮含量又让它具有很高的抗斑蚀、裂隙腐蚀及一般腐蚀的能力。主要用于化学加工、石油化工和海底等设备。

UNS S31254是一种高钼, 高铬, 高镍, 含氮超级奥氏体不锈钢。同常规不锈钢相比, 具有极其优良的耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀的性能, 又具有极其优良的抗应力腐蚀破裂的性能的优势。主要用于海水淡化、石油生产、食品加工、化工处理、纸浆和纸厂的漂白系统、烟气脱硫塔以及大型的石油蒸馏塔等设备。

两种母材化学成分及机械性能见表1~表4。

中石化在沙特某项目中首次接触此类异种钢焊接并要求100%射线检测。由于工期紧, 加之阿美审批程序繁多、周期较长, 故快速准确确定其焊接工艺对项目执行至关重要。

2 焊接性能分析

2.1 双相钢UN S32750焊接性能

双相钢S32750焊接时产生冷裂纹的敏感性较小, 易产生热裂纹, 最主要的问题是焊接过程中如何保证焊缝的耐防腐性能及低温冲击性能。焊接接头的相比例及金属间相是影响耐防腐性能及低温冲击性能的关键因素, 所以必须制定合理的焊接参数和层间温度, 控制好冷却速度来保证合理的相比例, 减少金属间相产生。另外, 保持焊缝洁净, 防止铁离子污染也是保证抗腐蚀性能的关键因素。

2.2 超级不锈钢UNS S31254焊接性能

首先, 由于S31254奥氏体不锈钢具有导热系数小, 线膨胀系数大, 在焊接局部加热和冷却条件下, 焊缝处在高温的停留时间较长, 焊缝金属及热影响区在高温时承受较大的拉应力和拉伸应变, 冷却时会形成较大的拉应力, 这种拉应力容易产生凝固裂纹.在防腐介质作用下, 也会出现腐蚀开裂倾向;其次, 在焊接过程中, S31254也容易形成方向性很强的柱状晶焊缝组织, 一些杂质气体容易在晶间形成熔点低的液态薄膜, 这也是容易产生凝固裂纹的主要原因。

3 焊接工艺

母材UN S32750和UN S31254均为Φ60.3×3.91mm管

3.1 焊前准备

坡口采用机械加工, 坡口周围25mm之内除油并打磨干净。坡口形式如图1:

3.2 焊材选择

选用瑞典ESAB公司ER Ni Cr Mo3焊丝, 经光谱检测其化学成分见表5。

满足ASME Section II Part C SFA-5.14要求。

3.3 焊接工艺参数

常温下一般不需要预热, 当环境温度低于-5℃时, 需要将焊缝两侧100mm范围内预热至10~15℃, 预热过程要温和均匀。焊接时试件两端和焊缝用胶带完全封堵并充氩, 用气体检测仪检测试件中氧气含量, 当氧气含量低于0.05%时开始焊接, 焊接过程中要全程持续充氩并保持氧气含量一直处于0.05%以下。见表6。

4 试验数据

4.1 外观及射线检测

经第三方焊接检查员检查, 外观成形较好, 无明显缺陷, 射线检测符合ASME IX要求。

4.2 拉伸试验

根据ASME IX在00和1800位置进行拉伸试验, 试验结果合格。数据如下表7:

4.3 弯曲试验

根据ASME IX分别在450, 1350, 2250, 3150位置进行180度弯曲试验, 试验结果全部合格。数据见表8。

4.4 冲击试验

根据ASMT A923-B在-400进行冲击试验, 试验结果见表9。

4.5 硬度测试

根据ASTM E384-11对两种母材、热影响区及焊缝进行硬度测试, 硬度值详细位置及数据见图2。

4.6 腐蚀试验

根据ASTM A923-08测试方法A在40%氢氧化钠腐蚀试验, 试验数据下图3, 试验结果合格。

4.7 铁素体含量测量及金相观察

根据ASTM E562-11在40%氢氧化钠溶液中进行铁素体含量检测及金相观察, 试验结果和图像见图4。

4.8 点蚀试验

根据ASTM G48-11方法A和阿美标准SAES-W-16在6%氯化铁溶液中保持腐蚀72小时, 并且测试温度保持在35℃+/-2℃。

试验后发现, 当试件内氧气含量高于0.05%焊接时, 会出现明显点坑, 试验结果不合格;当氧气含量低于0.05%焊接时, 无点坑出现, 试验结果合格。

5 结语

(1) 该焊接工艺满足了双相钢UNS S32750和超级不锈钢UNS S31254异种钢焊接需求, 各种试验检测合格, 符合ASTM和阿美要求, 取得了良好效果;

(2) 焊接时, 正面和背面要全程持续充氩, 特别要严格控制试件内氧气含量, 确保氧气含量在0.05%以下, 否则背面焊缝金属很容易在焊接过程中氧化, 产生焊接缺陷, 造成焊缝金属的耐蚀性下降, 导致点蚀试验不合格。

摘要：针对双相钢UNS S32750和超级奥氏体不锈钢UNS S31254的不同焊接特性, 通过焊接性能分析及相关试验, 确定其焊接工艺及措施, 焊缝质量合格, 满足ASME及阿美规范要求, 为上述异种钢焊接提供技术保证。

关键词：UNS S32750 UNS S31254异种钢,焊接工艺,点蚀试验,氧含量

参考文献

[1] ASTM A790 Standard Specification for Seamless and Welded Ferritic/Austenitic Stainless Steel Pipe.

[2] ASTM A312 Standard Specification for Seamless and Welded Austenitic Stainless Steel Pipes.

[3] Saudi Aramco Engineering Standard SAES-W-016Welding of Special Corrosion-Resistant Materials.

[4] 王仓, 黄龙飞, 王雁秋.超级双相不锈钢S32750焊接工艺的探讨.能源研究与管理, 2011 (1) .