雙相不銹鋼壓力容器的制造工藝研究

何小燕

（佛山神威熱交換器有限公司，廣東 佛山 528000）

原有壓力容器制造的材料選擇多為普通碳素鋼和低合金鋼，還有部分奧氏體不銹鋼，但是采用這類材料制造的壓力容器難以保證的耐腐蝕、抗點蝕性能，易發(fā)生泄漏等缺陷問題，對穩(wěn)定使用造成不利影響。為了保證壓力容器的可靠性，針對介質(zhì)腐蝕性較強、強度要求高的壓力容器制造多采用雙相不銹鋼。雙相不銹鋼應用于壓力容器制造要選擇合理的工藝，以制造出的產(chǎn)品滿足使用要求。

1 雙相不銹鋼的特點

雙相不銹鋼主要是指奧氏體-鐵素體不銹鋼，如S22053，S25073等在室溫下奧氏體和鐵素體組織各占約一半的不銹鋼。根據(jù)兩相組織的特點，通過正確控制化學成分和熱處理工藝，將奧氏體不銹鋼所具有的優(yōu)良韌性和焊接性與鐵素體不銹鋼具有的高強度和耐氯化物腐蝕性能結合在一起。80年代以來雙相不銹鋼已成為不銹鋼一大重要鋼類。主要有以下性能特點：

含Mo雙相不銹鋼具有良好的耐氯化物應力腐蝕能力，同時具有良好的耐點蝕性能。綜合力學性能好，有較高的強度和疲勞強度。屈服強度是奧氏體不銹鋼的兩倍。與奧氏體不銹鋼比，導熱系數(shù)大，線膨脹系數(shù)小，適合做設備的內(nèi)覆層，也適合做熱交換器的管芯。仍有高Cr鐵素體不銹鋼的脆性傾向，不宜在高于300°C條件下使用。低C含量雙相不銹鋼，耐品間腐蝕性能良好。

雙相不銹鋼的分類有許多種。按照合金成分或者耐孔蝕當量（PREN=Cr%+3.3X Mo%+16X N%）的分類方法：

不含 Mo的經(jīng)濟型雙相不銹鋼。23%Cr、4%Ni、0.10%N等，PREN值約為24-25。

中合金型標準雙相不銹鋼。此類鋼的主要成分22%Cr、5%Ni、3%Mo、0.17%N 等，PREN 值約為 29～36。

高合金型超級雙相不銹鋼。此類剛的主要成分25%Cr、6.8%Ni、3.7%Mo 并加入不同的合金元素 W、Cu、N，PREN值235，有的甚至高達40以上。

2 雙相不銹鋼應用于壓力容器的優(yōu)勢

在化工領域，需要使用大量的壓力容器，壓力容器雖然結構較為簡單（如圖1），但是質(zhì)量要求高。許多介質(zhì)含有氯離子、硫化氫等，采用普通材料制造壓力容器受到了限制。雙相不銹鋼具有突出的性能，可以廣泛應用于多個領域。雙相不銹鋼又稱為奧氏體-鐵素體不銹鋼，包含了40%-60%的鐵素體與60%-40%的奧氏體。雙相不銹鋼降低了鎳含量，與奧氏體不銹鋼相比提升了強度。晶間的抗腐蝕性能因此得以提升。由于雙相不銹鋼的強度要高于奧氏體，對于晶間的腐蝕表現(xiàn)得不夠敏感，體現(xiàn)出耐點腐蝕性，特別是對于耐應力腐蝕性更體現(xiàn)出優(yōu)勢。雙相不銹鋼替代奧氏體不銹鋼用于制造耐應力腐蝕容器已成為趨勢。壓力容器制造中焊接是主要工序，在熱循環(huán)的影響下，焊接區(qū)組織的晶粒粗大，力學性能受到影響，成為焊接領域要解決的重點技術問題。

3 壓力容器制造工藝特點

3.1 保證安全性

圖1 壓力容器的典型結構之一

在化工行業(yè)中，壓力容器發(fā)揮著重要的作用。在制造環(huán)節(jié)，要依據(jù)容器制造標準規(guī)范化生產(chǎn)。針對壓力容器的設計，要考慮到安全方面存在的影響因素，避免安全事故的發(fā)生。此外，許多壓力容器的使用環(huán)境較為惡劣，存在腐蝕性與高溫的影響，因此容器的設計制造要考慮外部環(huán)境存在的不利影響。此外，工作生產(chǎn)中壓力容器內(nèi)部充滿大量的介質(zhì)，許多介質(zhì)具有可燃性、可爆性，存在危險性，因此要求壓力容器的制造要保證安全、可靠性。當前國內(nèi)壓力容器的制造工藝不斷提升，制造的材料也變得多樣化，在依據(jù)相關標準的同時，要考慮安全性，還要保證經(jīng)濟性。

3.2 制造工藝較為復雜

壓力容器的制造涉及到多個環(huán)節(jié)，工藝較為復雜（如表1）。制造中要考慮材料質(zhì)量的控制，機加工工藝的合理選擇，熱處理方法的選擇，還涉及后期的無損檢測、壓力試驗、表面防腐等。制造中涉及到多個工種，需要對流程加以科學、嚴格的控制，確保不同工序的有效銜接，保證壓力容器制造的效率與質(zhì)量。

表1 壓力容器的基本制造流程

4 雙相不銹鋼應用于壓力容器制造的工藝分析

4.1 制造材料的檢測

對想要應用壓力容器制造的不銹鋼管材料，應提供缺口韌性數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)應包括預定最低運行金屬溫度和想要用的不銹鋼管材料厚度范圍的試驗結果，對鋼管焊接結構，缺口韌性數(shù)據(jù)應包括用預定焊接方法焊制焊件的焊縫金屬和熱影響區(qū)作本規(guī)范韌性試驗的結果。如果不銹鋼管材料用于在外壓力下工作的部件，在想要使用的設計溫度范圍內(nèi)，應按50℃溫度間隔提供應力-應變曲線（拉伸或壓縮外壓線算圖是根據(jù)應力-應變曲線的最初部分（至1%應變）制定的）。應力-應變曲線（不是負荷與伸長的關系曲線）使用ASTME83中所定義的8-2級或更精確的伸長儀測定的。當有數(shù)據(jù)時亦應提供之，數(shù)據(jù)宜包括試樣的原始橫截面積和標有單位的應力-應變曲線。檢驗要分析材料的化學成分，針對雙相不銹鋼要檢測碳，鉬，硅，鉻，鎳等元素的含量，以明確是否符合相關的標準，確定材料是否可以用于制造。制造如需熱處理，只允許一次固溶處理，溫度控制在1040～1100℃進行水淬。雙相不銹鋼中要保證鐵素體的相對含量在40%～60%內(nèi)。還結合根據(jù)標準測試耐晶間腐蝕和耐點蝕性能，點蝕測試溫度要高于35℃。

4.2 冷熱加工

雙相不銹鋼可熱加工，但是其性能用加工溫度影響較大，加工允許的溫度范圍較小，在熱加工時碳化物和氮化物易于產(chǎn)生，金相組織發(fā)生改變，耐腐蝕性受到影響。雙相不銹鋼熱加工后要實施固熔熱處理。對于壓力容器的一些部件可以采用冷加工的方式。雙相不銹鋼在冷加工后會有表面硬化現(xiàn)象，冷加工要盡量減少變形次數(shù)，降低工序量，工序間的銜接時間也要縮短。

與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的塑性較低。為了保證設備的成形效果，還要考慮高強度條件下存在的回彈，為成型留出足夠的裕度。有些廠家采用了溫成型的工藝，有利于消除成型后發(fā)生回彈的不利影響。但是這種方法應用于大尺寸工件存在局限性，由于難以保證加熱溫度，加熱均勻度難以控制，這會導致加熱中會有局部溫度過高問題，相間會析出有害組分，影響到材料的物理性能和耐蝕性能，因此溫成型的使用要結合工件的形狀與體積。

熱成型后要實施固溶處理。雙相不銹鋼建造的壓力容器強度高，設計時為了降低造價會采用較薄的材料。而進行固溶處理需要較高的加熱溫度，恢復力學性能的熱處理中，如果工裝設計不好或工藝選擇不合理，易引發(fā)變形。此外，對于大型工件，實施冷、熱處理都難以保證均勻性，對于材料的物理性能、抗腐蝕性能產(chǎn)生的影響也無法預計。特別針對冷成形工藝，結合材料加工的延伸率，采用合理的成形工藝，必要時模擬實驗，預計成形后的最大變形，以完善工藝，避免發(fā)生過多的變形。

4.3 焊接工藝

壓力容器發(fā)生斷裂或產(chǎn)生爆炸，多數(shù)原因是由于焊接接頭存在缺陷。因此壓力容器制造中控制焊接質(zhì)量是重點，焊接工藝是保證壓力容器安全可靠的關鍵。焊接工藝要控制好焊接母材、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)的熱輸入量，保證焊縫的力學性能與腐蝕性能。焊接工藝的編制可以結合焊接試件的結果，內(nèi)容要針對縱向焊縫；如封頭由瓣片和頂圓板拼接的凸型焊縫；橢圓型或碟型拼接焊縫。針對性能存在的影響因素可借助彎曲和沖擊試驗數(shù)據(jù)間接的判定，還要結合金相和鐵素體含量的檢測、腐蝕試驗確定力學性能、組織結構。對于焊接工藝的評定，還要結合對樣品斷面的微觀檢查。

焊接雙相不銹鋼可以采用多種方法，包括氬弧焊、焊條電弧焊、埋弧焊等，但是選擇不同的焊接方法要選擇合理的焊接材料、焊接速度、層間溫度，一些參數(shù)稍加調(diào)整都會產(chǎn)生不同的結果，因此針對雙相不銹鋼壓力容器的焊接要采用成熟的工藝，施焊中嚴格控制參數(shù)。埋弧自動焊雖然具有效率高、成本低的優(yōu)勢，但是焊接接頭難以獲得理想的相平衡、物理性能與耐蝕性能，因此壓力容器焊接很少采用。雙相不銹鋼制造壓力容器多使用焊條電弧焊或氬弧焊。氬弧焊適用于薄板的焊接，焊絲可選擇母材金屬，也可采用與母材匹配的焊絲。而試驗表明，氬弧焊比手工焊更具有優(yōu)勢，可以保證焊接接頭具有更優(yōu)的相平衡比例、物理性能與耐腐蝕性能。

焊接過程也可以理解為冶金過程。雙相不銹鋼的焊接質(zhì)量，焊縫和熱影響區(qū)的鐵素體和奧氏體含量的要保證均勻性。在施焊的過程中，金屬發(fā)生的變化是從溫度升高熔融后凝固，200℃凝固會生成鐵素體；在1200～800℃凝固后鐵素體中會析出奧氏體;在800～475℃凝固后有中間相，如σ相、碳化物、氮化物等析出。焊接工藝的選擇，會對焊縫與熱影響部位的鐵素體含量產(chǎn)生影響。焊接能量不足，難以析出奧氏體，但過大會導致Cr、Ni、Mo等合金元素受到影響，材料的耐腐蝕性發(fā)生變化，機械性能改變。

焊接中最高溫度與冷卻溫度會對雙相不銹鋼的鐵素體化產(chǎn)生影響。生成過多的鐵素體會降低沖擊韌性與耐蝕性。因此焊接的中部過程控制十分重要。不同于奧氏體不銹鋼，雙相不銹鋼對于焊接中的環(huán)境變化更為敏感，特別是對于濕氣影響更為敏感。此外油污、雜質(zhì)等都會對材料的抗腐蝕性與物理性能產(chǎn)生影響。在焊接前，施焊部位要清理干凈。焊接接頭部位要預先處理，如熱加工切割坡口，坡口處要打磨保證露出金屬光澤；還要滲透檢測坡口表面。焊接坡口采用機械加工可以保證接口平整。雙相不銹鋼焊接不需要預熱，預熱會導致焊接熱影響部位的冷卻速度發(fā)生變化。如果施焊時濕度過多，預熱可以降低接口表面的濕氣。降低濕氣如果要加熱，要清理焊接表面，緩慢加熱，但是溫度不能超過95℃。焊接部位如果冷卻速度過快，會增加焊接部位的鐵素體含量，因此預熱的應用要考慮到施焊條件。

不同于奧氏體鋼，雙相不銹鋼的優(yōu)點體現(xiàn)在導熱性好、熱膨脹系數(shù)低，殘余應力不會很大，抵抗熱裂紋效果好。雙相不銹鋼要選擇大線能量焊接，層間溫度最大為150℃。在焊接中，層間溫度可略低于工藝評定確定的層間溫度，但不能低于50℃。針對壓力容器，如果焊接量較大，焊接順序的安排要合理，焊縫層間要保證充足的冷卻時間。工藝安排既要考慮到層間溫度，還要兼顧勞動生產(chǎn)率。

不同于奧氏體不銹鋼的焊接，焊縫如果要接觸腐蝕介質(zhì)要先焊，最后的道焊縫安排到非接觸介質(zhì)面。這種方法可以利用厚道焊縫對先進行施焊的部位進行熱處理，原先施焊的部位與熱影響區(qū)存在的單相鐵素體可以快速轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。如果由于條件特殊，接觸介質(zhì)的焊縫最后進行施焊，此焊縫上提前完成工藝焊縫，焊好的工藝焊縫可以給接觸介質(zhì)的焊縫進行熱處理。

雙相不銹鋼焊后不需要熱處理，雙相不銹鋼的特點是溫度在300～1000℃區(qū)間對溫度的影響特別敏感。在300～700℃區(qū)別應力消除會導致析出σ相，有475℃脆化現(xiàn)象發(fā)生，導致韌性與抗腐蝕性發(fā)生變化;在700～1000℃區(qū)間消除應力，會析出金屬間化合物，會降低施焊部位的韌性和抗腐蝕性。

針對換熱器類的壓力容器內(nèi)的換熱管和管板，在焊接時若焊接絲能量過小，冷卻速度快，難以析出奧氏體，高溫熱影響區(qū)會析出許多的鐵素體；如果焊接過程有大的能量，但是冷卻速度較慢，可以得到更多的奧氏體，金相組織會變得粗大，有碳化物和氮化物產(chǎn)生，接頭易變得脆化。雙相不銹鋼用于壓力容器的制造時，可以提高容器的耐腐蝕性、耐應力、抗點蝕等性能，有助于降低壓力容器發(fā)生泄漏的可能性。壓力容器要保證性能、質(zhì)量，不僅要保證材料的使用合理，壓力容器的設計和制造也是保證長久使用的主要原因。

5 結束語

雙相不銹鋼應用于壓力容器的制造要考慮到工藝的合理選擇，工藝的選擇要結合雙相不銹鋼的特點，特別是要考慮到焊接工藝，避免由于工藝選擇不當導致壓力容器制造質(zhì)量受到影響。