UR45N+雙相鋼的焊接

黃明忠，劉小紅，文陸一

(1.貴陽化工機械有限公司，貴州 貴陽 550004;2.貴州省特種設備檢驗檢測院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

URANUS 45N+屬于2205型鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼，生產商是法國INDUSTEEL FRANCE CREUSOT PLANT。相比較2205型雙相鋼，UR45N+合金元素鉬和鉻含量追加，其最小抗點腐蝕當量PREN(PREN=Cr%+3.3Mo%+16N%)保證值為36。2205型雙相鋼PREN保證值為33，904L PREN保證值為32，URANUS 45N+抗均勻腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕性能與904L相當，抗應力腐蝕(在含氯離子介質環境中)優于904L。雙相鋼金相顯微組織理論值各占50%，UR45N+雙相鋼鐵素體含量保證值45%～55%，質量比較穩定，其它牌號2205型雙相鋼鐵素體含量35%～65%。UR45N+鋼種比2205型更具有高的機械強度和抗腐蝕性能。在化工工程實際應用中，比較純凈的磷酸溶液，不含鉬普通奧氏體不銹鋼適用磷酸濃度和溫度較低，如S30408可用5%以下的沸酸及10%常溫下磷酸，含鉬的奧氏體不銹鋼(如S31603)可適用50%以下的沸酸及50%～85% 低于90℃熱磷酸［2］。在濕法食品級磷酸生產過程中，由于磷石灰含有少量的氯、氟化物雜質，工藝介質中總含有氯(CL-)、氟(F-)、硫酸根(SO42-)等離子，氯(CL-)、氟(F-)離子破壞普通級奧氏體不銹鋼(S30408)表面的鈍化膜，極易產生孔蝕。濕法食品級磷酸工業實際應用中，脫硫(S2-，SO42-)、氯(CL-)、氟(F-)離子之前設備、和盛裝成品食品級磷酸的貯罐主體材料常選用超低碳高鉻鎳不銹鋼904L(UNS N08904)，其余設備選用奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼，濕法食品級磷酸項目中，據統計每個裝置904L為主體材料的設備有6臺，UR45N+為主體材料的設備有56臺。食品級磷酸產品成分對雜質含量要求極為嚴格，表1為宏福公司企業標準Q/HF22-2004(摘錄)。

表1

1 材料簡介

UR45N+在濕法食品級磷酸項目的設備制造實際應用國外有成功經驗，2005年國內首次應用，雙相鋼UR45N+的焊接成為設備工程制造中技術難題，焊材的選用，焊縫熔敷化學成分，金相組織能否接近母材組織，是控制設備質量非常重要的環節。

食品級磷酸中雜質的金屬離子含量極低，要求在生產過程中設備母材在工藝介質腐蝕率越低越好，溶入工藝介質金屬離子越少，食品級磷酸產品品質越高。用于制作設備母材化學成份，金相組織是否達到材料標準要求比較關鍵，因此，必須對進廠原材料按材料爐號進行化學成分、金相組織(金相法)的復驗。復驗部分結果如表2。

表2

所檢測化學元素成分(質量百分比%)均符合ASME SA240/SA240M 2010ED UNS S32205相關要求，鐵素體含量(%)達到保證值45% ～55%，最小抗點腐蝕系數PREN≥36%。焊接材料選擇含鎳量(Ni)為9%高于母材URANUS45N+焊條，生產商為法國AIR LIQUIDE WENDNG FRANCE公司，SAF-FRO牌LEXAL E22 9 3 N焊條，焊條熔敷金屬化學成份復驗值(表3)。

表3

所檢測化學元素成分(質量百分比%)、鐵素體含量(%)均符合 ASME SFA5.4/SFA-5.4M 2010ED LEXAL E22 9 3 N相關要求。

2 雙相鋼焊接特點的研究

雙相鋼與純奧氏體不銹鋼焊接方法基本相同，焊接坡口的設計、加工保證熔透且不燒穿，盡量采用窄坡口尺寸;中厚板焊接前不需預熱;層間溫度不能大于100℃，即焊完一道焊縫后停下來待冷卻后再施焊第二道焊縫;焊接過程優先使用窄焊道，多層多道施焊，有利于焊縫中鐵素體轉換為奧氏體。應避免焊接接頭拘束焊度過大，如強力組對，兩焊件厚度相差較大，沒有進行削薄處理等;盡可能進行背面清根雙面焊，并對焊道進行清理打磨，如果無法實現，可用鎢極氬弧焊打底，單面焊背面成形的方法，同時背面用氬氣或其它氣體保護，這一方法對背面無法焊接焊縫絕對有益;盡量確保用較低的熱輸入來焊接與工藝介質接觸面的蓋面焊;選擇合適的熱輸入，在焊接電流、電壓不變情況，選擇合適的焊接速度，有效控制熱輸入，達到控制焊接冶金中雙相鋼鐵素體(δ相)轉變奧氏體(γ相)的冷卻時間的目的。雙相鋼由1 200℃冷卻到800℃是鐵素體(δ相)轉變奧氏體(γ相)決定性作用的冷卻時間，一方面避免焊后由于冷速過快而在熱影響區產生過多的鐵素體，另一方面要避免冷速過慢在熱影響區形成過大的晶粒和氮化鉻。過多鐵素體或過大晶粒和氮化鉻都會降低焊接接頭耐腐蝕性能和韌性［1］。

3 焊接材料的選擇

雙相鋼的焊接材料選用比母材含鎳量高和母材相同的含氮量，增加鎳(Ni)含量用來消除焊縫由于過多的鐵素體使鐵素體和奧氏體的不均勻性增加帶來的抗蝕能力影響。如果焊接速度過慢，接頭可能過熱，氮化鉻會在鐵素體含量較高的熱影區出現，鎳可減緩析出速度，富鎳焊縫中不會出現氮化鉻析出物，減小接頭韌性和耐蝕性能下降的影響［1］。

4 焊接工藝參數

1)試板尺寸δ8×125×700，材料牌號:URANUS 45N+。

2)焊接方法、位置及焊條牌號:SMAW，平焊，LEXAL E22 9 3 N。

3)坡口型式及尺寸(圖1)。

圖1

4)焊接工藝參數(表4)。

表4

5)焊接接頭性能要求及檢驗標準(表5)。

表5

6)檢驗項目及試驗結果

焊縫外觀檢驗，無損檢測，拉伸、彎曲試驗，沖擊、硬度試驗均符合NB/T47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》和相應試驗標準要求。

晶間腐蝕試驗按ASTM A262-02a E法(H2SO4-CuSO4)進行腐蝕試驗，以4倍試件厚度(2 mm～4 mm)彎心進行彎曲試驗，在10倍放大鏡下觀察，無因晶間腐蝕產生的裂紋。

點腐蝕試驗按ASTM G48-03A進行試驗，4塊試件在30℃ ±2℃恒溫的6%FeCl3溶液試驗浸泡24 h，尺寸20 mm×50 mm×5 mm留有焊縫原始表面4塊試件的腐蝕率均小于10 mdd(mg/dm2·day)，試件表面無點腐蝕現象。但將試驗溶液溫度提高到35℃ ±2℃，其它條件不變，試件的焊縫及母材表面均有點腐蝕現象，腐蝕率均大于10 mdd，試件腐蝕形貌見圖2。

可見，ASTM G48-03A試驗溫度影響很大，在材料訂貨合同須特別關注點腐蝕試驗報告中試驗溫度，直接影響母材與工藝介質相適應的問題。

鐵素體含量測量，采用ASTM E562-02金相法測量焊縫、熱影響區的鐵素體，焊縫鐵素體平均值為41%，熱影響區的鐵素體平均值為43%;用鐵素體儀測量焊縫鐵素體平均值為36%(儀器測量值比金相法ASTM E562-02測量值偏低)。

圖2

5 焊接人員培訓

選定焊材，確定焊接工藝(不同板厚)，焊工焊接技術對焊接熱輸入穩定性有重要影響，焊接人員施焊產品前，須針對焊接速度進行熟練性培訓，焊條規格φ3.2，板對接平焊焊接速度:180～200 mm/min;板對接立焊焊接速度:140～160 mm/min;板對接橫焊焊接速度:200～240 mm/min，焊接手法勻速、穩定，不能太快或太慢。焊縫波紋細密，均勻，表面顏色銀白色或金黃色。

6 結論

由于1 200℃冷卻到800℃冷卻速度不僅同熱輸入大小有關，還同焊接的工件板厚有關，焊接工件厚度越大，溫度降得越快，因此需要適當增大一定的熱輸入。經多次對不同板厚URANUS 45N+進行焊接工藝試驗，總結了不同板厚的URANUS 45N+焊接熱輸入(表6)。施焊后用鐵素體測量儀進行焊縫鐵素體測量，焊條電弧焊的焊縫鐵素體占30～40%。

表6

7 結束語

UR45N+雙相不銹鋼具有良好的焊接性能，選擇含鎳量高于母材的焊材，根據不同板厚選擇相適應的焊接熱輸入，合理的焊接工藝參數，訓練有素焊接人員嚴格執行工藝紀律，一定能確保設備焊接質量。2005年，2012年用相同工藝制造食品級磷酸項目UR45N+雙相鋼設備，至今所有設備運行正常，狀況良好，磷酸品質符合企標Q/HF22-2004相關指標。每套裝置共56臺塔、槽、罐，由于在項目中大量使用UR45N+雙相鋼材料，降低設備直接成本約20%，同時UR45N+在國內成功焊接和應用，對化工行業應用UR45N+雙相鋼提供寶貴的經驗和借鑒，有著積極的意義。

［1］ Erich Folkhard(德).不銹鋼焊接冶金［M］.化學工業出版社，2004

［2］ 左景伊.腐蝕數據手冊［M］.化學工業出版社，1998

［3］ Q/HF22-2004.食品級磷酸企業標準［S］.貴州宏福公司技術開發中心，2004