2205双相不锈钢的焊接工艺研究.pdf
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1、 试验与研究00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢焊接工艺研究赵海鸿,祁励春(中国石油天然气管道局科学研究院 焊接技术中心,河北 廊坊065000)摘 要:00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢焊接时,其焊缝和热影响区(HAZ)的韧塑性和耐蚀性通常是主要考虑因素。采用气体保护钨极氩弧焊(GTAW),通过调整焊接工艺,分析研究该工艺下焊接接头的相比例及耐腐蚀性能,为00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢的现场焊接提供指导。关键词:双相不锈钢;GTAW;相比例中图分类号:TG142.71 文献标志码:A 文章编号:1001-3938(2008)01-0029-040 前 言近年来,油气管道的腐蚀问题日趋
2、严重,如各油田的集输管道工程,其油气原料中CO2和Cl-的含量大都很高,但是集输管道用设备基本上采用耐蚀性一般的碳素钢和低合金钢,这必将会引起严重的化学腐蚀、应力腐蚀和点蚀,即使是一般的单相不锈钢也会引起严重的应力腐蚀、点蚀和晶间腐蚀,通常35年就需要更换一次设备,这就增加了设备的维护难度和维修成本。因此,为保证管网系统具有较高的安全可靠性、方便的维护管理性和气田开采期内总费用最低,大型储罐及油气管网的材料设计逐步倾向于采用强耐蚀性的新型材料,如克拉2气田集输管道选用了瑞典生产的SAF 2205双相不锈钢管,钢管最大规格为508 mm19.1 mm。SAF 2205属于第二代中合金双相不锈钢,
3、美国牌号为UNS S31803。20世纪80年代初,我国开始研制相当SAF 2205的00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢,这种钢材具有铁素体和奥氏体的双相结构,铁素体的存在使其具有较高的强度和耐氯化物应力腐蚀性能,奥氏体的存在使其具有良好的韧性和耐腐蚀性能。因此,00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢是一种耐腐蚀性和强度均较高(屈服强度为其他奥氏体钢的23倍)的钢种。本课题在调研并借鉴国外成熟焊接工艺基础上,结合我国管道焊接施工特点和野外施工环境,分析研究国内00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢焊接性能、焊接工艺、焊缝和热影响区组织及性能变化,以及相比例和相分布形态对焊接接头性能的影响。1 试
4、验材料本试 验 材料 采 用 太 原 钢 铁 公 司 生 产 的00Cr22Ni5Mo3N中合金型双相不锈钢,钢管规格为 406 mm15.9mm。其实测化学成分见表1。表1 试验用钢的化学成分(实测值)%w(C)w(Si)w(Mn)w(P)w(S)0.0150.751.210.0300.001w(Cr)w(Ni)w(Mo)w(N)PREN22.785.063.050.15535.3 注:耐蚀当量PREN=(Cr+3.3Mo+16N)%00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢的主要成分为Cr,Ni,Mo和N。其中Ni和N是促进和稳定奥氏体的元素,保证了铁素体与奥氏体的双相组织结构。但由于双相不锈钢
5、在焊接时必然要经历热循环过程,该过程快速而短暂,往往来不及发生奥氏体的析出,同时HAZ的高温段铁素体晶粒会发生急剧长大,导致相比例和相分布状态发生变化,影响焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能,因此选择合适的焊接工艺是非常必要的。92焊管 第31卷第1期 2008年1月2 焊接工艺00Cr22Ni5Mo3N中合金型双相不锈钢焊接时,焊接接头的韧塑性和耐蚀性是关键因素,通常期望焊接接头的各项性能指标能与母材金属相同,而这些性能的保证主要是通过严格控制焊接工艺,从而控制焊接接头的相比例和相分布形态来实现的。2.1 焊接方法00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢可以采用焊条电弧焊(S MAW)、气体保护钨极
6、氩弧焊(GTAW)、熔化极气体保护焊(G MAW)和埋弧焊(SAW)等多种方法焊接。其中根焊可以采用GTAW(填丝)和S MAW;填 充、盖面 焊 可以 采用S MAW和G MAW。施工现场短管二接一或三接一采用SAW完成,可提高现场的施工效率。但考虑到现场施工时,若根焊采用S MAW,钢管背部产生的焊渣及少量飞溅清理困难,同时会影响焊接接头的抗腐蚀性和低温冲击韧性,因此,本课题采用GTAW进行根焊和第一道填充焊,S MAW进行填充和盖面焊,以提高焊接效率。2.2 焊接材料对焊后要直接使用的双相不锈钢管,使用焊接材料的化学成分通常与母材略有不同,要求焊材中的Ni含量要高于母材(约高2%4%),
7、N含量一般略低于母材,以促进铁素体向奥氏体的转变,并稳定焊缝中的奥氏体相。另外,由于00Cr22Ni5Mo3N属于超低碳双相不锈钢,因此在选择焊接材料时,也必须选用超低碳系列,以保证焊接接头的使用性能,确保焊缝的综合性能与母材匹配。本试验在多次综合对比优化后,选择了表2所列的焊接材料。表2 焊接材料类别及化学成分焊接方法标准号/焊接材料类别 焊丝直径/mm化学成分/%w(C)w(Si)w(Mn)w(Cr)w(Ni)w(Mo)w(N)PRENGTAWEN12072/W22 9 3NLAWSA5.9/ER22092.40.0150.41.722.68.83.20.1535S MAWEN1600/E
8、22 9 3NLBAWS A5.4/E2209-163.20.030.31.123.08.83.20.16352.3 焊接工艺参数采用60V形坡口,钝边1.0 mm,间隙3.0mm(见图1)。图1 焊接接头坡口设计焊接时,不需要对管件进行预热,但应严格控制层间温度和热输入1。过高的焊接热输入,虽然有利于热影响区和焊缝金属的铁素体向奥氏体转变,可以得到足够数量的奥氏体,但容易造成铁素体晶粒长大,甚至产生有害的金属间相,使韧性下降。因此,在避免形成单一铁素体组织的情况下,尽可能选用低的焊接热输入。控制热输入在515 kJ/cm范围内,层间温度150。同时尽可能选择多道焊,因为后续焊道对前道焊缝有热
9、处理作用,使焊缝金属中的铁素体进一步转变为奥氏体,成为奥氏体占优势的两相组织,同时热影响区中的奥氏体数量也会增多,从而使整个焊接接头的组织和性能得到改善。焊接工艺参数见表3。焊接过程中,使用新的未被污染的砂轮清理焊道。表3 焊接工艺参数焊道焊接方法电流/A电压/V保护气流量/(L/min)背 气保护气焊接速度/(cm/min)热输入/(kJ/cm)根焊GTAW991501011100%Ar2023111289711填充1GTAW1301701011100%Ar68111212136.59填充2S MAW9210120261012916填充3S MAW911062026912918填充4S MA
10、W10411520261819710盖面S MAW104114242712151013 注:填充4和盖面焊采用排焊。03焊 管 2008年1月 3 焊接接头的力学性能根据AS ME标准2 对该焊接接头进行力学性能试验,试验结果见表4。冲击试样尺寸为5 mm10mm55mm,V形缺口。对试样进行10倍的宏观观察,表面未见任何缺陷。从表4可以看出,该工艺下焊接接头的各项性能均良好,所有硬度HV10均小于275,且焊接接头的硬度变化与双相组织的比例有关,在熔合线和HAZ高温段粗大铁素体为主的位置,硬度HV10高达275,而后基本上随奥氏体比例的增加,硬度值逐步下降,直至母材硬度HV10在240260
11、范围内。这与后面的相比例变化规律基本是吻合的。表4 常规力学性能试验结果b/MPas/MPa断裂位置侧弯试验CV/J(-20)母材焊缝1焊缝2熔合线熔合线+0.5mm熔合线+1.0 mmHV10母材焊缝HAZ720510母材未裂7847703575562392602542692522754 金相组织及相比例测定00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢具有优良的耐腐蚀性能,这与其相比例及分布形态关系密切。有关资料表明1,焊缝中含有60%70%奥氏体,则具有优良的耐腐蚀性能和力学性能。因此,测定焊接接头的相比例并观察组织分布形态,是非常必要的。用氯化铁盐酸乙醇水溶液腐蚀焊接接头,然后进行组织形态观察,
12、并根据GB 64011986标准,测定接头不同部位的相比例。焊接接头组织分布见图2。图2 焊接接头金相组织 500 根据测定,根部焊缝组织中奥氏体相比例为50%70%,热影响区组织中奥氏体相为20%45%;与根部和填充焊道相比,盖面焊焊缝中奥氏体相比例有所减少,这是因为盖面焊道没有经历后热过程,焊后冷却速度相对快些,因此,盖面焊焊缝和热影响区中奥氏体 相比例偏低,从图2中可以观察到,盖面焊缝中组织晶粒粗大,并呈羽毛状分布。13 第31卷第1期 赵海鸿等:00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢焊接工艺研究5 焊接接头的耐腐蚀性分析00Cr22Ni5Mo3N属于第二代双相不锈钢,由于钢中Cr和Mo的
13、含量很高,因此具有极好的抗点腐蚀和均匀腐蚀破裂的能力,同时钢中加入了奥氏体稳定元素N,可以促进双相不锈钢焊接接头热影响区在高温下形成的单相铁素体在冷却时发生逆转并形成足够的奥氏体,从而改善了焊接热影响区的各项性能,保证其具有良好的耐蚀性。本课题结合克拉2气田的腐蚀介质情况,对焊接接头进行了应力腐蚀和晶间腐蚀试验。5.1SCC应力腐蚀试验采用恒变形U形弯曲试样。制作3个试件,尺寸为3mm10mm75mm,按照G B/T 178981999标准,用 8mm的压头将试样弯成U形(其中接触腐蚀介质的根部作为弯曲的拉伸面),然后在试样两端开孔,并用螺栓将试样两臂间的宽度压缩到5mm,以对腐蚀面施加应力。
14、试样实物见图3。图3SCC应力腐蚀试样试验用40%氯化钙腐蚀液,pH值为5,温度为120。在整个试验过程中,腐蚀液始终保持沸腾状态,并定期用10倍放大镜观察试样裂纹情况。试验结果表明,两周未出现裂纹。5.2 晶间腐蚀试验采用氟化钠-硝酸法,按照GB12231975标准配制试验溶液:在容器内加入297 mL蒸馏水和138mL的65%硝酸,70 时加入10 g氟化钠,待氟化钠溶解后放入试样。试样尺寸为3 mm10 mm100 mm,腐蚀3 h后取出试样,用 5 mm的压头将试样弯曲,在10倍放大镜下观察弯曲面。晶间腐蚀试样实物见图4。试验结果表明,根焊道表面均未出现任何裂纹。图4 晶间腐蚀试样6
15、结 论(1)该焊接工艺的力学性能试验结果良好,晶间腐蚀未见裂纹,接触腐蚀介质的根部焊缝和热影响区中奥氏体相比例均在60%70%和25%45%范围内,且组织形态较稳定,满足接头性能和施工耐蚀性要求。(2)焊接00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢时,焊接材料中的Ni含量应略高于母材(约高2%4%),N含量一般略低于母材,以促进铁素体向奥氏体的转变,并稳定焊缝中的奥氏体相。同时焊接材料也必须选用超低碳系列,以保证接头的使用性能。(3)00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢焊接时,焊前不必预热,且层间温度和热输入的控制是至关重要的,应保证层间温度小于150,过高或过低的热输入都是不可取的,应控制在515
16、 kJ/cm。(4)焊接时尽可能考虑选择多层多道焊,因为后续焊道对前道焊缝有热处理作用,有利于焊缝金属中的铁素体进一步转变为奥氏体,成为奥氏体占优势的两相组织,毗邻焊缝的母材热影响区组织中的奥氏体数量也增高,从而使整个焊接接头的组织和性能得到改善。参考文献:1李健.不同焊接工艺对双相钢(SAF 2205)金相组织的影响J.压力容器,2004,21(2):7-11,31.2AS ME:2000,焊接和钎焊评定 S.3吴玖.双相不锈钢M.北京:冶金工业出版社,1999.作者简介:赵海鸿(1974-),毕业于西安石油大学焊接工艺及设备专业,硕士,现主要从事长输油气管道的焊接工艺评定及相关技术服务。收
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