帶過渡層雙相不銹鋼帶極電渣堆焊管板工藝

郭海榮，邢　卓

(1.沈陽東方鈦業(yè)股份有限公司，遼寧沈陽 110168；2.沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司，遼寧沈陽110043)

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制造與安裝

帶過渡層雙相不銹鋼帶極電渣堆焊管板工藝

郭海榮1，邢卓2

(1.沈陽東方鈦業(yè)股份有限公司，遼寧沈陽 110168；2.沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司，遼寧沈陽110043)

摘要：應(yīng)用于煤炭間接液化項目中的低壓閃蒸冷凝器和真空閃蒸冷卻器的殼程屬于濕硫化氫腐蝕環(huán)境，要求所有與介質(zhì)接觸的材料(包括管板)均應(yīng)進行焊后消除應(yīng)力熱處理。直接以雙相不銹鋼堆焊的管板不能進行600~700 ℃的常規(guī)熱處理。為了消除管板堆焊后的殘余應(yīng)力，可采用以奧氏體不銹鋼作為過渡層，熱處理后再堆焊雙相不銹鋼耐蝕層的工藝。焊接工藝評定試驗結(jié)果表明，以奧氏體不銹鋼H309LMo為過渡層，以雙相不銹鋼H2209為耐蝕層的帶極電渣堆焊工藝，既可滿足管板的熱處理要求又滿足堆焊層的耐蝕性要求。

關(guān)鍵詞：雙相不銹鋼；帶極電渣堆焊；過渡層；焊接工藝評定；管板

0引言

2014年下半年，承接寧夏某煤化工企業(yè)400萬噸/年煤炭間接液化項目煤氣化及變換裝置中的24臺低壓閃蒸冷凝器(結(jié)構(gòu)見圖1)和24臺真空閃蒸冷卻器(結(jié)構(gòu)見圖2)的制造合同，這48臺容器均是浮頭式換熱器，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1低壓閃蒸冷凝器結(jié)構(gòu)示意

圖2　真空閃蒸冷卻器結(jié)構(gòu)示意

項目低壓閃蒸冷凝器真空閃蒸冷卻器殼程管程殼程管程介質(zhì)水和酸性氣循環(huán)水水和酸性氣冷卻水工作溫度(進/出)/℃134.2/124.366.2/109.470.1/6030/42工作壓力/MPa(G)0.21.1-0.0690.5設(shè)計溫度/℃17014015065設(shè)計壓力/MPa(G)1.15/FV(真空)1.50.35/FV0.80腐蝕裕量/mm4.04.04.03.0程數(shù)1612水壓試驗壓力/MPa1.641.890.461.0容器類別Ⅱ—換熱面積/m2772588主要受壓元件Q245R20鋼(Ⅲ級鍛件)Q345RS32205Q245R20鋼(Ⅲ級鍛件)Q345RS32205

兩種容器的左管箱筒體材料均為Q345R；殼程(包括右管箱)筒體材料均為Q245R(HIC抗氫鋼)；管板均為20鋼(Ⅲ級鍛件)堆焊雙相不銹鋼S32205。低壓閃蒸冷凝器浮動端管板φ1680 mm×(6+120) mm，固定端管板φ1806 mm×(6+120) mm；換熱管S32205，φ19 mm×2 mm，L=6000 mm，共2370根。真空閃蒸冷卻器的浮動端管板φ1486 mm×(6+70) mm，固定端管板φ1553 mm×(6+70) mm；換熱管S32205，φ19 mm×2 mm，L=5000 mm，共2112根。

殼程介質(zhì)水和酸性氣屬濕硫化氫腐蝕環(huán)境，輕度危害，且易燃易爆。因此，殼程(包括管板)要求焊后消除應(yīng)力熱處理。

管板堆焊是這批容器制造的重點之一，共96塊管板需要堆焊雙相不銹鋼S32205。以下以低壓閃蒸冷凝器為例介紹管板的堆焊工藝。

雙相不銹鋼堆焊層不能進行600~700 ℃的常規(guī)熱處理[1-3]。因為有相關(guān)國家標準規(guī)定[4]，雙相不銹鋼試樣的敏化處理溫度為560~700 ℃，在這個溫度范圍內(nèi)保溫將由鐵素體相中析出σ相、χ相、η相、τ相等各種有害相[5]，將導(dǎo)致耐蝕性能和沖擊韌性明顯下降，硬度升高，材料的綜合性能變壞。而技術(shù)協(xié)議要求堆焊后的管板必須進行消除應(yīng)力熱處理。解決的方法是,先在管箱上堆焊一層奧氏體不銹鋼作為過渡層，熱處理后再堆焊雙相不銹鋼。

1組織和性能特點

1.1　性能特點

在室溫下,雙相不銹鋼由奧氏體和鐵素體組成，它兼有兩相組織特征，保留了鐵素體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)大、線膨脹系數(shù)小、耐點蝕、縫隙腐蝕及氯化物應(yīng)力腐蝕的特點；又具有奧氏體不銹鋼韌性好、脆性轉(zhuǎn)變溫度低、綜合力學(xué)性能高和焊接性能好的優(yōu)點。雙相不銹鋼冷加工的硬化傾向比18-8奧氏體不銹鋼大；具有高鉻鐵素體不銹鋼的各種脆性傾向(σ相析出脆性、475 ℃脆性、低溫脆性)，與奧氏體不銹鋼相比應(yīng)用溫度范圍窄，高溫不超過300~400℃，低溫不低于-20~-40 ℃[5]。

1.2　相比例要求

雙相不銹鋼的力學(xué)性能和耐蝕性能取決于能否保持適當?shù)南啾壤笏墓倘芙M織中鐵素體相與奧氏體相約各占一半，一般較少相的含量最少也需要達到30%[6]。當鐵素體含量45%和奧氏體含量55%時，性能最好。過多地改變這個比例關(guān)系，將使雙相不銹鋼的耐蝕性能和力學(xué)性能下降。過低的鐵素體含量(<25%)將導(dǎo)致強度和抗應(yīng)力腐蝕開裂能力下降；過高的鐵素體含量(>75%)也會有損于耐蝕性和沖擊韌性。因此，平衡鐵素體和奧氏體兩相組織在熔敷金屬中的比例是帶極電渣堆焊雙相不銹鋼最重要的技術(shù)要求之一。

技術(shù)協(xié)議要求，雙層堆焊的耐蝕層熔敷金屬的金相組織應(yīng)為均勻的奧氏體+鐵素體雙相組織，焊后狀態(tài)的鐵素體所占的體積比例應(yīng)達到40%~60%。

1.3　相比例影響因素

影響雙相不銹鋼帶極電渣堆焊金屬中鐵素體含量的主要因素包括焊帶合金成分、熔池冷卻速度(散熱條件)、堆焊層數(shù)和工藝參數(shù)等。

為了抑制焊縫金屬中鐵素體的過量增加，希望獲得奧氏體略占優(yōu)勢的焊縫金屬，一般采取在焊接材料中提高鎳含量和加入與母材含量相當?shù)牡猍7]。鎳和氮是奧氏體形成元素，都可以增加奧氏體相。通常鎳的含量比母材高出2%~4%，例如，ER2209焊材的鎳含量達8%~10%?；瘜W(xué)成分是決定鐵素體含量的內(nèi)在因素。

帶極堆焊形成的熔池比焊絲或焊條焊時形成的熔池大得多，熔池冷卻速度慢，堆焊金屬中析出的奧氏體多，鐵素體相應(yīng)就少。這是由于在高溫下雙相不銹鋼全部是鐵素體組織，奧氏體是在冷卻過程中析出的[7]。因此，雙相不銹鋼帶極電渣堆焊往往不是鐵素體含量多，而是鐵素體含量少。

工件的散熱條件影響著熔池冷卻速度和鐵素體含量。影響工件散熱條件的因素很多，如環(huán)境溫度、工件的導(dǎo)熱性和大小、焊前預(yù)熱溫度、道間溫度、水冷等。水冷可以提高鐵素體含量5%左右，并提高了耐蝕性[8]。

在以奧氏體不銹鋼為過渡層的雙層雙相不銹鋼帶極堆焊過程中，用鐵素體測量儀測量顯示，第2層雙相不銹鋼堆焊層比第1層雙相不銹鋼堆焊層鐵素體含量高5%~10%。這是由于第1層堆焊的雙相不銹鋼被奧氏體不銹鋼稀釋的程度高，鐵素體含量相對減少。

工藝參數(shù)(由焊接電流、電壓、速度等決定的熱輸入量)對鐵素體含量只能起到微調(diào)的作用，作用不明顯。

2焊接設(shè)備

帶極堆焊機由成都焊研威達操作架(型號CZ22-5×4)、比利時Soudokay(蘇鐸鎧)送絲機頭(型號SK 125 ES1-300)、瑞典ESAB(伊薩)送絲電機(型號A6-VEC)和瑞典ESAB焊接電源(型號LAF 1600 DC)組成。

3焊接材料

3.1　焊帶

過渡層焊帶為H309LMo(企業(yè)標準Q/HWE 601.1—2012，符合NB/T 47018—2011《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件》的EQ309LMo)，規(guī)格0.5 mm×60 mm，配SJ15B電渣焊劑(10~80目)。

耐蝕層焊帶為H2209(企業(yè)標準Q/HWE 601.1—2012，符合AWS A5.9的EQ2209)，規(guī)格0.5 mm×60 mm，配SJ25B電渣焊劑(10~80目)。焊帶的化學(xué)成分見表2。

表2　焊帶和耐蝕層熔敷金屬化學(xué)成分　%

注：技術(shù)協(xié)議要求耐蝕層熔敷金屬的鎳含量為4.5%~6.5%是不合理的，這是母材ASME SA240 S32205的鎳含量，不是焊材AWS A5.9 ER2209的鎳含量。

碳是引起不銹鋼耐晶間腐蝕的元素，應(yīng)嚴格控制在0.030%以下。焊帶中加入微量的氮可以穩(wěn)定奧氏體組織，促使奧氏體從鐵素體中析出，防止焊后出現(xiàn)單相鐵素體。鎳是強烈奧氏體相形成元素，在雙相鋼中主要控制相平衡，當鎳含量在8%左右時抗SCC(應(yīng)力腐蝕開裂)最佳[10]。鉻是強烈鐵素體形成元素，通過置換鐵元素發(fā)生固熔強化作用，提高強度。

3.2　焊劑

焊劑SJ15B和SJ25B渣系均為CaF2-Al2O3-MgO-SiO2(見表3，兩種牌號焊劑的化學(xué)成分標準值相同)，屬高氟型電渣中性焊劑[10]。焊劑具有適宜的導(dǎo)電性是獲得穩(wěn)定電渣堆焊過程的必要條件之一。CaF2既是導(dǎo)電材料又是主要的造渣劑，是電渣堆焊焊劑的主要成分。除了導(dǎo)電性外，焊劑還需有良好的工藝性(脫渣、成形、潤濕性)及良好的冶金特性(合金元素燒損小，不利元素增量少)，以及適宜的粒度(一般比埋弧焊焊劑粒度細)。焊劑烘干250~300 ℃/2 h。

表3　焊劑化學(xué)成分　%

4管板材料及防變形措施

管板的材料為20鋼(Ⅲ級鍛件)，需符合NB/T 47008—2010《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》的要求。固定端管板毛坯尺寸φ1821 mm×130 mm，浮動端管板毛坯尺寸φ1695 mm×130 mm，均在厚度上加10 mm加工余量，在直徑上加15 mm加工余量。

為了防止焊后變形，將規(guī)格相同的2塊固定端管板或2塊浮動端管板背靠背通過連接板焊在一起(見圖3)。在過渡層熱處理和堆焊耐蝕層完成后，再打開。

圖3　防變形連接板和堆焊后的管板全貌

5堆焊工藝

5.1　焊接方法

堆焊采用帶極電渣堆焊。與電弧堆焊相比，電渣堆焊稀釋率低，熔深淺而均勻，合金元素燒損少；堆焊層成形良好，焊波細密，不易有夾渣等缺陷；堆焊層表面平整度好，無特殊要求表面可不機加工，直接與換熱管焊接。

5.2　工藝參數(shù)

采用合理的堆焊工藝參數(shù)能保證電渣堆焊過程穩(wěn)定。工藝參數(shù)主要有焊接電流、電弧電壓和焊接速度；其次是焊帶干伸長度、焊劑層厚度、焊道間搭接量等。

焊接電流對熔敷金屬的稀釋率有較大的影響。增大電流會使熔深增加，焊帶送進速度增加，堆焊層厚度相應(yīng)增加，稀釋率隨之增大，焊道成形變差。

電弧電壓對焊道成形及堆焊的穩(wěn)定性影響較大。過高的電弧電壓會使焊道及熔池的穩(wěn)定性變差，電弧現(xiàn)象明顯增加；過低的電弧電壓會造成短路，使焊帶與母材粘連。電弧電壓一般在28~30 V之間時，焊道成形良好，渣池穩(wěn)定。

焊接速度影響焊道的成形和稀釋率。焊接速度增大時，堆焊層厚度減小，稀釋率增大。若采用過快的焊接速度，會導(dǎo)致熔合不良并產(chǎn)生咬邊。為控制稀釋率和焊道成形，焊接速度一般控制在150~170 mm/min。

焊接工藝參數(shù)見表4(過渡層和耐蝕層工藝參數(shù)相同)。

表4　堆焊工藝參數(shù)

其他參數(shù)的推薦值為：帶極伸出長度30~40 mm，焊劑厚度25~35 mm，焊道搭接量8~10 mm。

起弧前將焊帶端部剪呈60°尖角，以利于引弧和控制搭接量。

20鋼(Ⅲ級鍛件)可焊性好，產(chǎn)生冷裂紋的傾向小，不需要焊前預(yù)熱。堆焊前溫度達到15 ℃以上即可。

技術(shù)協(xié)議要求，堆焊采用雙層堆焊，即過渡層+耐蝕層，過渡層和耐蝕層的有效厚度均不小于3 mm。堆焊層總厚度不小于6 mm，允許厚度上偏差為1.5 mm，下偏差為0 mm。

電渣堆焊單層厚度3.5~4.0 mm，過渡層和耐蝕層各堆焊一層即可滿足技術(shù)協(xié)議要求。

采用紅外線測溫儀監(jiān)控道間溫度。第1層堆焊的道間溫度不應(yīng)超過150 ℃。為了獲得較高的鐵素體含量，第2層堆焊的道間溫度不應(yīng)超過100 ℃(最好是在上道涼透之后再堆焊下一道，但這在工程上往往是做不到的)。由于水冷在實施上不方便，因此，沒有采取水冷的方式。

鑒于操作技術(shù)的改進，焊道成形良好，無搭接處夾渣缺陷產(chǎn)生，在機頭上未加磁控裝置。

5.3　堆焊方式

采用環(huán)向堆焊的方法，沿圓周方向，由外向內(nèi)周向堆焊。每一圈的起始點錯開至少150 mm以上。焊完一圈之后，?；≡俸赶乱蝗?。當直徑小于400 mm時，芯部改為直條堆焊，直焊道與最里圈的圓焊道相距一定距離，直焊道堆焊完后，打磨清除部分堆焊金屬，使直焊道與最里圈圓焊道距離為50~52 mm，然后再壓上最后一圈焊道。這樣整個管板堆焊層表面既平整又美觀(見圖3)。

5.4　焊后熱處理

按技術(shù)協(xié)議要求，進行過渡層后的消除應(yīng)力熱處理。

相關(guān)資料[11]表明，隨著焊后熱處理溫度升高或時間的延長，熔合區(qū)碳的遷移加劇，使熔合區(qū)顯著變脆，如果此處再有氫的聚集，或加之高的應(yīng)力集中，則會在該處形成氫致剝離裂紋。因此，應(yīng)嚴格制定保溫溫度和保溫時間以及升降溫速，這對于避免由于熱處理工藝不當造成管板堆焊層剝離具有重要意義。

根據(jù)文獻[12]中推薦的焊后熱處理規(guī)范，確定保溫溫度為620±10 ℃。文獻[11]中確定保溫時間為2 h。要求管板進爐溫度≤350 ℃，出爐溫度≤400 ℃，這樣有利于熱處理爐的連續(xù)作業(yè)。熱處理工藝如圖4所示。熱處理方式為電爐加熱，避免硫?qū)崽幚碣|(zhì)量的影響。

圖4　熱處理工藝曲線

6焊接工藝評定

技術(shù)協(xié)議要求，在正式堆焊前，堆焊工藝應(yīng)按NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》進行焊接工藝評定。評定所用的材料、焊接工藝、熱處理制度均應(yīng)與產(chǎn)品制造時一致。因此，選用20鋼(Ⅲ級鍛件)，規(guī)格30 mm×300 mm×600 mm作為基層。

6.1　評定過程

以焊帶H309LMo為過渡層堆焊第1層，配SJ15B焊劑(見圖5)。過渡層堆焊后以電加熱片的方式進行消除應(yīng)力熱處理。以焊帶H2209為耐蝕層堆焊第2層，配SJ25B焊劑(見圖6)。堆焊層總厚度約7 mm。焊接工藝參數(shù)如表4所示。堆焊層次和尺寸見圖7。

圖5　過渡層堆焊過程中

圖6　耐蝕層堆焊后

圖7　堆焊層次和尺寸示意

6.2　檢測內(nèi)容

根據(jù)焊接工藝評定要求和雙相不銹鋼的特點應(yīng)進行宏觀表面檢查、無損檢測、側(cè)彎試驗、化學(xué)成分分析、硬度檢測、鐵素體含量檢測、腐蝕試驗等。

6.2.1宏觀檢查

技術(shù)協(xié)議要求，管板堆焊層表面應(yīng)平整，焊道接頭搭接處應(yīng)平滑過渡，兩相鄰焊道間的凹下量不得大于1.5 mm；堆焊層厚度應(yīng)均勻，厚度之差小于1.0 mm；不得有引起應(yīng)力集中的缺口、咬邊等表面缺陷；堆焊層不允許存在裂紋、未熔合以及條狀夾渣等內(nèi)部缺陷。

6.2.2無損檢測

過渡層和耐蝕層堆焊后分別進行一次UT和PT檢測，堆焊層表面沒有裂紋和氣孔，堆焊層和基層沒有分層、未熔合現(xiàn)象。

根據(jù)上述規(guī)定，并考慮到南水北調(diào)工程的水資源管理既涉及水源區(qū)和受水區(qū)，又涉及沿線各省，上下游、干支流、左右岸對于開發(fā)利用和節(jié)約保護水資源擁有共同的權(quán)利、責任和義務(wù)，不僅涉及上游的水源涵養(yǎng)和保護等生態(tài)環(huán)境問題，還涉及下游的水污染防治、河道治理、防洪減災(zāi)等一系列相關(guān)問題，十分復(fù)雜。建議在國家相關(guān)部門尚未研究明確南水北調(diào)水資源費征管體制與征收標準等有關(guān)政策前，水資源費暫按零計列。

6.2.3側(cè)彎試驗

按NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》取4支10 mm厚側(cè)彎試樣進行試驗，彎軸直徑d=40 mm，彎曲角度α=180°。

4支試樣均完好無開裂。側(cè)彎表面中間的夾層過渡層H309LMo無凸起現(xiàn)象(見圖8)，表明堆焊層與基層熔合良好。

圖8　彎曲試樣外觀

6.2.4化學(xué)成分分析

在堆焊層表面進行光譜(光譜分析儀型號Spectrotest TXC25)化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2中“堆焊層表面實測值”。耐點蝕當量指數(shù)PRE=35.6[7](PRE=[Cr%]+3.3[Mo%]+16[N%])，不小于技術(shù)協(xié)議要求的PRE=35。

6.2.5硬度檢測

用Leeb里氏硬度計(型號TH110)檢測硬度，耐蝕層表面硬度均值為HBW276，小于技術(shù)協(xié)議要求的HBW293。

按ASTM E562進行鐵素體含量測定(檢測儀型號ZEISS Axio Vert.A1)，檢測部位為堆焊層上表面。制備金相試樣后，在500倍放大倍數(shù)下，取10個視場檢測鐵素體體積百分含量，分別為41%，47%，48%，43%，48%，49%，50%，50%，49%，46%，平均為47%。圖9~12為其中4個視場的金相圖片。相比例檢測結(jié)果完全符合技術(shù)協(xié)議鐵素體含量40%~60%的要求。

圖9　鐵素體含量為41%時的金相照片

圖10　鐵素體含量為46%時的金相照片

圖11　鐵素體含量為48%時的金相照片

圖12　鐵素體含量為50%時的金相照片

金相法觀察到的組織形貌是白色奧氏體基體上分布有淺灰色條狀或塊狀鐵素體。

6.2.7腐蝕試驗

按ASTM A923—2006，方法C“氯化鐵腐蝕失重試驗”，試驗溫度22 ℃，保溫24 h。試樣1腐蝕速率為6.02 mdd，試樣2腐蝕速率為6.14 mdd，小于10 mdd，合格。

7結(jié)語

24臺低壓閃蒸冷凝器和24臺真空閃蒸冷卻器共96塊管板，采用帶過渡層并熱處理的堆焊工藝取得了滿意的效果，既滿足技術(shù)協(xié)議要求的管板堆焊后消除應(yīng)力熱處理，又不損害雙相不銹鋼堆焊層的綜合性能；同時解決了換熱管與管板的異種鋼焊接問題。

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Strip Electroslag Welding of Duplex Stainless Steel for Tubesheet

Overlaying with Buttering Layer

GUO Hai-rong1，XING Zhuo2

(1.Shenyang DONFON Titanium Industry Co.，Ltd.,Shenyang 110168,China；2.Shenyang Academy of Instrumentation Science Co.，Ltd.,Shenyang 110043,China)

Abstract:In coal to liquid project the shell side of low pressure flash condensers and vacuum flash coolers served in wet H2S corrosion environment，require that all the materials (including tubesheets) contacting with medium shall be for eliminating stress post welding heat treatment.Overlaying tubesheet with duplex stainless steel directly should not be in heat treatment in conventional temperature about 600~700 ℃.In order to eliminate the welding residual stress of the tubesheets after welding，austenitic stainless steel can be adopted as buttering layer,after heat treatment for buttering layer,overlaying corrosion resistant layer of duplex stainless steel sequentially.The test results of welding procedure qualification show that strip electroslag overlaying process adopted austenitic stainless steel H309LMo as buttering layer，H2209 duplex stainless steel as corrosion resistant layer，can satisfy the demands of tubesheets heat treatment and the requirement of the corrosion resistance of surfacing layer.

Key words:duplex stainless steel;strip electroslag welding(ESW);buttering layer;welding procedure qualification;tubesheet

通訊作者：邢卓(1968-)，男，教授研究員級高級工程師，主要從事壓力容器焊接工藝工作,

作者簡介：郭海榮(1977-)，女，高級工程師，主要從事壓力容器技術(shù)開發(fā)工作，

通信地址：110168遼寧省沈陽市渾南新區(qū)南屏東路2號沈陽東方鈦業(yè)股份有限公司,E-mail:rguoguo@163.com。 110043遼寧省沈陽市大東區(qū)北海街242號沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司,E-mail:xingzhuo0802@sina.com。

收稿日期：2015-08-28修稿日期：2015-12-07

doi:10.3969/j.issn.1001-4837.2015.12.009

中圖分類號：TH131.2;TG142.71;TG455

文獻標志碼：B

文章編號：1001-4837(2015)12-0051-08