2507超級雙相鋼焊接工藝分析及其在中壓分解塔中的應用

 浙江至德鋼業(yè)有限公司通過(guò)對2507超級雙相鋼的焊接性能進(jìn)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。結果表明，該工藝方法合理、可行，施焊效果良好，確保了中壓分解塔的焊接質(zhì)量，各項試驗結果符合設計技術(shù)要求。

一、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(diǎn)。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(xiàn)等腐蝕性能要求較高的工業(yè)領(lǐng)域獲得越來(lái)越廣泛的應用。

  中壓分解塔是尿素裝置中的關(guān)鍵設備之一，介質(zhì)為甲銨液、氨氣和二氧化碳，工作壓力1.7MPa，工作溫度160℃，材料選用2507，封頭規格為EHA2600mm×20mm，筒體規格為φ2600mm×18mm，錐殼規格為φ2600mm/φ472×18mm，主體結構如圖所示。

二、2507超級雙相鋼焊接關(guān)鍵點(diǎn)分析

 1. 焊接性分析

  2507超級雙相鋼具有良好的焊接性能，其鉻和鎳含量高于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(shí)應避免過(guò)大的熱輸入，盡量用小電流、高速焊、窄焊道和多道焊工藝，防止熱影響區晶粒粗化和單相鐵素體化。在焊縫金屬開(kāi)始凝固時(shí)，形成幾乎是全鐵素體組織，進(jìn)一步冷卻則在鐵素體晶界開(kāi)始形成奧氏體相，轉變成奧氏體相時(shí)伴隨著(zhù)產(chǎn)生兩相之間鉻、鎳、鉬和氮元素的重新分配。由于冷卻速度決定了可轉變成奧氏體的鐵素體數量，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. 關(guān)鍵技術(shù)分析

  焊接接頭的力學(xué)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(guò)低將導致材料強度、抗應力腐蝕開(kāi)裂能力下降，鐵素體含量過(guò)高則對耐腐蝕性能和沖擊韌性不利，當比例接近于50%時(shí)綜合性能最好。在焊接過(guò)程中如何保證焊縫和熱影響區均保持適當的兩相比例，成為2507焊接的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。當焊縫在800~1000℃范圍停留超過(guò)1分鐘，在焊縫和熱影響區可能形成σ相或氮化物相，這些組織可能造成力學(xué)性能和耐腐蝕性能降低，所以在焊接過(guò)程中控制層間溫度非常關(guān)鍵。

三、焊接工藝評定

 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(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表所示。從表可以看出，E2594-16焊材的鉻、鎳和鉬含量比母材2507略高，氮含量比母材2507略低。從表中可以看出，焊材的抗拉強度比母材高，延伸率比母材低。

 2. 焊前準備

  焊接工藝試板選用500mm×250mm×18mm。

  a. 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。

  b. 坡口清理

  焊前清理坡口兩側內、外表面各50mm范圍內油污、鐵銹、水和其他影響焊縫性能的雜物，直至露出金屬光澤。

 3. 焊接工藝評定參數制定

  焊接方法及參數如表所示，焊接線(xiàn)能量控制在0.2~1.5kJ/mm，保護氣體采用98%Ar+2%N 2，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(guò)程中有助于奧氏體的轉變從而控制兩相平衡；二是焊接過(guò)程中補充N(xiāo)元素的燒損，提高焊縫區域的抗腐蝕性能。層間溫度控制在100℃以?xún)取?/span>

 4. 焊接工藝評定結果

   a. 外觀(guān)檢查及無(wú)損檢測

  焊縫外觀(guān)檢查合格后，經(jīng)100%PT按NB/T 47013.5-2015Ⅰ級合格，經(jīng)100%RT按NB/T47013.2-2015Ⅰ級合格。

  2. 力學(xué)性能試驗

  對焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能試驗，試驗結果滿(mǎn)足設計要求，如表所示。

 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、焊縫及熱影響區的鐵素體含量為47.5%~53.5%，測試結果滿(mǎn)足設計要求。

 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(shí)，試驗結果如表所示。

  從表可知，試樣平均腐蝕速率分別為0.2325g/m 2·h和0.2300g/m 2·h，均低于標準要求的1.6g/m 2·h，抗晶間腐蝕性能良好。

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

四、2507焊接工藝在中壓分解塔中的應用及難點(diǎn)分析

 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(gè)筒節組成，共六道環(huán)縫，各筒節有一道縱縫，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%。

 2. 難點(diǎn)分析及措施

  在制造過(guò)程中容易出現下述問(wèn)題其解決措施如下：

  a. 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和熱影響區鐵素體含量過(guò)高，相應降低韌性和耐蝕性。極高的熱輸入會(huì )增加形成金屬間相的危險。解決措施是安排專(zhuān)人使用紅外線(xiàn)測溫儀及時(shí)監控層間溫度。

  b. 氬弧焊打底時(shí)氣體保護措施不到位，氣體保護措施不到位，焊縫有過(guò)熱及氧化現象。解決措施是保證氬氣和氮氣純度及比例，設計專(zhuān)用氣體保護罩，如圖3所示。

  c. 焊縫容易存在夾渣缺陷 ，在組裝過(guò)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(guò)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。

  d. 角焊縫焊渣清理時(shí)容易產(chǎn)生表面損傷，采用細磨方法去除焊渣，不宜采用旋轉電動(dòng)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(kāi)裂。不能隨意引弧，任何飛濺點(diǎn)應清理干凈。

五、結語(yǔ)

  浙江至德鋼業(yè)有限公司通過(guò)對2507超級雙相鋼的焊接性能進(jìn)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，總結了實(shí)際施工過(guò)程中常見(jiàn)問(wèn)題及解決措施。