双相不锈钢换热管与管板焊接工艺

　　摘要：换热管与管板选用双相不锈钢材质，双相不锈钢有其特殊的焊接性能，在焊接过程中会遇到相比例、相析出、475℃脆化和氢致裂纹等问题。本文采用自动钨极氩弧焊，选用国外生产的ER2209焊丝，制定合理的工艺参数，控制层间温度，可以得到满足标准要求的焊接接头。

　　关键词：双相不锈钢；相比例；热输入；焊接工艺

　　1 概况

　　双相不锈钢是指铁素体和奥氏体组织（体积分数）各约占50%，一般较少相的含量最少也需要达到30%的不锈钢，相比较其他普通不锈钢，具有屈服强度高，抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性能强等特点，并且具有良好的焊接性能，因此在石油化工设备、海水和废水处理装置及输油输气管线中得到广泛应用。我公司制作的两台PTA精对苯二甲酸项目用结晶器排气洗涤塔冷却器，管程介质主要为PT酸、醋酸、苯甲酸、惰性气等，管板选用S31603Ⅲ+SA-240-S32205复合板材料，换热管选用SA-789-S32205材料，连接接头型式如图1所示。

　　在管壳式换热器中，换热管与管板连接接头在结构上属于几何形状突变部位，加上焊接或胀接的连接方式，换热管与管板材料的选择等因素，连接部位会存在较大的残余应力，在换热器使用过程中，由于受到壳程流体的诱导振动和在腐蚀性的作用下，会产生应力腐蚀开裂，缝隙腐蚀和振动疲劳破坏，是换热器失效的薄弱部位，因此保证换热管与管板连接接头的质量尤为重要。

　　2 焊接性分析

　　我公司制作的这两台换热器，换热管与管板焊接接头部位为S32205同种材料，S32205材料化学成分。

　　由化学成分可知，S32205双相不锈钢碳含量较低，除了主要的Cr、Ni、Mo元素外，还有较高的氮含量，氮是强烈的奥氏体形成元素，加入到双相不锈钢中，可以抑制碳化物的析出和延缓σ相的形成。双相不锈钢材料焊接时通常会遇到以下几个问题：

　　2.1 相比例的控制

　　双相不锈钢相比例与其耐腐蚀能力密切相关，因此，要保证双相不锈钢的焊接接头具有与母材相同的耐腐蚀性能，必须使焊接接头中保持适当的奥氏体和铁素体组织。

　　根据双相不锈钢的凝固过程可知，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为奥氏体，形成铁素体加奥氏体双相组织。

　　而焊接是一个不均匀快速加热与冷却的不平衡过程，当焊缝进行从单相铁素体凝固结晶时，随着冷却速度的快慢其两相比例不同，当冷却速度快时，铁素体相转变奥氏体相的数量较少，使铁素体相数量较多而奥氏体相较少；当冷却速度慢时，铁素体相转变为奥氏体相的数量较多，使铁素体相数量较少而奥氏体相较多。

　　焊接热输入决定了焊接过程的热循环，控制双相不锈钢相比例应采用合理的焊接热输入。

　　2.2 析出相的控制

　　双相不锈钢焊接时，焊缝及热影响区有可能会出现氮化物、二次奥氏体及金属间脆化相的析出，降低焊接接头的耐蚀性和韧性。

　　氮化物主要以Cr2N、CrN相析出，其析出是因为在高温时，氮在铁素体中溶解度较高，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。若焊缝金属有合适的相比例，则氮化物的析出量很少。

　　二次奥氏体的析出主要出现在多层焊时，这是因为当前一道焊道焊接时，若热输入较低，铁素体向奥氏体转变极不充分，而当后续焊道又采用较高的热输入时，部分铁素体就会转变为细小分散的二次奥氏体，它的Cr、Mo、N含量都比一次奥氏体低，尤其是N含量很少。

　　减少氮化物和二次奥氏体相析出的措施主要有两个方面，一是提高填充金属的奥氏体形成元素的含量，如N、Ni等元素，增加焊缝金属中奥氏体数量，以控制焊缝金属的铁素体数量。二是避免采用过低的热输入量，尤其是根部焊道，以防止因冷却速度过快而生成纯铁素体晶粒。

　　但是，当焊接热输入量过大时，冷却速度就会变慢，这样虽然有利于奥氏体的转变，使奥氏体和铁素体的相比例控制合理，但也会造成金属间脆化相的析出。因此，为避免双相不锈钢有害相的析出，应采用合理的焊接热输入。

　　2.3 475℃脆性及氢致裂纹

　　双相不锈钢中含有高达50%的铁素体，同样存在475℃脆性，但不如铁素体不锈钢那样敏感，双相钢中的铁素体在300~525℃之间长期保温会析出高铬σ相，在475℃最敏感，使双相钢发生脆化，由于σ相析出时间较长，故一般对焊接影响不大。另外，双相不锈钢的扩散氢含量不及奥氏体不锈钢，因此焊材中或周围环境中氢的含量较高时，则会在焊接双相不锈钢时出现氢致裂纹。

　　防止475℃脆性及氢致裂纹的出现主要通过控制层间温度，选择低氢的焊接方法和低氢的焊接材料，并注意焊前焊接区域的清理工作。

　　3 焊接工艺制定

　　3.1 焊接方法和焊材选择

　　为保证焊接质量和焊接效率，该产品换热管与管板焊接采用自动钨极氩弧焊，焊接材料选择瑞典Sandvik公司生产的22.8.3L（AWSA5.9ER2209）实心焊丝，焊材的化学成分。正面采用99.99%Ar气体保护，背面采用98%Ar+2%N2气体保护，保护气体中加入N2主要有两方面作用，一是N元素在焊缝凝固过程中有助于奥氏体的转变从而控制两相平衡，二是焊接过程中补充N元素的烧损，提高焊缝区域抗腐蚀性能。

　　3.2 焊前清理

　　管板管孔坡口采用机械加工而成，焊前管板坡口及换热管管端采用不锈钢焊丝进行清理，并采用丙酮或无水酒精清洗，除去表面的氧化物、油等杂质成分。

　　3.3 焊接工艺参数

　　根据双相不锈钢的焊接特性，为保证焊缝区域抗腐蚀性能，焊接过程中要严格控制热输入和层间温度。确定的焊接工艺参数。

　　4 焊接工艺评定试验

　　按照GB151附录B和设计技术要求，根据以上的焊接工艺，选用厚度为20mm的S32205板材和直径为Φ25.4mm×2mm的S32205管材进行了焊接工艺评定试验，接头型式，试样经渗透检测、金相检验（宏观）、铁素体测定、角接接头H值等试验项目，试验结果。

　　通过试验结果可以看到，渗透检测合格，宏观金相检验也没有发现气孔、夹渣、裂纹等缺陷，根据GB151附录B的要求，对接头8个观察面进行检查，角接接头的H值均大于管壁厚度的1.4倍。另外用铁素体测量仪发现，焊缝和热影响区组织中奥氏体与铁素体的组织比较接近，且均匀分布，焊缝及热影响区得到较好的奥氏体和铁素体双相组织。试验结果符合标准要求，证明所选用的焊接材料、制定的焊接工艺是正确合理的。

　　5 结束语

　　（1）双相不锈钢钢焊接时应控制接头中铁素体和奥氏体的相比例，防止有害相的析出，避免产生475℃脆性和氢致裂纹。

　　（2）采用自动钨极氩弧焊，选用瑞典Sandvik公司生产的22.8.3L实心焊丝，控制焊接热输入和层间温度，可以得到满足标准要求的焊接接头。

　　（3）根据焊接工艺评定确定的工艺规范，应用于两台双相钢冷却器管头的焊接，经过耐压试验和气密性试验，各项技术指标均合格，目前设备运行正常。

　　文/朱云贵，赵瑞辉