2507超級雙相鋼焊接工藝分析及其在中壓分解塔中的應用

陳美全，王傳標，范海俊

(合肥通用機械研究院有限公司，安徽 合肥 230031)

1 概述

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

中壓分解塔是尿素裝置中的關鍵設備之一，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)構如圖1所示。

圖1 設備主體結(jié)構

表1 母材和焊材化學成分

表2 母材和焊材力學性能

表3 焊接工藝參數(shù)

表4 焊接接頭力學性能試驗結(jié)果

2 2507超級雙相鋼焊接關鍵點分析

2.1 焊接性分析

2507超級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，焊接時應避免過大的熱輸入，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。在焊縫金屬開始凝固時，形成幾乎是全鐵素體組織，進一步冷卻則在鐵素體晶界開始形成奧氏體相，轉(zhuǎn)變成奧氏體相時伴隨著產(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，焊前不需要預熱。

2.2 關鍵技術分析

焊接接頭的力學性能及耐腐蝕性能取決于鐵素體相與奧氏體相的比例，鐵素體含量過低將導致材料強度、抗應力腐蝕開裂能力下降，鐵素體含量過高則對耐腐蝕性能和沖擊韌性不利，當比例接近于50%時綜合性能最好。在焊接過程中如何保證焊縫和熱影響區(qū)均保持適當?shù)膬上啾壤?，成?507焊接的關鍵技術問題。當焊縫在800～1000℃范圍停留超過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性能和耐腐蝕性能降低，所以在焊接過程中控制層間溫度非常關鍵。

3 焊接工藝評定

3.1 焊接材料的選擇

綜合考慮焊縫的強度、韌性及耐腐蝕性，一般選擇與母材成分相近的焊材，本次選用國產(chǎn)焊材E2594-16，化學成分和力學性能見表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，焊材的抗拉強度比母材高，延伸率比母材低。

3.2 焊前準備

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，保護氣體中加入氮氣主要有兩方面作用，一是N元素在焊縫凝固過程中有助于奧氏體的轉(zhuǎn)變從而控制兩相平衡；二是焊接過程中補充N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℃以內(nèi)。

3.4 焊接工藝評定結(jié)果

3.4.1 外觀檢查及無損檢測

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

3.4.2 力學性能試驗

對焊接接頭進行力學性能試驗，試驗結(jié)果滿足設計要求，如表4所示。

3.4.3 相比例檢測

按ASTM E-562標準測試焊接接頭相比例，其中母材、焊縫及熱影響區(qū)的鐵素體含量為47.5%～53.5%，測試結(jié)果滿足設計要求。

3.4.4 腐蝕試驗

按ASTM-A262標準B法檢測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，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 腐蝕試驗結(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，均低于標準要求的 1.6g/m2·h，抗晶間腐蝕性能良好。

按ASTM G46-2005標準進行選擇性腐蝕試驗，任何方向上的腐蝕深度不超過100μm，經(jīng)測量腐蝕深度最大處為19μm，試驗結(jié)果滿足設計要求，如圖2所示。

圖2 腐蝕深度檢測

4 2507焊接工藝在中壓分解塔中的應用及難點分析

4.1 2507焊接工藝在中壓分解塔中的應用

工藝評定合格后應用于中壓分解塔的制造。筒體段由五個筒節(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，按NB/T47013.2-2015Ⅱ級合格要求，一次合格率達到98%。

4.2 難點分析及措施

在制造過程中容易出現(xiàn)下述問題其解決措施如下。

（1）層間溫度和熱輸入量容易超標

極低的熱輸入容易導致熔合區(qū)和熱影響區(qū)鐵素體含量過高，相應降低韌性和耐蝕性。極高的熱輸入會增加形成金屬間相的危險。解決措施是安排專人使用紅外線測溫儀及時監(jiān)控層間溫度。

（2）氬弧焊打底時氣體保護措施不到位

氣體保護措施不到位，焊縫有過熱及氧化現(xiàn)象。解決措施是保證氬氣和氮氣純度及比例，設計專用氣體保護罩，如圖3所示。

圖3 背面保護

（3）焊縫容易存在夾渣缺陷

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

（4）角焊縫焊渣清理時容易產(chǎn)生表面損傷

采用細磨方法去除焊渣，不宜采用旋轉(zhuǎn)電動刷，因為表面容易形成細微裂縫。2507強度高，表面應力大，表面缺陷容易誘發(fā)開裂。不能隨意引弧，任何飛濺點應清理干凈。

5 結(jié)語

通過對2507超級雙相鋼的焊接性能進行分析并制定焊接工藝，工藝評定合格后應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，確保了設備的焊接質(zhì)量，總結(jié)了實際施工過程中常見問題及解決措施。

參考文獻：

[1]張亞寧.2507雙相不銹鋼在尿素裝置中的應用分析[J].化工設備與管道,2011,6(48)：60.

[2]徐玉強,楊尚玉,許可望等.超級雙相不銹鋼2507及其焊接工藝 [J].電焊機 ,2013,43（3）:8.