徐玉強，趙翠華，馬洪偉，劉伯勝，王培永

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

0 前言

奧氏體不銹鋼最早于20世紀初由德國材料研究人員首先開發(fā)出來，之后隨著人類對抵抗日益惡劣腐蝕環(huán)境材料的需求，新的抗腐蝕鋼種不斷涌現(xiàn)。超級奧氏體不銹鋼就是在這種情況下出現(xiàn)的，這類不銹鋼中的Cr、Mo、N含量顯著高于常規(guī)奧氏體不銹鋼，其中比較著名的是含6%Mo的鋼，通常稱為6Mo鋼。6Mo鋼的化學成分中均含有w（Cr）=20%、w（Mo）=6.0%和w（N）=0.20%，其PRE（Pitting Resis tance Equivalent，PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%）值一般大于40。這類不銹鋼的共同特點就是它們都具有非常優(yōu)良的抗點蝕能力，廣泛應用于海水等富含鹵離子的工業(yè)處理設備中。

S31254是6Mo鋼家族中常用的一種，其他還包括S31726、N08904、N08926、S31266等。即使是高合金的不銹鋼，在含有鹵離子如氯化物和溴化物等的溶液環(huán)境中，其適用性也極為有限。在這些環(huán)境下，通常必須使用鎳基合金或鈦等昂貴的材料，而S31254的出現(xiàn)提供一種相對低廉的選擇。由于這類鋼具有較高的氮含量，其機械強度比其他種類的奧氏體不銹鋼高。254SMo是瑞典Avesta和Sandvik公司的注冊商標，同時也是工業(yè)界最為廣泛應用的S31254鋼種。

在中海油與美國康菲石油公司合作開發(fā)的蓬萊19-3油田工程項目中，設計方Fluor Daniel公司選擇了254SMo作為海上平臺注水系統(tǒng)的管線材料。為使焊縫接頭滿足力學性能和抗腐蝕性能要求，進行了大量焊接試驗，最終掌握了254SMo鋼的焊接工藝。

1 試驗方法

為驗證焊接工藝的適用性，選用φ60.3 mm×5.54 mm（試驗管1）和φ168.3 mm×11 mm（試驗管2）兩種規(guī)格的254SMo鋼管各焊接一個試件，并在焊后進行力學和腐蝕性試驗。

1.1 焊材選擇

254SMo鋼可采用鎢極氬弧焊、手工電弧焊和埋弧焊等多種焊接方法焊接，但最為常用的仍然是鎢極氬弧焊，即根據工程實際選用了鎢極氬弧焊。

當使用化學成分匹配的焊接材料焊接254SMo鋼時，易出現(xiàn)兩大弱點：第一，由于焊接熱過程的影響，使熔合區(qū)的奧氏體組織中合金元素嚴重偏析，特別是直接影響焊縫接頭抗腐蝕性能的Cr、Mo和N元素將向枝晶晶間聚集，而晶核內的合金含量劇減，使這些區(qū)域成為抵抗腐蝕的薄弱環(huán)節(jié)。第二，由于熔池在奧氏體區(qū)域結晶，使焊縫區(qū)域和HAZ區(qū)有較大的熱裂紋傾向?；谝陨蟽牲c，254SMo鋼的焊接通常不推薦選用化學成分與母材相匹配的焊接材料。由于元素Mo能夠顯著提高抗腐蝕性能，同時又能降低熱裂傾向，通常情況下應選用富Mo的Ni基合金焊材，其中比較常用的是ERNiCrMo-3。

選用某焊材廠生產的TGS-61（型號ERNiCrMo-3）實芯氬弧焊絲。焊絲的化學成分如表1所示。正面和背面保護氣體全部采用純度大于等于99.99%的Ar氣。

1.2 母材

試驗管材為瑞典Sandvik公司生產的254SMo鋼管，交貨狀態(tài)為固溶處理，母材的化學成分和力學性能分別見表2和表3。

表1 ERNiCr Mo-3焊絲的化學成分

表2 254SMo鋼的化學成分

表3 254SMo鋼的力學性能

1.3 坡口設計

坡口型式見圖1，開60°坡口，留1～1.5 mm鈍邊。

圖1 坡口型式

1.4 焊前準備

坡口通過機加工方式獲得。焊前，管內外側距離坡口面50 mm以內區(qū)域務必清理干凈，確保無油污、銹蝕或其他雜物存在（用丙酮清洗油污）。超級奧氏體不銹鋼和常規(guī)奧氏體不銹鋼一樣，焊前無需預熱。

1.5 工藝參數

為保證焊縫區(qū)域的抗腐蝕性能，同時防止產生熱裂紋，焊接過程中要嚴格控制熱輸入和層間溫度。熱輸入量控制在2.0 kJ/mm以下，層間溫度控制在150℃以下。焊接工藝參數見表4。

表4 工藝參數

2 試驗結果

2.1 力學試驗

力學性能試驗結果見表5。力學性能試驗全部合格，焊縫接頭強度和韌性滿足要求。

表5 焊接接頭力學性能試驗結果

2.2 金相分析

對以上試樣進行微觀金相分析，結論見表6，微觀金相組織照片如圖2所示。結果顯示，整個焊縫接頭區(qū)域基本為奧氏體組織，與母材微觀組織保持一致。

2.3 腐蝕試驗

按照ASTM G48試驗方法C進行點蝕試驗，測試失重、點蝕密度和最大蝕坑深度。采用25 mm×50 mm的標準試樣，焊縫位于長度方向的中間部位，通過機加工獲得，經過研磨及拋光處理使表面達到一致光潔度。共分三組，每組厚薄試樣各一個。將試樣放入配制好的FeCl3溶液中，40℃恒溫保持72 h，取出后清理、清洗、吹干和干燥，進行稱重和顯微鏡、電鏡觀察，試驗結果見表7。

表6 微觀金相分析結果

圖2 金相組織

對試樣表面進行觀察，得出結果如下。在連續(xù)變倍顯微鏡下腐蝕前后的宏觀照片見圖3和圖4，在PHILIPSXL-3 ESEM環(huán)境掃描電子顯微鏡下蝕坑形貌如圖5所示。

圖3 腐蝕前試樣宏觀圖片（20×）

表7 腐蝕試驗試驗結果

圖4 腐蝕后試樣宏觀圖片（20×）

圖5 在掃描電子顯微鏡下蝕坑形貌（500×）

根據設計要求，試樣腐蝕后，要求肉眼觀察表面無可見蝕坑，最大點蝕深度不超過0.025 mm，失重不超過0.000 1 g/cm2。通過腐蝕前后試樣圖片對比，可以看出，試樣表面光滑，肉眼觀察無可見蝕坑，在連續(xù)變倍體式顯微鏡（20×）下觀察蝕坑分散度極大，并且經探測最大深度均不超過0.025 mm，失重低于0.000 1 g/cm2，各項指標均滿足設計要求。由此得出結論，以上焊縫接頭在40℃富氯離子的環(huán)境下抗點蝕性能良好。

3 結論

通過多次焊接試驗，獲得了254SMo鋼的焊接工藝參數，掌握了該類鋼的焊接技術，解決了生產中的技術難題。使用富含Mo的Ni基ERNiCrMo-3氬弧焊絲作為S254Mo的焊接材料，合理控制熱輸入量和層間溫度（熱輸入量控制在2.0kJ/mm以下，層間溫度控制在150℃以下），采用Ar氣對焊接區(qū)域進行嚴格保護的前提下，克服了使用化學成分匹配焊接材料時易發(fā)生的合金元素偏析和焊接熱裂傾向的不足，得到了力學性能和抗腐蝕性都能滿足要求的焊縫接頭。

超級奧氏體不銹鋼254SMo以其優(yōu)良的性能和相對低廉的價格，必將在海洋石油工業(yè)中得到越來越廣泛的應用。