双相不锈钢在高压换热器制造中的应用
时间：2019-06-13
作者：无锡不锈钢板
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双相不锈钢焊接接头的力学性能和耐蚀性取决于接头能否保持适当的相比例，正确选用焊接材料，严格控制焊接热输入量以及制定合理的焊接工艺，避免焊后消除应力处理是双相不锈钢焊接的关键。本文通过焊接工艺试验、焊接工艺评定及产品的施焊证明，所选用的焊接方法、焊接材料、焊接工艺规范正确合理。
双相不锈钢在室温下固溶体中奥氏体和铁素体约各占半且兼有两相组织特征。它保留了铁素体不锈钢导热系数大、线膨胀系数小、耐点蚀，缝蚀及氯化物应力腐蚀的性能特点（当然也存在475℃析出脆性的σ相，造成脆化及加工硬化倾向大的缺点）；又具备奥氏体不锈钢韧性好、脆性转变温度较低、抗晶间腐蚀、力学性能和焊接性能好的优点，广泛应用于海上和陆地油气、化工压力容器、纸浆和造纸等行业。
高压换热器是加氢裂化装置除反应器外的核心设备之一，由于螺纹锁紧环式密封结构换热器结构紧凑、泄漏点少、密封可靠、占地面积小、节省材料,一旦运行过程中出现泄漏，也不必停车,只需紧固内、外圈顶紧螺栓即可达到密封要求。目前国内外加氢裂化和重油加氢脱硫装置中普遍采用此结构换热器。年产180×104t/a加氢裂化装置中的热高分气/混氢换热器，管程设计温度245℃，设计压力16.4MPa，换热管材质为超级2507（UNS32750），规格φ25mm×2.5mm；介质特性：易爆；管板材质为12Cr2Mo1R（H）Ⅳ+双层堆焊（E309MoL+E2209），壳体材质为12Cr2Mo1R（H），设计温度225℃,设计压力17.9MPa，介质特性：易爆,结构简图如图1所示。
双相不锈钢焊接接头的力学性能和耐蚀性取决于接头能否保持适当的相比例，因此，双相不锈钢的焊接是围绕如何保证其双相组织而进行的。
1双相不锈钢的焊接特点
1.1焊接过程对相组织的影响
对于双相不锈钢焊缝金属而言，是以单相δ凝固结晶，随着温度的降低，从凝固→冷却这是一个速度较快的从δ→γ组织转变的不平衡过程。若冷却速度较快，即焊接热输入量较低时，则δ→γ转变的较少，使δ相较多而γ相较少；若热输入量高，即冷却速度慢，虽然会促使较多的δ→γ转变，可以得到足够数量的奥氏体，但也会使晶粒粗大，σ相和二次奥氏体（γ2）析出，从而降低焊缝的耐腐蚀性能，韧性下降。因此，要选用合适的足够高的热输入量和层间温度以保证冷却速度适中，能够得到满意数量的奥氏体相，而又不致降低耐腐蚀性能。
图2为双相不锈钢的凝固过程，从图中可以看出，双相不锈钢从液相凝固后是完全的铁素体组织，且保留至铁素体溶解度曲线的温度。只有在更低的温度下部分铁素体才转变成奥氏体，形成铁素体加奥氏体双相组织；化学成分Ni、N为强烈的奥氏体形成元素，Cr、Mo为强烈的铁素体形成元素；焊接热循环的参数（加热速度、冷却速度等）也会影响相比例组织的变化。
双相钢焊接时，焊缝有可能发生三种类型的析出相，它们都会降低耐腐蚀性能和韧性，这三种析出相分别是：
1.2.1氮化物（Cr2N、CrN）的析出（见图3）
在高温时，氮在铁素体中溶解度增加，在快速冷却时溶解度又开始下降；尤其在靠近焊缝表面的部位，由于铁素体量较多，氮化物更易析出，这对焊缝金属的耐腐蚀性有直接影响。若焊缝金属有合适的相比例，则氮化物的析出量很少。为了避免氮化物的析出，应在填充金属中提高Ni和N元素的含量，以增加焊缝金属的奥氏体数量。另外应避免采用过低的热输入量（特别是厚壁件焊接时），以防止因冷却速度过快而生成纯铁素体晶粒,引起氮化物的析出。
1.2.2二次奥氏体的析出（γ2）（见图4）
1.2.3金属间脆化相的析出（σ相）（见图5）
当焊接热输入量过大时，冷却速度就会变慢，这样虽有利于奥氏体的转变，使δ和γ相比例比较满意，但也造成金属间脆化相（σ相）的析出。尤其是含W，Cu的超级双相不锈钢对高的热输入量敏感。
1.3475℃脆化现象
由于双相不锈钢中有较高的铁素体，当接头在300~550℃范围内停留时间过长，会发生475℃脆化。因此，应尽量缩短双相不锈钢焊接接头在这个温度区间的停留时间。
1.4热处理的影响
在300~550℃低温加热时可能产生475℃脆性，在600~900℃中温加热时会出现脆性的σ相。因此，应避免焊后消除应力处理，最好的热处理方式为进行固溶化热处理。但过高的固溶化热处理温度，会使单相铁素体晶粒粗大，耐应力腐蚀性能下降。
综上所述，保持相平衡，得到满意的相比例组织，尽量减少析出相，是双相不锈钢焊接的关键，要想达此目的，必须严格控制焊接热输入量；提高焊接材料中的Ni含量，一般焊材中Ni含量要比母材高2%~4%，再加入与母材含量相当的N（为0.1%~0.2%）；应避免焊后消除应力处理。
2焊接工艺评定的制定
结合双相不锈钢的焊接特点及高压换热器的结构特点，管板的堆焊采用埋弧带极堆焊、管板与换热管的焊接采用自动钨极氩弧焊，并分别进行了焊接工艺评定。
2.1管板埋弧带极堆焊焊接工艺评定
双相不锈钢的带极堆焊，主要考虑堆焊层的厚度、化学成分的范围、双相组织的相比例、耐蚀性及其有关特性。要达到上述要求，需要控制的要素如图6所示。
2.1.112Cr2Mo1R钢上进行了（E309-MoL+E2209）带极堆焊
12Cr2Mo1R试板表面100％磁粉（MT）检测→预热（预热温度≥150℃）→堆焊过渡层（道间温度150~250℃）→后热（250~300℃×2h）→堆焊层100％（PT）检查→690℃×8（P-WHT）消除应力处理→堆焊表层（道间温度≤100℃）→堆焊层100％着色（UT、PT）检测。
依据中国石化工程建设公司BCEQ-9338/A1《压力容器内部双层堆焊（E-309MoL+E2209型）技术条件》的要求,分别进行了化学成分、弯曲、铁素体含量、硬度及耐蚀性的检测。试验结果分别见表2、表3、表4、表5和表6。
表2、表3、表4、表5和表6试验结果表明，堆焊层化学成分、堆焊层弯曲试验、硬度测量、铁素体测量及腐蚀试验均满足要求，证明所选用的焊接工艺以及焊接材料正确合理。
2.2管板与换热管的焊接采用自动钨极氩弧焊工艺评定
用堆焊合格的12Cr2Mo1R+（E309-MoL+E2209）试板，进行了管板与换热管的自动钨极氩弧焊工艺评定，焊丝选用25.10.4.L，规格φ0.8mm，纯氩气保护，并依据中国石化工程建设公司BCEQ-9333/A1《超级双相不锈钢冷换热管束制造技术条件》和GB151-1999《管壳式换热器》附录B的要求，分别进行了化学成分、弯曲、铁素体含量、硬度、耐蚀性的检测及拉脱力试验。试验结果均满足制造技术条件要求。
3产品焊接
在工艺试验及工艺评定的基础上,进行了管板的双相不锈钢的堆焊、管板与换热管的自动钨极氩弧焊的焊接,事实表明，堆焊层与管接头角焊缝成形美观，无损检测合格率高，各项技术指标均满足要求。
4结束语
双相不锈钢焊接接头的力学性能和耐蚀性取决于接头能否保持适当的相比例，正确选用焊接材料、严格控制焊接热输入量以及制定合理的焊接工艺是双相不锈钢焊接的关键，本文通过焊接工艺试验、焊接工艺评定及产品的施焊证明，所选用的焊接方法、焊接材料、焊接工艺规范正确合理。
参考文献
[1]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册2－材料的焊接[M].北京:机械工业出版社.2008.
[2]吴玖.双相不锈钢[M].北京:冶金工业出版社.1999.
[3]李平瑾,王观东,胡积胜,崔军.不锈钢在压力容器中的应用及焊接技术[J].压力容器,2003,20(7)(8).
[4]KurtStaub,超级双相不锈钢SAF2507的焊接[J].Sandvik公司资料,2006.
双相不锈钢在室温下固溶体中奥氏体和铁素体约各占半且兼有两相组织特征。它保留了铁素体不锈钢导热系数大、线膨胀系数小、耐点蚀，缝蚀及氯化物应力腐蚀的性能特点（当然也存在475℃析出脆性的σ相，造成脆化及加工硬化倾向大的缺点）；又具备奥氏体不锈钢韧性好、脆性转变温度较低、抗晶间腐蚀、力学性能和焊接性能好的优点，广泛应用于海上和陆地油气、化工压力容器、纸浆和造纸等行业。
高压换热器是加氢裂化装置除反应器外的核心设备之一，由于螺纹锁紧环式密封结构换热器结构紧凑、泄漏点少、密封可靠、占地面积小、节省材料,一旦运行过程中出现泄漏，也不必停车,只需紧固内、外圈顶紧螺栓即可达到密封要求。目前国内外加氢裂化和重油加氢脱硫装置中普遍采用此结构换热器。年产180×104t/a加氢裂化装置中的热高分气/混氢换热器，管程设计温度245℃，设计压力16.4MPa，换热管材质为超级2507（UNS32750），规格φ25mm×2.5mm；介质特性：易爆；管板材质为12Cr2Mo1R（H）Ⅳ+双层堆焊（E309MoL+E2209），壳体材质为12Cr2Mo1R（H），设计温度225℃,设计压力17.9MPa，介质特性：易爆,结构简图如图1所示。
双相不锈钢焊接接头的力学性能和耐蚀性取决于接头能否保持适当的相比例，因此，双相不锈钢的焊接是围绕如何保证其双相组织而进行的。
1双相不锈钢的焊接特点
1.1焊接过程对相组织的影响
对于双相不锈钢焊缝金属而言，是以单相δ凝固结晶，随着温度的降低，从凝固→冷却这是一个速度较快的从δ→γ组织转变的不平衡过程。若冷却速度较快，即焊接热输入量较低时，则δ→γ转变的较少，使δ相较多而γ相较少；若热输入量高，即冷却速度慢，虽然会促使较多的δ→γ转变，可以得到足够数量的奥氏体，但也会使晶粒粗大，σ相和二次奥氏体（γ2）析出，从而降低焊缝的耐腐蚀性能，韧性下降。因此，要选用合适的足够高的热输入量和层间温度以保证冷却速度适中，能够得到满意数量的奥氏体相，而又不致降低耐腐蚀性能。
图2为双相不锈钢的凝固过程，从图中可以看出，双相不锈钢从液相凝固后是完全的铁素体组织，且保留至铁素体溶解度曲线的温度。只有在更低的温度下部分铁素体才转变成奥氏体，形成铁素体加奥氏体双相组织；化学成分Ni、N为强烈的奥氏体形成元素，Cr、Mo为强烈的铁素体形成元素；焊接热循环的参数（加热速度、冷却速度等）也会影响相比例组织的变化。
双相钢焊接时，焊缝有可能发生三种类型的析出相，它们都会降低耐腐蚀性能和韧性，这三种析出相分别是：
1.2.1氮化物（Cr2N、CrN）的析出（见图3）
在高温时，氮在铁素体中溶解度增加，在快速冷却时溶解度又开始下降；尤其在靠近焊缝表面的部位，由于铁素体量较多，氮化物更易析出，这对焊缝金属的耐腐蚀性有直接影响。若焊缝金属有合适的相比例，则氮化物的析出量很少。为了避免氮化物的析出，应在填充金属中提高Ni和N元素的含量，以增加焊缝金属的奥氏体数量。另外应避免采用过低的热输入量（特别是厚壁件焊接时），以防止因冷却速度过快而生成纯铁素体晶粒,引起氮化物的析出。
1.2.2二次奥氏体的析出（γ2）（见图4）
1.2.3金属间脆化相的析出（σ相）（见图5）
当焊接热输入量过大时，冷却速度就会变慢，这样虽有利于奥氏体的转变，使δ和γ相比例比较满意，但也造成金属间脆化相（σ相）的析出。尤其是含W，Cu的超级双相不锈钢对高的热输入量敏感。
1.3475℃脆化现象
由于双相不锈钢中有较高的铁素体，当接头在300~550℃范围内停留时间过长，会发生475℃脆化。因此，应尽量缩短双相不锈钢焊接接头在这个温度区间的停留时间。
1.4热处理的影响
在300~550℃低温加热时可能产生475℃脆性，在600~900℃中温加热时会出现脆性的σ相。因此，应避免焊后消除应力处理，最好的热处理方式为进行固溶化热处理。但过高的固溶化热处理温度，会使单相铁素体晶粒粗大，耐应力腐蚀性能下降。
综上所述，保持相平衡，得到满意的相比例组织，尽量减少析出相，是双相不锈钢焊接的关键，要想达此目的，必须严格控制焊接热输入量；提高焊接材料中的Ni含量，一般焊材中Ni含量要比母材高2%~4%，再加入与母材含量相当的N（为0.1%~0.2%）；应避免焊后消除应力处理。
2焊接工艺评定的制定
结合双相不锈钢的焊接特点及高压换热器的结构特点，管板的堆焊采用埋弧带极堆焊、管板与换热管的焊接采用自动钨极氩弧焊，并分别进行了焊接工艺评定。
2.1管板埋弧带极堆焊焊接工艺评定
双相不锈钢的带极堆焊，主要考虑堆焊层的厚度、化学成分的范围、双相组织的相比例、耐蚀性及其有关特性。要达到上述要求，需要控制的要素如图6所示。
2.1.112Cr2Mo1R钢上进行了（E309-MoL+E2209）带极堆焊
12Cr2Mo1R试板表面100％磁粉（MT）检测→预热（预热温度≥150℃）→堆焊过渡层（道间温度150~250℃）→后热（250~300℃×2h）→堆焊层100％（PT）检查→690℃×8（P-WHT）消除应力处理→堆焊表层（道间温度≤100℃）→堆焊层100％着色（UT、PT）检测。
依据中国石化工程建设公司BCEQ-9338/A1《压力容器内部双层堆焊（E-309MoL+E2209型）技术条件》的要求,分别进行了化学成分、弯曲、铁素体含量、硬度及耐蚀性的检测。试验结果分别见表2、表3、表4、表5和表6。
表2、表3、表4、表5和表6试验结果表明，堆焊层化学成分、堆焊层弯曲试验、硬度测量、铁素体测量及腐蚀试验均满足要求，证明所选用的焊接工艺以及焊接材料正确合理。
2.2管板与换热管的焊接采用自动钨极氩弧焊工艺评定
用堆焊合格的12Cr2Mo1R+（E309-MoL+E2209）试板，进行了管板与换热管的自动钨极氩弧焊工艺评定，焊丝选用25.10.4.L，规格φ0.8mm，纯氩气保护，并依据中国石化工程建设公司BCEQ-9333/A1《超级双相不锈钢冷换热管束制造技术条件》和GB151-1999《管壳式换热器》附录B的要求，分别进行了化学成分、弯曲、铁素体含量、硬度、耐蚀性的检测及拉脱力试验。试验结果均满足制造技术条件要求。
3产品焊接
在工艺试验及工艺评定的基础上,进行了管板的双相不锈钢的堆焊、管板与换热管的自动钨极氩弧焊的焊接,事实表明，堆焊层与管接头角焊缝成形美观，无损检测合格率高，各项技术指标均满足要求。
4结束语
双相不锈钢焊接接头的力学性能和耐蚀性取决于接头能否保持适当的相比例，正确选用焊接材料、严格控制焊接热输入量以及制定合理的焊接工艺是双相不锈钢焊接的关键，本文通过焊接工艺试验、焊接工艺评定及产品的施焊证明，所选用的焊接方法、焊接材料、焊接工艺规范正确合理。
参考文献
[1]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册2－材料的焊接[M].北京:机械工业出版社.2008.
[2]吴玖.双相不锈钢[M].北京:冶金工业出版社.1999.
[3]李平瑾,王观东,胡积胜,崔军.不锈钢在压力容器中的应用及焊接技术[J].压力容器,2003,20(7)(8).
[4]KurtStaub,超级双相不锈钢SAF2507的焊接[J].Sandvik公司资料,2006.