2507超級(jí)雙相鋼焊接工藝分析及其在中壓分解塔中的應(yīng)用

陳美全，王傳標(biāo)，范海俊

(合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽 合肥 230031)

1 概述

2507超級(jí)雙相鋼在固溶狀態(tài)下由奧氏體和鐵素體組成，具有屈服強(qiáng)度高、韌性良好、疲勞強(qiáng)度高和耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，2507超級(jí)雙相鋼在石油化工設(shè)備、海水處理設(shè)備和輸油輸氣管線等腐蝕性能要求較高的工業(yè)領(lǐng)域獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

中壓分解塔是尿素裝置中的關(guān)鍵設(shè)備之一，介 質(zhì) 為 甲 銨 液、NH3和 CO2， 工 作 壓 力 1.7MPa，工作溫度160℃，材料選用2507，封頭規(guī)格為EHA2600mm×20mm，筒體規(guī)格為φ2600mm×18mm，錐殼規(guī)格為φ2600mm/φ472×18mm，主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 設(shè)備主體結(jié)構(gòu)

表1 母材和焊材化學(xué)成分

表2 母材和焊材力學(xué)性能

表3 焊接工藝參數(shù)

表4 焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

2 2507超級(jí)雙相鋼焊接關(guān)鍵點(diǎn)分析

2.1 焊接性分析

2507超級(jí)雙相鋼具有良好的焊接性能，其Cr和Ni含量高于2505雙相鋼，與奧氏體不銹鋼相比，焊縫的熱裂紋傾向低，與鐵素體不銹鋼相比，焊縫焊后狀態(tài)的脆化程度低，而且熱影響區(qū)單相鐵素體相的粗化程度也比較低。由于2507在中溫有脆性相析出傾向，焊接時(shí)應(yīng)避免過(guò)大的熱輸入，盡量用小電流、高速焊、窄焊道和多道焊工藝，防止熱影響區(qū)晶粒粗化和單相鐵素體化。在焊縫金屬開(kāi)始凝固時(shí)，形成幾乎是全鐵素體組織，進(jìn)一步冷卻則在鐵素體晶界開(kāi)始形成奧氏體相，轉(zhuǎn)變成奧氏體相時(shí)伴隨著產(chǎn)生兩相之間Cr、Ni、Mo和N元素的重新分配。由于冷卻速度決定了可轉(zhuǎn)變成奧氏體的鐵素體數(shù)量，因此在高溫受熱后的冷卻速度將直接影響相平衡。由于2507含碳量低、熱裂傾向小，焊前不需要預(yù)熱。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

焊接接頭的力學(xué)性能及耐腐蝕性能取決于鐵素體相與奧氏體相的比例，鐵素體含量過(guò)低將導(dǎo)致材料強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力下降，鐵素體含量過(guò)高則對(duì)耐腐蝕性能和沖擊韌性不利，當(dāng)比例接近于50%時(shí)綜合性能最好。在焊接過(guò)程中如何保證焊縫和熱影響區(qū)均保持適當(dāng)?shù)膬上啾壤蔀?507焊接的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。當(dāng)焊縫在800～1000℃范圍停留超過(guò)1分鐘，在焊縫和熱影響區(qū)可能形成σ相或氮化物相，這些組織可能造成力學(xué)性能和耐腐蝕性能降低，所以在焊接過(guò)程中控制層間溫度非常關(guān)鍵。

3 焊接工藝評(píng)定

3.1 焊接材料的選擇

綜合考慮焊縫的強(qiáng)度、韌性及耐腐蝕性，一般選擇與母材成分相近的焊材，本次選用國(guó)產(chǎn)焊材E2594-16，化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2所示。

從表1可以看出，E2594-16焊材的Cr、Ni和Mo含量比母材2507略高，N含量比母材2507略低。從表2中可以看出，焊材的抗拉強(qiáng)度比母材高，延伸率比母材低。

3.2 焊前準(zhǔn)備

焊接工藝試板選用500mm×250mm×18mm。

3.2.1 坡口選擇

此試樣選擇V型單面坡口，坡口角度α=60±5，鈍邊p=2±1mm，間隙b=2±1mm，坡口的加工宜采用機(jī)械方法。

3.2.2 坡口清理

焊前清理坡口兩側(cè)內(nèi)、外表面各50mm范圍內(nèi)油污、鐵銹、水和其他影響焊縫性能的雜物，直至露出金屬光澤。

3.3 焊接工藝評(píng)定參數(shù)制定

焊接方法及參數(shù)如表3所示。

焊接線能量控制在 0.2～1.5kJ/mm，保護(hù)氣體采用98%Ar+2%N2，正面氣體流量8～10L/min，背面氣體流量10～12L/min，保護(hù)氣體中加入氮?dú)庵饕袃煞矫孀饔茫皇荖元素在焊縫凝固過(guò)程中有助于奧氏體的轉(zhuǎn)變從而控制兩相平衡；二是焊接過(guò)程中補(bǔ)充N(xiāo)元素的燒損，提高焊縫區(qū)域的抗腐蝕性能。層間溫度控制在100℃以?xún)?nèi)。

3.4 焊接工藝評(píng)定結(jié)果

3.4.1 外觀檢查及無(wú)損檢測(cè)

焊縫外觀檢查合格后，經(jīng)100%PT按NB/T 47013.5-2015Ⅰ 級(jí) 合 格， 經(jīng)100%RT按NB/T 47013.2-2015 Ⅰ級(jí)合格。

3.4.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，如表4所示。

3.4.3 相比例檢測(cè)

按ASTM E-562標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試焊接接頭相比例，其中母材、焊縫及熱影響區(qū)的鐵素體含量為47.5%～53.5%，測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.4.4 腐蝕試驗(yàn)

按ASTM-A262標(biāo)準(zhǔn)B法檢測(cè)焊接接頭的晶間腐蝕敏感性，在硫酸鐵-50%硫酸溶液中煮沸120小時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

從表5可知，試樣平均腐蝕速率分別為0.2325 g/m2·h 和 0.2300g/m2·h，均低于標(biāo)準(zhǔn)要求的 1.6g/m2·h，抗晶間腐蝕性能良好。

按ASTM G46-2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇性腐蝕試驗(yàn)，任何方向上的腐蝕深度不超過(guò)100μm，經(jīng)測(cè)量腐蝕深度最大處為19μm，試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，如圖2所示。

圖2 腐蝕深度檢測(cè)

4 2507焊接工藝在中壓分解塔中的應(yīng)用及難點(diǎn)分析

4.1 2507焊接工藝在中壓分解塔中的應(yīng)用

工藝評(píng)定合格后應(yīng)用于中壓分解塔的制造。筒體段由五個(gè)筒節(jié)組成，共六道環(huán)縫，各筒節(jié)有一道縱縫，錐段共二道環(huán)縫，環(huán)、縱縫經(jīng)100%RT檢測(cè)，按NB/T47013.2-2015Ⅱ級(jí)合格要求，一次合格率達(dá)到98%。

4.2 難點(diǎn)分析及措施

在制造過(guò)程中容易出現(xiàn)下述問(wèn)題其解決措施如下。

（1）層間溫度和熱輸入量容易超標(biāo)

極低的熱輸入容易導(dǎo)致熔合區(qū)和熱影響區(qū)鐵素體含量過(guò)高，相應(yīng)降低韌性和耐蝕性。極高的熱輸入會(huì)增加形成金屬間相的危險(xiǎn)。解決措施是安排專(zhuān)人使用紅外線測(cè)溫儀及時(shí)監(jiān)控層間溫度。

（2）氬弧焊打底時(shí)氣體保護(hù)措施不到位

氣體保護(hù)措施不到位，焊縫有過(guò)熱及氧化現(xiàn)象。解決措施是保證氬氣和氮?dú)饧兌燃氨壤O(shè)計(jì)專(zhuān)用氣體保護(hù)罩，如圖3所示。

圖3 背面保護(hù)

（3）焊縫容易存在夾渣缺陷

在組裝過(guò)程中，圓度和組對(duì)間隙不易控制，焊道之間打磨不干凈容易導(dǎo)致局部夾渣缺陷。解決措施是通過(guò)打磨去除缺陷，表面100%PT檢測(cè)合格后按返修焊接工藝補(bǔ)焊，重新RT檢測(cè)，按NB/T47013.2-2015要求Ⅰ級(jí)合格。

（4）角焊縫焊渣清理時(shí)容易產(chǎn)生表面損傷

采用細(xì)磨方法去除焊渣，不宜采用旋轉(zhuǎn)電動(dòng)刷，因?yàn)楸砻嫒菀仔纬杉?xì)微裂縫。2507強(qiáng)度高，表面應(yīng)力大，表面缺陷容易誘發(fā)開(kāi)裂。不能隨意引弧，任何飛濺點(diǎn)應(yīng)清理干凈。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)2507超級(jí)雙相鋼的焊接性能進(jìn)行分析并制定焊接工藝，工藝評(píng)定合格后應(yīng)用于中壓分解塔的制造。結(jié)果表明，該工藝方法合理、可行，施焊效果良好，確保了設(shè)備的焊接質(zhì)量，總結(jié)了實(shí)際施工過(guò)程中常見(jiàn)問(wèn)題及解決措施。

參考文獻(xiàn)：

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