双相不锈钢复合钢板容器的焊接工艺研究

朱莎莎 张继亮 张 力 朱 虹 孙亚杰

(二重(镇江)重型装备有限责任公司，江苏212000)

近年来，随着双相不锈钢复合钢板制造工艺的日渐成熟，凭借其良好的综合性能，广泛应用于化工、海上及海岸设施、油田设备、造船以及环境保护等领域[1]。但由于碳钢与双相不锈钢在物理性能、化学成分、组织和焊接性能方面存在较大差异，出现双相不锈钢复层合金元素稀释和增碳、碳钢基层硬化和脆化等问题，在焊接应力及其它因素的共同作用下容易产生裂纹，影响容器产品的质量及使用安全性。

公司承制的某项目的分壁塔采用双相不锈钢复合钢板，其材质为Q345R+S32750，为保证分壁塔的堆焊焊接质量，在产品制造前期按照产品技术要求和NBT 47014—2011《承压设备用焊接工艺评定》标准开展了堆焊工艺试验。

1 产品介绍

分壁塔结构简图如图1所示，材质为Q345R+S32750，壳体厚度不一致，包括(16+3)mm、(20+3)mm、(24+3)mm等厚度，其中最厚的筒体壁厚为(68+3)mm，处于上封头邻近处。

按照GB 150.4—2011《压力容器 第4部分：制造、检验和验收》要求，当Q345R大于32 mm时需焊后热处理，本产品中技术条件也明确要求对于基层厚度达68 mm壳体必须进行焊后热处理，故此整台产品除壁厚为(68+3)mm的筒体段需焊后热处理外，其它均为焊态。根据NBT 47015—2011《压力容器焊接规程》中的焊后热处理推荐规范，确定了合适的焊后热处理工艺：620℃±20℃×2.2+0.25h。

考虑到双相不锈钢焊后经400℃以上热处理后容易引起σ相脆化，故对该产品不同厚度部位的焊缝补堆、接管内壁堆焊需采取的工艺及最适合的状态开展焊接工艺研究。

2 焊接工艺试验

2.1 基本要求

依照产品技术条件，焊缝补堆厚度和接管内壁堆焊厚度不得小于5 mm，面层厚度不得小于3 mm，堆焊采用双层堆焊，过渡层堆焊E309LMo，面层堆焊E2594，所有S32750复层焊接接头以及堆焊层(包括过渡层和面层)需按NBT 47013.5—2015的要求进行100%PT检测，I级合格。面层及面层以下3 mm范围内化学成分要求相同，见表1。堆焊面层铁素体含量控制在40%～60%。

表1 E2594面层及面层以下3 mm范围内的化学成分要求(质量分数，%)Table 1 Chemical composition requirements for E2594 surface layer and that within 3 mm below surface layer (mass fraction,%)

表2 焊接工艺参数Table 2 Welding process parameters

表3 焊接工艺评定试板的铁素体数检测结果Table 3 Ferrite number of test plates for welding process evaluation

在焊缝补堆以及接管内壁堆焊过程中，根据产品结构特点，分别采用了焊条电弧焊(SMAW)和药芯焊丝气体保护焊(FCAW)进行堆焊，其焊接工艺参数见表2。

根据产品技术条件，为了满足产品焊接要求，进行了6块试板焊接试验，以便研究焊后热处理对堆焊面层的影响。

2.2 试验情况

2.2.1 堆焊层面层铁素体测量

2.2.2 焊缝化学成分

采用光电直读光谱仪、氧氮氢分析仪分析了堆焊层表面及表面以下3 mm处焊缝的化学成分，见表4。

2.2.3 弯曲试验

2.2.4 晶间腐蚀

表6 堆焊层晶间腐蚀结果Table 6 Intergranular corrosion results of surfacing layer

3 试验分析

3.1 弯曲试验裂纹及晶间腐蚀不合格分析

从表5和表6中可见S-1、S-3、F-1、F-3试板弯曲试验和晶间腐蚀试验均一次性合格，经620℃±20℃×2.2+0.25h整体焊后热处理后，S-2和F-2试板的弯曲试验均发现了堆焊层有大于1.5 mm的开口缺陷，该试板同时也发现有晶间腐蚀倾向。

S32750双相不锈钢属于Cr25型双相不锈钢，选择了E2594型焊材。Cr25型双相不锈钢由于其添加了Cu元素，在600～1000℃范围内加热，焊接热影响区及焊缝金属易析出σ相、碳化物、氮化物(Cr23C6、Cr2N、CrN)[2]等，造成接头耐腐蚀性能及塑性的大幅降低。不锈钢在450～850℃范围内加热，可产生晶间腐蚀倾向[3]。本次焊接试验中，E2594面层经620℃±20℃×2.2+0.25h热处理后，S-2和F-2试板铁素体数量急剧下降，处于脆化和晶间腐蚀区间，出现了超标裂纹，导致弯曲性能不合格并且堆焊层也出现晶间腐蚀倾向。另外当冷却速度过快时，会一直有δ→γ转变，造成单相铁素体化，因此焊接线能量一般应控制在10 kJcm～15 kJcm，层间温度控制⟨150℃。

对钢板厚度δ=(68+3)mm的分壁塔壳体，调整面层堆焊的焊后热处理时机。采用过渡层堆焊后进行620℃±20℃×2.2+0.25h热处理后，在室温下堆焊E2594焊材，面层堆焊后不再进行热处理，依照NBT 47013.5—2015的要求进行100%PT检测，试板S-3和F-3均I级合格，力学性能、化学成分、铁素体数检测结果均满足技术要求和NBT 47014—2011，并且该堆焊层未出现晶间腐蚀倾向。

3.2 金相组织分析

E2594熔覆金属焊态下和焊后热处理后的金相组织见图2和图3。试样焊缝金相组织为铁素体+奥氏体，柱状晶。奥氏体呈沿晶、晶内针状和晶内块状分布。焊态下E2594熔覆金属铁素体较多，热处理后的E2594熔覆金属铁素体较少。

图3 热处理后E2594熔覆金属金相组织
Figure 3 Metallographic structure of E2594 cladding metal after heat treatment

4 结论

(1)采用E309LMo+E2594堆焊，焊接线能量一般控制在10 kJcm～15 kJcm，层间温度控制⟨150℃，焊态情况下化学成分、铁素体数、弯曲性能均能满足技术条件；

(2)Q345R+S32750复合钢板环缝补堆焊，若耐蚀层经620℃±20℃×2.2+0.25h整体热处理，堆焊面层的焊缝金属会析出σ相等，造成接头耐腐蚀性能及塑韧性的大幅降低。