耐硫酸腐蝕鋼NS1—2的性能特點及焊接工藝研究

李孟良　王海強　李?！≮w華　郭洪寧　鄭志東

摘要：文章在對耐硫酸腐蝕鋼NS1-2的性能特點進行分析的基礎上，通過焊接性分析對耐硫酸腐蝕鋼NS1-2的焊接工藝進行研究，整理出了耐硫酸腐蝕鋼NS1-2用于火電機組煙囪鋼內筒的焊接工藝，可為今后同類鋼的焊接提供借簽。

關鍵詞：耐硫酸腐蝕鋼NS1-2；焊接性；碳當量；焊接工藝；煙囪鋼內筒 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG142 文章編號：1009-2374（2016）23-0070-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.23.033

1 概述

耐硫酸腐蝕鋼是耐候鋼的一種，通過添加少量的合金元素，使其具有良好的耐腐蝕性能的低合金強度鋼。這種鋼的耐腐蝕性能為普通碳鋼的2～8倍，使用時間越長，耐腐蝕性能越突出；除具有良好的耐腐蝕性外，還具有優良的成形、焊接等使用性能。

NS1-2鋼的最大特點是含有少量的具有防腐蝕作用的Cu、P、Cr等元素，其優良的防腐蝕性能，主要與所含合金元素Cu、P有關。Cu、P在鋼中起著活性陰極的作用，在一定條件下可以促使鋼產生陽極鈍化，從而降低鋼的腐蝕速度；Cu在銹層中的富集還能夠改善銹層的保護作用，可阻止鐵銹的進一步深入。

NS1-2鋼的耐腐蝕性能遠高于普通碳鋼，由上海三鋼開發研制，被廣泛應用于火電機組的建設中，通過各個使用單位反饋的情況證實，NS1-2耐硫酸腐蝕用鋼非常適合燃煤電廠煙囪鋼內筒的使用環境。由我公司承建的印度塔爾萬迪3×660MW燃煤電站項目正是采用NS1-2耐硫酸腐蝕鋼作為煙囪鋼內筒用鋼，并在現場進行了工藝評定試驗。

2 NS1-2鋼的性能特點

NS1-2鋼之所以具有良好的耐腐蝕性能，其中合金元素起到了決定性作用，主要包括：（1）降低銹層的導電性能，自身沉淀并覆蓋鋼表面；（2）影響銹層中物相結構和種類，阻礙銹層的生長；（3）推遲銹的結晶，加速鋼的均勻溶解；（4）加速Fe2+向Fe3+的轉化，并能阻礙腐蝕產物的快速生長。主要合金元素的作用如下：

C：對鋼的耐腐蝕性能不利，同時影響鋼的焊接性能、冷脆性能和沖壓性能等，因此C含量被控制在0.12%以下。

Cu：加入0.2%～0.4%的Cu后，使其耐腐蝕性能大幅提高，具體原理為：（1）鋼與表面二次析出的Cu之間的陰極接觸，促使鋼陽極鈍化，從而形成保護性較好的銹層；（2）Cu在基體與銹層之間形成以Cu、P為主要成分的阻擋層，它與基體結合牢固，具有較好的保護作用。

P：磷是提高鋼耐腐蝕性能的主要元素之一；當P與Cu聯合加入鋼中時，將顯示出更好的復合效應。在煙氣腐蝕條件下，鋼中的P是陽極去極化劑，它在鋼中能加速鋼的均勻溶解和Fe2+的氧化速率，有助于在鋼表面形成均勻的α-FeOOH銹層，促進生成非晶態羥基氧化鐵FeOx（OH）3-2x致密保護膜，從而增大了電阻，成為腐蝕介質進入鋼基體的保護屏障，使鋼內部免遭煙氣腐蝕。另外，當P形成PO43+時還可以起到緩蝕作用。

Cr：它能在鋼的表面形成致密的氧化膜，提高鋼的鈍化能力；當Cr與Cu同時加入鋼中時，效果尤為明顯。另外，Cr元素可以阻止干濕交替過程中，干燥時Fe3+向Fe2+的轉化，從而提高鋼的耐腐蝕性能。

Si：硅與其他元素如Cu、Cr、P配合使用可以改善鋼的耐腐蝕性能，較高的Si含量有利于細化α-FeOOH銹層，從而降低鋼整體的腐蝕速率。

S：硫元素起不良作用，作為殘余元素其含量應被控制在0.04%以下。

3 焊接性分析

3.1 化學成分和力學性能

由南京鋼鐵股份有限公司出具的鋼材材質證明可以得知NS1-2鋼的化學成分和力學性能數據分別如表1和表2所示，材質證書編號為：110801P01281。

3.2 化學成分分析

鋼材的化學成分對焊接熱影響區的淬硬及冷裂紋傾向有直接影響，因此可以用化學成分來分析其冷裂敏感性。各種元素中，碳是對冷裂敏感性影響最顯著的一個，因此我們就將各種元素都按相當于若干含碳量折合并疊加起來求得所謂的碳當量（CE或Ceq），用CE或Ceq來估計冷裂傾向的大小。

采用國際焊接學會（IIW）推薦的碳當量公式計算出碳當量如下：

CE=C+Mn/6+（Ni+Cu）/15+（Cr+Mo+V）/5=0.381%

由于CE=0.381%<0.41%且含C=0.08%<0.207%，所以焊接厚度小于37mm的NS1-2鋼板時可以不預熱。

采用日本JIS和WES推薦的碳當量公式計算出的碳當量如下：

Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14=0.377%

由于Ceq=0.377%<0.46%，抗拉強度=490MPa<500MPa，所以焊接厚度小于25mm且焊接線能量小于17kJ/cm的鋼板時可以不預熱。

由以上兩種碳當量計算方法得出的NS1-2鋼的碳當量可知：NS1-2鋼的冷裂傾向較小，當焊接厚度不超過25mm的鋼板時，在合理的焊接線能量輸入的情況下，可以不進行焊前預熱措施。

4 焊接工藝的確定

4.1 預熱溫度

本次工藝評定試驗所選用的NS1-2的鋼板為現場實際使用的鋼板，厚度為16mm；通過上文對其碳當量的分析，結合施工現場的環境溫度，在合理控制焊接線能量的情況下，不需要進行預熱，因此預熱溫度為環境溫度。

4.2 焊接方法

根據現場實際情況，加上手工電弧焊有設備簡單、工藝靈活、適應性強等優點，結合設計要求，選用手工電弧焊背面清根雙面焊的焊接工藝。

4.3 焊接材料

根據NS1-2鋼耐硫酸腐蝕的性能特點，為了使焊縫具有相似的性能，就要選擇同樣具有耐蝕性的焊接材料；結合NS1-2鋼的化學成分和力學性能，選用AWS A5.5的E8018-W2耐候鋼焊條，焊條的化學成分如表3所示；焊條使用前要在350～400℃烘培1小時，使用時放在80℃～100℃的保溫桶中隨用隨取。

4.4 坡口形式

由于現場施工時，所有坡口均在現場加工，結合現場實際情況，選用V型坡口。采用這種形式的坡口，還有以下兩個優點：（1）環焊縫結構時，平焊位置施焊條件好，焊接電流、焊接速度可以適當增大；（2）坡口兩側，電弧停留時間可加長，防止咬邊，且焊工操作容易，焊接質量也可相應提高。坡口形式均采用機械加工完成，焊前坡口處及其周圍必須清理干凈油污、鐵銹、水分等雜質。

4.5 焊接工藝參數

焊接時線能量不易過高，否則將使熱影響區過寬，粗晶區擴大，造成焊接接頭韌性下降。因此焊接時的層間溫度控制在250℃以下，適宜的焊接工藝參數如表4所示：

5 試驗結果

5.1 硬度

（1）近表面硬度值為：母材180.5VHN，熱影響區207、191VHN，焊縫243VHN；（2）層間硬度值為：母材170.5VHN，熱影響區205、189VHN，焊縫233VHN；（3）根部硬度值為熱影響區206、188VHN，焊縫232VHN。

硬度測試依據標準ASTM E92進行，具體硬度檢查結果見表5所示：

5.2 力學性能

根據ASME第Ⅸ卷中的QW462.1a進行了拉伸性能測試（見表6），根據ASME第Ⅸ卷中的QW462.3（a）和QW466.1進行了彎曲性能測試（見表7）。

5.3 試驗結果分析

（1）兩個試樣的抗拉強度分別為502MPa和509MPa，且均斷在母材，結果合格；（2）四個焊縫彎曲試樣，試驗后均未在外表面發現裂紋，結果合格；（3）硬度值沿厚度方向從表面到根部硬度平均值分別為：母材硬度為180.5VHN、170.5VHN；焊縫一側的熱影響區硬度為207VHN、205VHN、206VHN；焊縫另一側的熱影響區硬度為191VHN、189VHN、188VHN；焊縫硬度為243VHN、233VHN、232VHN，所有硬度值均在合格范圍之內。

6 結語

據統計，全世界所有的金屬制品中，每年由于腐蝕而報廢的重量，大約相當于金屬年產量的三分之一，因此擴大耐蝕鋼的應用及研究其焊接工藝具有重大的經濟意義。本項目對應用于煙囪鋼內筒的NS1-2耐硫酸腐蝕鋼采用上述焊接工藝進行施焊，試驗結果表明在滿足其本身耐蝕性的基礎上，焊縫熔敷金屬的力學性能也很好地滿足了母材的要求，可為今后同類鋼材的焊接提供參考和借鑒。

參考文獻

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作者簡介：李孟良（1980-），男，河南洛陽人，山東電力建設第一工程公司工程師，研究方向：金屬焊接技術管理。

（責任編輯：蔣建華）