淺談S32750 雙相不銹鋼的焊接工藝和耐腐蝕性能

金錦榮

中石化寧波工程有限公司 浙江寧波 315103

雙相不銹鋼是不銹鋼的一個重要分支，一般是指在固溶組織中奧氏體相與鐵素體相各占一定含量，且較小相含量至少30%的不銹鋼。由于其為一種混合顯微組織，按照相平衡原理，可以設(shè)計生產(chǎn)成不同相比例的鋼種，滿足不同的材料性能要求。雙相不銹鋼的物理性能介于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間，具有較高的強度，可以減輕工件重量，同時具有比奧氏體不銹更良好的耐腐蝕性，在工程上也易加工制造。所以，雙相不銹鋼在石油化工設(shè)備和工藝管道工程中被廣泛使用。

雙相鋼不銹鋼的制造工藝一直在發(fā)展，按照其合金成分含量的不同，在石化工程領(lǐng)域主要使用22Cr- 5Ni 型（UNS 標 號 為S31083/ S32205， 對 應(yīng) 國 標 代 號 為S22253/ S22053）和25Cr- 7Ni 型（UNS 標號為 S32750，對應(yīng)國標代號為S25073）兩大種類[1]。其中，22Cr- 5Ni 型是主要的雙相不銹鋼鋼種，約占雙相不銹鋼鋼總量的一半以上，廣泛應(yīng)用于煉油化工設(shè)備（如常減壓裝置）、油氣輸送管道、甲醇合成反應(yīng)器等工程項目，在焊接施工中可采用的焊接方法與焊材種類也較多，焊接工藝相對成熟。25Cr- 7Ni 型雙相不銹鋼主要應(yīng)用在工業(yè)用水及海水熱交換器、尿素高壓設(shè)備及脫鹽淡化設(shè)備等裝置，其鋼材大多來自進口，焊接材料及焊接工藝還沒有完全標準化，目前可選擇的焊接材料也有限，有些焊接工藝與措施產(chǎn)生的效果有待驗證。因此，在實際施工中，25Cr- 7Ni 型雙相不銹鋼的焊接工藝還需要開發(fā)與調(diào)整。

1 項目概況

某石化項目氣化裝置的酸性水介質(zhì)管道，設(shè)計溫度288℃、設(shè)計壓力7.59MPa，管道材質(zhì)選用S32750 雙相不銹鋼（屬于25Cr- 7Ni 型雙相不銹鋼），管道規(guī)格219×8.18。該項目所采購的S32750 雙相不銹鋼管道是焊接管，卷制所采用的鋼板為日本新日鐵公司產(chǎn)品，由常州一家管道成套件公司采用PAW、GTAW 工藝制造。

S32750 雙相不銹鋼屬于高合金型的鋼種，焊接時容易氧化，原始鋼板的化學(xué)成分見表1。從保證焊縫質(zhì)量、施工的效率等方面來考慮，GTAW 焊接方法中氬氣有較好的保護作用，熔池的冶金反應(yīng)容易控制，易實現(xiàn)單面焊雙面成型，從而獲得高質(zhì)量的焊縫。因此，結(jié)合項目技術(shù)條件中有較高韌性的要求，針對壁厚在8～10mm 范圍的管道，項目施工優(yōu)先選擇全GTAW 工藝焊接。

表1 S32750 鋼板的化學(xué)成分 %

根據(jù)與母材化學(xué)成分、力學(xué)性能指標相匹配的原理，焊材選用時須保證焊縫金屬力學(xué)性能高于或等于母材規(guī)定限值。考慮到國外焊接材料的采購周期相對比較長，焊接試驗采用的焊絲為國內(nèi)一家專業(yè)焊材廠的產(chǎn)品，焊絲牌號為GTS- 2594，批號B1S147T ，其化學(xué)成分見表2。比較母材與焊絲主要元素的含量，焊絲的Ni 含量比母材高2%左右，N 含量與母材相近，這也是含氮雙相不銹鋼選用焊材的經(jīng)驗做法。

表2 GTS- 2594（ER2594 型）焊絲化學(xué)成分 %

雖然雙相不銹鋼的強度比較高，機械加工難于一般的奧氏體不銹鋼，但在生產(chǎn)實踐中為保證管道的組對質(zhì)量，坡口的加工宜采用機械法。根據(jù)項目現(xiàn)場管道的實際厚度，采用的坡口形式及尺寸如圖1 所示，且坡口的表面不能有裂紋、分層等缺陷。

圖1 坡口形式和尺寸

2 焊接工藝與性能試驗

2.1 焊接工藝

管件組對前，清理坡口面及兩側(cè)母材表面20mm 范圍內(nèi)的氧化物、油污、熔渣及其他有害物。焊接采用直流正接法，管件的焊接工藝參數(shù)見表3，表中的焊接參數(shù)與焊材廠家推薦的工藝參數(shù)相近。

表3 管件的焊接工藝參數(shù)

管件施焊過程中，正面焊槍氬氣流量保持在10～12L/ min，焊縫背面需進行充氬保護，流量控制在8～10L/ min。在焊接時保持微正壓狀態(tài)，至少焊接兩層方可停止背面氣體保護，防止管道背面焊縫金屬被氧化，道間溫度≤150℃。

2.2 焊接接頭的力學(xué)性能試驗

焊接后的試件經(jīng)外觀檢查合格后，按NB/ T47013 進行射線檢驗，Ⅱ級為合格。射線檢測合格的試件，依照NB/ 47014 等相關(guān)標準要求加工試樣，然后進行力學(xué)性能及腐蝕率測定等試驗。拉伸試驗、彎曲試驗和沖擊試驗分別執(zhí)行GB/ T228、GB/ T2653 和GB/ T229 相關(guān)要求。焊接接頭的力學(xué)性能試驗結(jié)果見表4，由表可見，拉伸、彎曲試驗全部合格，但低溫沖擊值不合格。

表4 焊接接頭的力學(xué)性能試驗值

2.3 焊接接頭的腐蝕試驗

腐蝕試驗按ASTM 983 方法C 進行，這是用來檢驗雙相不銹鋼發(fā)生點腐蝕的試驗方法，試樣規(guī)格、數(shù)量與腐蝕率見表5。點腐蝕一般是應(yīng)力腐蝕的起始部位，是對雙相不銹鋼性能最有害的腐蝕類型之一[2]。

表5 腐蝕試驗參數(shù)與腐蝕率

3 調(diào)整焊接工藝后的試驗

考慮到?jīng)_擊韌性和腐蝕率是考核雙相不銹鋼焊接接頭的重要性能指標，為獲得最佳的焊縫金屬性能，一般認為較大的焊接熱輸入量會使焊縫金屬組織晶粒長大，降低焊接金屬低溫下的韌性。所以，調(diào)整焊接工藝參數(shù)，采用小工藝規(guī)范重新焊接管件，熱輸入量控制在7500～14000J/ cm，同時降低道間溫度50℃，每層的道間溫度≤100℃，防止焊縫金屬、熱影響區(qū)在高溫下停留時間過長。為避免焊縫金屬過快冷卻，導(dǎo)致有害相析出，不建議采用下限的熱輸入量。其余焊接工藝參數(shù)不變，針對低溫沖擊、腐蝕試驗等兩個不合格項再次焊接管件進行試驗。

管件焊縫經(jīng)射線檢測合格后，進行低溫沖擊試驗、氯化鐵點腐蝕試驗，結(jié)果見表6。由表可見，沖擊韌性和腐蝕率仍然不合格。

表6 焊接接頭的低溫沖擊值與腐蝕率

雙相不銹鋼由于奧氏體相的作用，一般具有較好的韌性，但也具有奧氏體不銹鋼存在的σ 相脆性、475℃脆性的特點。σ 相是一種Fe- Cr 化合物，硬且脆，475℃脆性一般發(fā)生在鐵素體含量較高的焊縫內(nèi)。雙相不銹鋼中Cr 是強烈形成和穩(wěn)定鐵素體的元素，Mo 是鐵素體的形成元素，Cr、Mo 還能促進σ 相析出。因此，S32750 雙相不銹鋼中Cr、Mo 元素的增加，會使其脆化性比22Cr- 5Ni 型雙相鋼大。從表6 中的沖擊試驗值可以看出，S32750 雙相不銹鋼焊縫金屬的沖擊值比熱影響區(qū)下降得快，所以控制雙相不銹鋼焊材中的合金成分很重要。

在兩個不合格項目重新試驗的同時，對焊縫金屬進行鐵素體含量與非金屬夾雜物檢驗。鐵素體含量檢驗按GB/ T1954 金相法，測得焊縫鐵素體含量為40.25%，符合施工技術(shù)文件中鐵素體35%～55%的要求。

非金屬夾雜物依據(jù)ASTM E45 標準最嚴重視野法進行檢驗，焊縫金屬夾雜物類型[4]與評級結(jié)果見表7。可見，評級結(jié)果符合施工技術(shù)文件B≤2.0 級、D≤1.5 級且A+B+C+D≤5 的要求。非金屬夾雜物的組成和分布對點腐蝕有較大影響，硫化物類夾雜物是形成點腐蝕最敏感的部位[5]。本次檢驗的焊縫金屬中沒有發(fā)現(xiàn)硫化物類夾雜物。

表7 焊縫金屬夾雜物類型與評級

4 耐腐蝕性能試驗

雙相不銹鋼耐腐蝕能力主要取決于合金元素的作用，在氯化物環(huán)境中影響點腐蝕的主要合金元素是Cr、Mo和N。合金元素與腐蝕性能之間的關(guān)系可采用抗點腐蝕當量描述，抗點腐蝕當量表示雙相不銹鋼耐腐蝕的等級，數(shù)字越大代表耐腐蝕性越好。當雙相不銹鋼鋼含≥25%Cr、≥3.5%Mo、≥0.02%N 時，抗點腐蝕當量可增加到40以上，S32750 管材的抗點腐蝕當量≥41[6]。

在本項目的施工案例中，S32750 母材的抗點腐蝕當量 為：PREN=% Cr+3.3% Mo+16% N=25.03+3.3 ×4.15+16×0.26=42.9；GTS- 2594 焊絲的抗點腐蝕當量為：PREN=%Cr+3.3%Mo+16%N=24.83+3.3×4.01+16×0.24=41.9。對焊絲GTS- 2594 按AWS A5.9 中相關(guān)條款進行化學(xué)成分復(fù)驗，測得焊絲的合金成分，其中Cr、Mo、N 分別為24.99%、3.98%、0.20%。由此，計算S- 2594 焊絲的實際抗點腐蝕當量：PREN=%Cr+3.3%Mo+16%N=24.99+3.3×3.98+16×0.20=41.342。

從焊絲復(fù)驗結(jié)果可知，國內(nèi)某焊材廠家生產(chǎn)的S32750 雙相不銹鋼焊絲抗點腐蝕當量低于母材，在焊接熱循環(huán)作用下，焊絲合金元素會出現(xiàn)氧化燒損，焊接后焊縫中的合金含量與抗點腐蝕當量還將降低。因此，在焊接狀態(tài)下，該焊接接頭的耐腐蝕性能會減弱，影響焊縫金屬在介質(zhì)中的腐蝕率。按焊材復(fù)驗要求在板狀試塊上堆焊熔敷金屬，對GTS- 259 焊絲的熔敷金屬按ASTM 983 C法進行腐蝕性試驗，腐蝕試樣規(guī)格50mm×15mm×15mm，測得焊絲熔敷金屬腐蝕率為537.89、760.63mdd，屬于超標。焊絲熔敷金屬的點腐蝕試樣及腐蝕部位見圖2所示。

圖2 腐蝕試樣及點腐蝕部位

在本次S32750 雙相不銹鋼焊接試驗期間，筆者走訪了提供這兩次試驗焊材的國內(nèi)某焊材廠。據(jù)了解，這批焊材采用的焊芯為法國一家品牌鎳基鋼絲廠的產(chǎn)品，在焊材廠國內(nèi)生產(chǎn)基地拔絲加工而成。焊材生產(chǎn)廠得知本試驗過程中兩次腐蝕率不合格，當即對該批次焊材進行復(fù)驗。復(fù)驗按焊材標準中的第三方仲裁試驗法進行，測得的腐蝕率為150mdd，同樣為不合格。事后廠家承認該批次的焊材在出廠前沒有按批號進行腐蝕試驗，提供給我們的焊材質(zhì)量證明文件書中的腐蝕率是以往焊材試驗的數(shù)據(jù)。

4.1 重新選擇焊材牌號

由于S32750 雙相不銹鋼沒有2205 型雙相不銹鋼應(yīng)用廣泛，目前國內(nèi)焊材的生產(chǎn)還沒標準化，能提供相應(yīng)焊材牌號的焊絲廠家有限。因此，進行第三次焊接試驗時，選擇從事雙相鋼焊材開發(fā)比較早的某歐洲焊材公司研制的焊材，焊絲牌號為AVESTA2507，批號103377，其化學(xué)成分見表8，抗點腐蝕當量：PREN=%Cr+3.3%Mo+16%N=25.22+3.3×4.02+16×0.24=42.326。

表8 AVESTA 2507（ER2594 型）焊絲化學(xué)成分 %

焊接試件時，采用GTAW 的工藝基本與第二次試驗相同，僅調(diào)整保護氣體氬氣的純度，氬氣含量為99.999%。第三次焊接試驗的低溫沖擊值與腐蝕率見表9。可見，沖擊試驗結(jié)果符合指標要求，腐蝕率仍為不合格，同時測得該焊縫金屬的鐵素體含量41.6%，熱影響區(qū)鐵素體含量51.2%。

表9 焊接接頭的低溫沖擊值與腐蝕率

4.2 改變?nèi)酆媳龋瑴p少填充金屬量

本項目的S32750 雙相不銹鋼管道是采用新日鐵公司的鋼板焊制而成，卷制焊接前，測得原始鋼板的腐蝕率為0.02798mdd，耐腐蝕性能符合要求。但在焊態(tài)下，由于雙相不銹鋼焊縫金屬為鑄狀組織，合金成分的稀釋與組織具有不均性，在多道焊接時，疊加熱循環(huán)作用，相的轉(zhuǎn)變不平衡，會造成奧氏體相減少，甚至形成鐵素體大晶粒，使焊縫金屬的鐵素體含量升高，導(dǎo)致焊縫金屬的耐腐蝕性能降低，不能保持到母材的水平。

在GB/ T21833- 2020《奧氏體- 鐵素體型雙相不銹鋼無縫鋼管》、AWS A5.9《不銹鋼光焊絲和填充絲標準》等標準中，對鋼材與焊接材料是否進行腐蝕試驗沒有明確要求；在GB/ T21832- 2018《奧氏體- 鐵素體型雙相不銹鋼焊接鋼管》中，點腐蝕試驗是作為特殊要求需在合同中注明的。本項目的管道成套廠焊評報告中沒有提供焊接接頭的點腐蝕試驗數(shù)據(jù)。由此可見，在現(xiàn)行標準規(guī)范中點腐蝕試驗僅是考核S32750 雙相不銹鋼母材、焊材及其焊接接頭性能的一個選擇項目。當焊接接頭選擇耐腐蝕性能時，需要含有較高合金的填充金屬，而目前焊材廠實際產(chǎn)品的合金含量或配比可能無法滿足這樣的要求。

調(diào)整熔合比，減少焊材合金元素在焊縫金屬中的比例，可使焊縫金屬獲得與母材相近的耐腐蝕能力。在其余焊接工藝參數(shù)不變的情況下，改變焊接坡口尺寸進行對比試驗，當坡口角度從70±5°改為40±5°時，焊縫金屬在焊接接頭中的填充金屬量減少約33%，焊接接頭的耐腐蝕性能會接近母材水平。通過這樣的工藝調(diào)整，重新焊接試件進行金相微觀和腐蝕試驗，結(jié)果如圖3 所示。由圖可見，焊縫金屬組織為鐵素體和奧氏體均勻分布，未見第三相沉淀。測得焊縫鐵素體含量為38.06%，熱影響區(qū)鐵素體含量47.16%，鐵素體的含量也相應(yīng)降低。按ASTM 983 C 法進行腐蝕試驗，測得的焊接接頭腐蝕率為1.46mdd，達到≤10mdd 的標準要求。

圖3 焊縫金屬組織圖

5 結(jié)語

（1）S32750 雙相不銹鋼的焊接性能良好，管件的施焊過程中沒有產(chǎn)生裂紋、未熔合等焊接缺陷，焊縫金屬中的非金屬夾雜物評級均為合格，焊接接頭的力學(xué)性能可以達到指標要求，奧氏體- 鐵素體的雙相比例要求也能實現(xiàn)。

（2）焊接材料的牌號與成分對S32750 雙相不銹鋼焊接接頭的性能有明顯影響。由于目前國內(nèi)批量生產(chǎn)S32750 雙相鋼焊材的廠家不多，從實際生產(chǎn)S32750 雙相不銹鋼焊材的能力保障來考量，現(xiàn)階段S32750 雙相不銹鋼焊接施工不建議使用國產(chǎn)焊材。

（3）根據(jù)現(xiàn)行焊接工藝評定標準，對焊接接頭力學(xué)性能的考核要求是高于或等于母材規(guī)定的值，焊接接頭的點腐蝕試驗是否用來評定雙相鋼焊縫金屬性能，沒有明確說明；在SH/ T3523《石油化工鉻鎳不銹鋼、鐵鎳合金、鎳基合金及不銹鋼復(fù)合鋼焊接規(guī)范》中也沒有涉及。在鋼材和焊接材料對耐點腐蝕性均無明確要求的情況下，全面考核焊接接頭的耐點腐蝕能力是否過于苛刻？對于S32750 雙相不銹鋼焊接接頭開展腐蝕性試驗的條件和適應(yīng)性，希望將來有更多的試驗數(shù)據(jù)來支持，完善規(guī)范相應(yīng)的內(nèi)容。

（4）焊接工藝對焊接接頭的耐腐蝕性能有一定影響，可以通過減小坡口角度、調(diào)整熔合比，來改善焊縫金屬性能。當在焊接接頭中的填充金屬量減少到一定比例時，可以提高焊接接頭的耐腐蝕性能。