铁素体-奥氏体双相不锈钢中铁素体的测量

黄明忠　刘小红　文陆一

（贵阳化工机械有限公司）（贵州省特种设备检验检测院）

铁素体-奥氏体双相不锈钢中铁素体的测量

黄明忠*刘小红文陆一

（贵阳化工机械有限公司）（贵州省特种设备检验检测院）

介绍了奥氏体-铁素体双相钢UR45N+材料在磷酸净化项目中的应用和双相钢铁素体的测量方法，着重论述了采用铁素体测量仪测量板材和焊缝中铁素体含量以及测量结果与金相定量法结果的误差。此外，还论述了板材的测量位置和焊缝中铁素体含量的测量方法。铁素体测量仪的无损测量、精确度和快捷性等性能可满足工程上对双相钢轧材及其焊缝的测量要求。

双相钢铁素体测量仪测量方法板材焊缝铁素体含量

0　前言

随着磷化工行业深加工的不断发展，铁素体-奥氏体双相不锈钢在工程中的应用逐渐增多。双相钢结合了铁素体钢和奥氏体不锈钢的优良特性，高铬、镍、钼合金元素及含氮的化学成分，对含有氯、氟离子的工艺介质有极强的抗腐蚀能力，其抗腐蚀能力仅次于超低碳高级不锈钢904L（UNS N08904）［1］。双晶相组织使钢材具有很高的机械强度。法国INDUSTEEL FRANCE CREUSOT PLANT生产的双相钢UR45N+，其屈服强度Rp0.2=450 MPa，常温许用应力［σ］=230 MPa。常用的超低碳奥氏体不锈钢316L（S31603）其屈服强度Rp0.2=180 MPa，常温许用应力［σ］=120 MPa。材料的强度高，可减小设备主体材料的厚度，节约成本。在设备制造过程中，为确保焊缝铁素体、奥氏体双相组织的比例，避免焊缝出现高比例铁素体组织，除选择含镍量（Ni）比母材高的焊材外，还要严格控制焊接的热输入（即线能量），焊后对焊缝进行铁素体测量，确保焊缝的铁素体含量在控制的范围内，保持其双相钢特有的优良性能。

1　铁素体测量方法

常用的铁素体测量方法有三种：化学分析-图谱法，金相法，磁性法［2］。

化学分析-图谱法，即Schacffler图铁素体测量法，用化学分析法测试铬、镍、锰等合金元素成分，按一定关系计算出铬、镍当量，对照Schacffler图，查出铁素体量。这是一种根据金属化学成分粗略估计铁素体含量的方法［2］。具体方法参见美国焊接学会（AWS）的焊接手册。

金相法分常规比较金相法和定量金相法。比较金相法测量误差大，不再使用。定量金相法又分为手工定量金相法和图像分析仪定量法。手工定量金相法由于是人工目视评定，其准确性、重现性差，如今很少采用。常用的图像分析仪定量法，一般采用美国材料与试验协会标准ASTM E562《用系统人工点计数测定体积分数的试验方法》。

磁性法基于对奥氏体焊缝金属表面永久磁性抗力的测量，测量焊缝金属铁素体含量。铁素体（δ相）组织是铁磁性的，而奥氏体（γ相）、碳化物和σ相都不是铁磁性的，不会影响测量结果。此法被国际焊接学会作为标准采用，认为这是测量不锈钢焊缝铁素体含量最好的方法之一［2］。但被测试样的化学成分、晶格常数、铁素体组织形态分布不均，在不同的轧制方向，测量值会有所不同，测量重现性和准确性差。因此，在工程实际检测时需要多位置测量，每一位置多次测量取其算术平均值作为结论值。德国FERITSCOPE FMP30铁素体仪依据磁感方法进行测量，线圈产生的磁场区域与工件内磁性部件相互作用，磁场区域的变化在第二线圈产生感生电压，该电压与铁素体含量成比例关系，然后评估该电压，得到铁素体测量值。由于磁性法测量采样体积相对较大，测量焊缝热影响区（HAZ）、复合板不锈钢层焊缝、较薄的不锈钢堆焊层时要慎重，测量前要充分了解仪器测头的敏感深度。

2　铁素体仪测量板材铁素体含量

使用德国产的FMR30型测量仪，测量时工件没有振动，附近没有铁磁性材料的影响，测头与测试面保持垂直，显示读数后立即撤离测头，每一位置测量5次，计算平均值。采用点触磁性法分别测量板材表面（轧制面）、横截面（断面），发现同一试件表面、横截面铁素体测量值相差很大，所测量位置（见图1）及铁素体数值分别见表1和表2。

图1　板材测量位置

表1　侧面（截面）铁素体测量值

表2　平行轧制面的阶梯面铁素体测量值

分析表1和表2可知，采用铁素体仪测试同一试件，板材截面比板材表面所测铁素体值高9%。这是由于板材在轧制过程中铁素体（δ相）已严重错位，晶格常数产生变化，铁磁性能已发生改变的缘故。因此采用铁素体仪测量锻材、轧材双相体不锈钢的铁素体含量时，首先用钨极氩弧焊保护自熔焊接的方式制作试样，对自然状态凝固表面进行测量，具体情况可按照ASTM第Ⅲ卷《核动力设备》相关规范进行。同一试件分别用金相定量法（图像分析仪）、铁素体仪进行铁素体含量测量，经对其测量值对比，横截面铁素体值与金相定量法测量值比较接近。为确定铁素体测量仪与金相定量法的误差值大小，选择不同炉号、不同规格厚度UR45N+板材分别采用铁素体仪、图像分析金相定量法两种方法测量同一试块，结果如表3所示。可见铁素体仪测量板材截面铁素体值与图像分析仪金相法测量值比较接近，相差2%～5%。UR45N+板材铁素体含量为45%～55%，比较接近奥氏体-铁素体双相钢两相各占50%理想值。因此在工程实际应用中，轧材、锻材、焊缝的铁素体含量可用铁素体仪的测量值加上2%～5%，作为其铁素体含量的测量值。

表3　UR45N+铁素体测量值

3　铁素体仪测量焊缝铁素体含量

焊缝中铁素体形成不仅与母材、焊材有关，还与焊接工艺（不同板厚）、焊工焊接操作技术相关，焊接热输入（线能量）的稳定性对焊缝铁素体形成有着重要影响。在工程中需要对焊缝进行铁素体测量，控制焊缝铁素体含量，焊缝铁素体应尽可能稳定在30%～40%。焊缝铁素体含量一般不能超过60%，否则会对抗蚀能力产生不良影响［2］。铁素体仪实现无损测量，方便快捷，测量值经过较正后可满足工程需要，因此铁素体仪在工程中应用广泛。

某公司磷酸净化项目工程现场制作一台设备，直径Ø5600 mm，高5000 mm，锥顶平底，主体材料UR45N+，δ=6 mm。焊材生产商为法国AIR LIQUIDE WENDNG FRANCE公司，焊条牌号为LEXAL E22 9 3 N/SAF-FRO（ASME SFA5.4/E2209-16），设备的焊缝布置如图2所示，用铁素体仪测量其焊缝铁素体含量如表4所示。

图2　设备的焊缝布置

表4　铁素体仪测量焊缝铁素体含量记录

在生产过程中不断摸索铁素体仪测量方法，总结了使用铁素体仪应注意的操作要点如下所述。

（1）被检焊缝表面处理：表面平整、光滑，测量点直径不小于5 mm。

（2）测量过程中工件不应有振动现象，附近不得有铁磁性材料，测头应接触测量面并保持垂直。

（3）每个测量位置取5～6个读数，然后取其平均值作为测量结果。

（4）测量点均布于被测焊缝，根据被测焊缝长度、焊接位置、焊接工艺、焊接人员，确定测量点数，每一组测量点具有一定的代表性，每一性质测量点应不少于3个点。

使用铁素体仪测量了50多台现场产品的焊缝铁素体含量，其中焊条电弧焊施焊的产品其焊缝铁素体含量的范围为30%～45%。焊缝位置为立焊（VU）或焊缝多层多道焊时，焊缝铁素体测量值偏下限值30%。焊缝位置为横焊（H）时，焊缝铁素体测量值偏上限值45%。根据焊件厚度，选择适当的热输入（线能量），即适当增加焊接电流，减小焊接速度，提高层间温度，采用多层多道焊（后道焊缝对前道焊缝有后热作用），这些方法都有利于焊缝金属铁素体（δ）组织转变为奥氏体（γ）组织，从而降低焊缝铁素体含量［2］。

4　结束语

铁素体-奥氏体双相不锈钢金相显微组织理论值各占50%。法国INDUSTEELFRANCE CREUSOT PLANT生产的UR45N+双相钢铁素体含量保证值为45%～55%，质量比较稳定。采用铁素体仪对板材铁素体含量进行无损测量时，建议以横截面铁素体值为准。UR45N+双相不锈钢具有良好的焊接性能。实践证明，UR45N+母材，选用高镍含量焊接材料LEXAL E22.9.3N，采用适当的焊接工艺，焊接接头铁素体含量通常不超过60%，不会对抗蚀能力产生不良影响。本文通过对铁素体仪测量焊缝铁素体含量的应用和探讨，总结了使用铁素体仪测量焊缝铁素体时需注意的要点，对无损测量铁素体-奥氏体双相钢轧材及焊缝的铁素体含量提供了宝贵的经验，具有积极的借鉴意义。简便快捷的铁素体测量方法对推动铁素体-奥氏体双相不锈钢在化工行业的普及和应用作出了积极的贡献。

［1］左景伊.腐蚀数据手册［M］.北京：化学工业出版社，1998.

［2］Erich Folkhard.不锈钢焊接冶金［M］.北京：化学工业出版社，2004.

LNG用高端低温气体压缩机国产化

中石化洛阳工程有限公司牵头研发的国内首台液化天然气（LNG）用卧式对置平衡式低温气体压缩机，于2015年11月27日通过中国机械工业联合会组织的成果鉴定。鉴定专家组表示，样机经出厂试验检测，各项性能指标均达到设计任务书要求，表明我国已具备制造高端低温气体压缩机的能力，为此类产品的产业化提供了技术保障。

目前国内市场近90%的卧式对置平衡式压缩机依赖进口。“十二五”期间，中石油、中石化和中海油相继进入天然气市场，目前处于规划中的LNG接收站项目已有24个，到2020年，国内接收站接收能力将达到每年5510万t。LNG接收站发展迅速，其所需关键装置——卧式对置平衡式低温气体压缩机国产化迫在眉睫。

2013年，中石化洛阳工程有限公司联合西安交通大学等单位，开始了此类低温气体压缩机的国产化工作。在克服设备低温材料选择、配件在低温条件下的运行配合等技术难题后，拥有全部自主知识产权的低温气体压缩机通过鉴定。目前制造此类压缩机产品价格在人民币1000万元左右，还不到国外产品价格的一半。下一步，将会加快该产品在商业层面的开发，为国家能源安全作出贡献。

近年来，一些能源消费大国越来越重视LNG的引进，并大力兴建LNG接收站。但在LNG的储存过程中，因难以完全绝热会产生蒸发气体，如果对此不加以回收利用，任其排入空气中，不仅危险，还会造成相当程度的经济损失和环境污染。因此，用于压缩蒸发气体进行回收利用的低温气体压缩机，便成了LNG接收站的必备装置。

（钱伯章）

Measurement of Ferrite in Duplex Ferritic-Austenitic Stainless Steel

Huang MingzhongLiu XiaohongWen Luyi

The application of the duplex ferritic-austenitic stainless steel UR45N+material in the phosphoric acid purification project and the measuring method of the ferrite in dual-phase steel are introduced.Especially，the measurements of the ferrite in the plates and weld joints using both the ferrite measuring instrument and the quantitative metallography are carried out，meanwhile，the measuring errors are analyzed.In addition，the measuring positions of the plates and the measurement methods of the ferrite in the weld joints are discussed.To conclude，the ferrite measuring instrument，with the properties of nondestructive measurement，accuracy and rapidness，meets the measurement requirements of the dual-phase rolled steel products and their welds in engineering project.

Dual-phase steel；Ferrite measuring instrument；Measurement method；Plate；Weld joints；Ferrite content

TG 115

2015-04-17）

*黄明忠，男，1970年生，工程师。贵阳市，550004。