柴祥東

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州510630)

1 異種鋼焊接的問題

碳鋼或低合金鋼與18-8不銹鋼的焊接，可以選擇純鐵或奧氏體不銹鋼作為填充金屬。純鐵焊縫性能不穩(wěn)定，因此更多使用的是奧氏體焊縫。這種焊接需要考慮如下問題：

1) 稀釋問題：含合金很低的碳鋼或低合金鋼母材熔入焊縫或堆焊層，焊縫或堆焊層合金元素鉻(Cr)、鎳(Ni)及鉬(Mo)等含量降低，金相組織出現(xiàn)過量鐵素體或馬氏體，防腐性能和力學性能變差，或在焊接時產生開裂等。

解決稀釋的辦法有：

a) 減小焊接或堆焊熔合比，降低母材熔入焊縫或堆焊層的比例。

b) 采用合金含量較高的金屬作為過渡層，如圖1所示。如果能避免熱裂紋的產生，也可直接采用較高合金含量的材料進行焊接。

圖1 過渡層示意

2) 半混合區(qū)問題：鄰近熔合線的一個窄小的焊縫區(qū)域，母材和熔敷金屬混合不徹底，Cr、Ni等合金元素含量由接近碳鋼或低合金鋼逐漸變化至焊縫金屬，如圖2所示。

雖然焊縫或堆焊層的稀釋可以通過各種措施得到控制，但半混合區(qū)化學成分變化范圍大，仍可能產生各種金相組織。半混合區(qū)厚度取決于焊接方法、焊接參數(shù)等。

圖2 焊縫和半混合區(qū)的Cr、Ni含量

3) 碳遷移問題：碳鋼或低合金鋼母材合金含量很低，而焊縫或堆焊層富含Cr、Mo等強碳化物形成元素。溫度較高時，造成熔合線附近母材側的碳向焊縫或堆焊層一側遷移，導致熔合線附近母材側出現(xiàn)脫碳層，焊縫或堆焊層側出現(xiàn)增碳層。這種結構造成熔合線兩側力學性能差異大，缺陷多，圖3為異種鋼接頭熔合線兩側的硬度。脫碳層強度和硬度低，增碳層強度和硬度高，極脆，有大量碳化物在晶界堆積。該區(qū)域成為異種鋼接頭的最薄弱部位。

焊縫中促進石墨化的元素(如Ni)能抑制碳遷移，穩(wěn)定碳化物的元素則促進碳遷移。而母材中促進石墨化的元素能促進碳遷移，穩(wěn)定碳化物的元素則抑制碳遷移。

圖3 堆焊層硬度

2 異種鋼焊接選材和控制原則

控制焊縫的稀釋，舍弗勒圖是有用的工具，圖4 是改進的舍弗勒圖【1】。根據(jù)熔敷金屬和母材的化學成分以及熔合比，計算焊縫金屬的化學成分，確定其Cr當量和Ni當量，再利用舍弗勒圖估計焊縫的金相組織，作為焊縫成分設計的依據(jù)。通常希望奧氏體焊縫中保留3%～10%的鐵素體。這些鐵素體對S、P、Si等雜質元素的容納能力強，降低產生焊接熱裂紋的傾向，還能提高焊縫抗晶間腐蝕和應力腐蝕的能力。一般選擇S309L(23Cr-13Ni)系列作為熔敷金屬，可以得到奧氏體加鐵素體焊縫(如圖C點)。

圖4 焊縫組織

半混合區(qū)是異種鋼焊接中必然存在的區(qū)域，而該區(qū)中必然有一部分，在化學成分上與馬氏體組織相對應。圖4中a點對應于2.25Cr-1Mo的化學成分，b點對應于S309L熔敷金屬的化學成分，c點對應于焊縫金屬的化學成分，ac段則對應于半混合區(qū)的化學成分?？梢娖浣鹣嘟M織跨越馬氏體、馬氏體加奧氏體和奧氏體加鐵素體幾個區(qū)域。提高焊縫合金含量，能減小半混合區(qū)厚度，減小馬氏體組織區(qū)的尺寸。承載的異種鋼接頭中，半混合區(qū)的馬氏體轉變是必須控制的。經驗說明，選擇S309L系列作為熔敷金屬，焊縫金屬Ni可到10%以上，半混合區(qū)的馬氏體區(qū)較小，使用中可以接受【2】。

承受載荷的焊接接頭，嚴重的碳遷移造成接頭失去承載力。通常使用溫度低于大致260 ℃時，焊接接頭在使用中碳遷移輕微，采用S309L作為過渡層或直接采用S309L焊接是可行的。這時，為了避免高溫熱處理造成的碳遷移影響接頭性能，不宜進行焊后熱處理。如果使用溫度高于大致260 ℃，焊接接頭使用中碳遷移顯著，S309L過渡層或焊縫不能阻止碳遷移，需要采用高Ni合金作為過渡層。Ni是石墨化元素，高Ni焊縫能阻止碳化物的形成，降低焊縫對碳的親和力，抑制碳遷移。如果焊縫Ni達到80%，焊接接頭可以長期在450～550 ℃下使用【2】，另外高Ni焊縫的半混合區(qū)中馬氏體轉變區(qū)域的厚度和轉變量也能得到更好地控制。

3 加氫設備材料和焊接特點

加氫反應系統(tǒng)介質主要為高溫氫，主體材料按照納爾遜曲線可選耐高溫氫侵蝕的各種Cr-Mo鋼或18-8不銹鋼【3】。同時因為介質還含有硫化氫等腐蝕成分，為了控制高溫H2+H2S腐蝕，內壁可采用高Cr鋼、Cr-Ni奧氏體不銹鋼或高Cr、Ni合金堆焊或復合【4】。綜合考慮耐腐蝕性、長期使用穩(wěn)定性、經濟性和制造可行性，設備材料一般采用1Cr-0.5Mo、1.25Cr-0.5Mo或2.25Cr-1Mo鋼內壁堆焊18-8系列奧氏體不銹鋼。為了防止停工時連多硫酸腐蝕開裂，堆焊層或復層18-8型奧氏體不銹鋼應含穩(wěn)定化元素鈦(Ti)或鈮(Nb)，堆焊材料常選用TP.347(含Nb)。當裝置原料含環(huán)烷酸時，可能需要堆焊含Mo的S316系列不銹鋼。Mo為鐵素體化元素，為保證基本的奧氏體，S316系列不銹鋼提高了Ni含量。為保證抗敏化性，堆焊材料常采用超低碳型TP.316L。但一般認為TP.316L的抗敏化性仍劣于S321和TP.347。連多硫酸腐蝕為晶間型應力腐蝕開裂，除了提高堆焊層抗敏化性能，通常對堆焊層鐵素體含量有更嚴格的要求。一般國內外都規(guī)定堆焊層鐵素體含量5%～8%。這給加氫設備異種鋼焊接帶來新的問題，提出新的要求。

1) 操作中介質的氫以原子形式滲透擴散到設備材料內，圖5是操作時器壁上含氫量的示意圖。停工時，內壁H2壓力卸掉，鋼中氫向內、外表面擴散。而氫在奧氏體堆焊層中擴散的速度較Cr-Mo鋼中慢很多(幾個數(shù)量級)，導致氫在堆焊層與基層的界面處聚集。隨著停工溫度降低，材料溶氫能力下降，使界面處氫過飽和，成為堆焊層剝離的原因。操作中材料滲氫越多，停工冷卻速度越快，材料中的氫來不及擴散逸出，界面氫含量越高，越易氫剝離。

2) 加氫設備操作溫度通常在350～450 ℃，異種鋼接頭或堆焊層在此條件下長期使用，可能發(fā)生碳遷移。加氫反應器殼體用鉻鉬(Cr-Mo)鋼含有穩(wěn)定碳化物的Cr、Mo等合金，特別是釩(V)改質Cr-Mo鋼，含有對碳化物穩(wěn)定作用很強的V，抗碳遷移的能力有所提高。但一般認為其含穩(wěn)定碳化物的合金元素量有限，不足以完全抑制碳遷移。堆焊層通常并不采用能抑制碳遷移的高Ni合金作為過渡層，實際中，堆焊層氫剝離常發(fā)生于使用一定周期后的反應器上，這可能與高溫使用加劇堆焊層碳遷移有關。

圖5 操作中器壁上H濃度分布

3) Cr-Mo鋼焊接或堆焊后，必須進行焊后熱處理，否則熱影響區(qū)硬度達到HB450以上，容易出現(xiàn)焊接缺陷。焊后熱處理溫度達到600～750 ℃，嚴重地促進異種鋼焊接和堆焊的碳遷移，這是加氫設備必須面對的情況。而且研究證明，在熱處理溫度下，除了碳遷移外，甚至Cr、Mo也能短距離擴散，向晶界移動。這使增碳層晶界更加弱化，加劇了氫剝離傾向。

4) 堆焊層鐵素體含量的要求，也對堆焊工藝提出更加嚴格要求。要求在大面積的堆焊中材料質量均勻穩(wěn)定，堆焊參數(shù)穩(wěn)定，熔合比穩(wěn)定，焊道搭接平緩。

4 加氫設備異種鋼焊接和堆焊

異種鋼焊接一般用于加氫高壓設備上的鉻鉬鋼接管與S321、S347或S316L管道之間的焊接。該焊接接頭為承載接頭。采用S309L過渡層或采用S309L焊接僅可以達到連接的目的，但加氫設備需要在高溫下長期操作，且接頭必須進行焊后熱處理，使得控制碳遷移成為關鍵。所以通常采用Inconel 625過渡，如圖6所示，在Cr-Mo鋼側的坡口先堆焊一層Inconel 625，再用合適的18-8系列不銹鋼進行焊接。經驗說明，Inconel 625的Ni含量在65%左右，用于Cr-Mo鋼坡口焊接的過渡，可以保證接頭在設計溫度(450 ℃)下長期使用，而且可以承受焊后熱處理。一般不宜采用Inconel 625直接進行焊接，因為大截面地焊接Inconel 625，偏析嚴重，很容易產生熱裂紋。Inconel 625為高Ni-Cr-Mo合金，除了抑制碳遷移外，還能耐各種腐蝕。這是采用S309L過渡所不能達到的。

圖6 管道與設備焊接

采用S309L過渡的焊縫，只能使用在溫度不高于260 ℃的環(huán)境，且設備制造中不進行焊后熱處理，這在加氫設備中是極少的。

加氫設備堆焊層不承受載荷，通常采用單層方案或雙層方案進行堆焊。單層堆焊是在Cr-Mo鋼上直接堆焊耐蝕層TP.347或TP.316L。雙層堆焊是在Cr-Mo鋼上先堆焊TP.309L作為過渡，再堆耐蝕復層TP.347或TP.316L。加氫反應器和換熱器通常采用高熔敷效率的帶極堆焊，雙層堆焊的每一層及單層堆焊均采用一道堆焊形成。

單層堆焊工作量少，成本低，但稀釋問題突出。堆焊層鐵素體含量受熔合比影響大。為了得到滿意的堆焊層，需穩(wěn)定地將熔合比控制在一個較低的水平，有時需要提高熔敷金屬的合金含量(如采用309LNb進行堆焊)，否則易造成堆焊層鐵素體含量過高。

雙層堆焊工作量較大，成本高，過渡層采用含Cr、Ni量高的TP.309L解決稀釋問題。過渡層堆焊熔合比要求寬松，容易得到合格的奧氏體過渡層，堆焊工藝參數(shù)適應性好。

雖然堆焊層不承載荷，但經歷堆焊的熱過程，界面殘余應力可能高達屈服極限。復合鋼板只存在平行于界面的應力，而堆焊層與母材的界面可能還存在垂直于界面的應力，焊后熱處理無法完全消除這種應力。另外，在使用中，開工、停工及操作的溫度波動無法避免，由于堆焊層與母材之間的熱膨脹和收縮不一致，也能造成界面應力。這些界面應力和設備冷卻時聚集在界面處的H共同作用下，常常導致堆焊層剝離。即在一些部位出現(xiàn)堆焊層和基層沿界面開裂脫離。堆焊層和基層材質的熱膨脹差越大，界面應力越大，越容易剝離。

對堆焊層氫剝離機理的認識，學術界可能還未完全達成一致。一般認為界面應力、界面氫聚集和碳遷移與堆焊層剝離有密切關系。研究表明【5】：氫剝離常發(fā)源于半混合區(qū)的增碳層粗晶區(qū)，起裂于被碳化物堆積而弱化的晶界。焊接熱輸入作用下通常使界面附近晶粒粗大，在高氫濃度、高應力作用下，晶界開裂沿粗大晶界連成一體，形成宏觀上的氫剝離。

半混合區(qū)馬氏體層的出現(xiàn)，降低焊接接頭承載能力。但在堆焊層的半混合區(qū)，一般認為馬氏體轉變有利于提高堆焊層抗氫剝離能力。原因在于半混合區(qū)和碳遷移形成的增碳層是部分重合的。該區(qū)域“馬氏體轉變打破了原有的粗大奧氏體晶?！保鸬搅思毣Я５男Ч?，使增碳層碳化物分布較為分散。國內對2.25Cr-1Mo堆焊TP.309L的一些研究也證明，堆焊層氫剝離不起源于馬氏體層也不向馬氏體層中延伸，而宏觀上位于半混合區(qū)中馬氏體和奧氏體的結合處【5】。馬氏體區(qū)的尺寸通常小于增碳層的尺寸，因此剝離處位于奧氏體粗晶區(qū)。一般認為半混合區(qū)較多的馬氏體轉變可以減小剝離傾向。

一般認為雙層堆焊抗氫剝離的性能較好，但也有例子說明單層堆焊的抗氫剝離性能并不劣于雙層堆焊。實際上有多種因素影響堆焊層的氫剝離傾向，圖7顯示了單層堆焊和雙層堆焊影響氫剝離傾向的幾個因素及其對氫剝離傾向可能產生的影響，一般采用帶極埋弧自動堆焊時，兩者都能達到設備的使用要求。

圖7 單層堆焊和雙層堆焊剝離傾向影響因素的對比

5 加氫設備帶極堆焊

帶極堆焊方法先進，效率高，適合在加氫設備上大面積使用。高壓加氫反應器和換熱器上常用帶極埋弧自動堆焊(SAW)和帶極電渣自動堆焊(ESW)。帶極埋弧自動焊和帶極電渣自動焊示意如圖8所示。

帶極埋弧自動堆焊(SAW)是上世紀70年代發(fā)展成熟的高效堆焊技術。熱輸入(線能量)高，熔敷效率高，熔深大(熔合比高，即稀釋嚴重)，熱影響區(qū)厚。與帶極電渣自動堆焊(ESW)相比，半混合區(qū)較厚，容易得到馬氏體轉變。不論在單層堆焊還是雙層堆焊上都得到廣泛應用。

帶極電渣自動堆焊(ESW)，被認為是一種更先進的堆焊方法【6】。線能量與SAW相當或稍高，但焊速和電流遠高于SAW，比SAW堆焊效率更高。表1是兩種焊接方法參數(shù)對比。因為是非電弧堆焊，ESW飛濺少，熱輸入穩(wěn)定，焊道成型良好，其推廣使用提高了堆焊效率和堆焊質量。

另一方面，ESW快速熱輸入使焊道熔深較淺(熔合比、稀釋率低)。這導致熔合線附近溫度較高，晶粒更為粗大。也造成堆焊層半混合區(qū)化學成分變化陡，熱膨脹造成的界面剪應力大。這些導致采用ESW進行單層焊或進行雙層堆焊的過渡層堆焊時，抗氫剝離性能很差，目前并不大力推薦。從機理上，ESW的半混合區(qū)窄，馬氏體轉變被抑制，可能是其較SAW抗剝離性差的另一個原因。但這一說法并未得到業(yè)內的共同認可。畢竟界面處的增碳層厚度和嚴重程度，馬氏體轉變區(qū)的尺寸和類型，晶粒度的大小，對氫剝離傾向的綜合影響是復雜的。

圖8 帶極埋弧自動焊和帶極電渣自動焊

表2是某國際知名焊材公司針對SAW和ESW在2.25Cr-1Mo及V改質3Cr-1Mo-VTiB鋼上單層堆焊TP.347和雙層堆焊TP.309L+TP.347的氫剝離實驗數(shù)據(jù)。實驗采用常規(guī)的焊接參數(shù)和標準的氫剝離實驗方法。結果發(fā)現(xiàn)V改質鋼自身優(yōu)良的抗氫剝離性能，所有試樣均未出現(xiàn)剝離。而傳統(tǒng)2.25Cr-1Mo鋼，相同條件下對比時，SAW的抗氫剝離性優(yōu)于ESW。數(shù)據(jù)雖然差別不大，但趨勢很明顯。值得一提的是，該公司最終的報告認為SAW和ESW在抗氫剝離方面并無根本差異，馬氏體轉變也不是影響堆焊層氫剝離傾向的關鍵。

表1 SAW和ESW對比

表2 氫剝離實驗結果

除了帶極堆焊，加氫設備還常用到手工堆焊等方法，一般是用在接管、法蘭和其他臺面的小面積的局部堆焊。這些堆焊一般不能僅采用一道完成所要求的堆焊厚度，都需要多道堆焊，這樣先堆焊的焊道自然起到過渡層的作用。實踐中有較好的效果。

6 結語

加氫設備承載的異種鋼焊接采用Inconel 625進行過渡，目前國內外的做法大致相同。理論上合理，操作中可行。雖然高鎳合金非常昂貴，但僅過渡層消耗材料很少，一般不會影響設備成本。對于操作溫度很低，不進行焊后熱處理的情況下，可以使用一般的S309L過渡或焊接。

堆焊層氫剝離問題一直是業(yè)內所關心的。雖然其理論有待于進一步研究，但從經驗上，目前單層堆焊采用帶極埋弧自動焊(SAW)，雙層堆焊采用帶極埋弧自動焊(SAW)加帶極電渣自動焊(ESW)依然是值得推薦的。

另一方面，帶極電渣自動焊的高效率對工廠的吸引是巨大的。進一步研究其在單層堆焊和雙層堆焊過渡層堆焊上使用也是必要的。單層堆焊省時間，成本低，值得推廣，但控制上要求較為嚴格，目前國內使用還不多。許多人認為，帶極電渣自動焊在單層堆焊上應用可能性較大，而且國內已有在不很苛刻的設備上使用的報道【7-9】。

雙層堆焊方案國內使用較多， 過渡層TP.309L一般采用SAW，復層可采用ESW或SAW。采用ESW堆焊過渡層TP.309L時， 抗氫剝離性能很差， 日本制鋼早期的淺熔深堆焊法(日本制鋼自己命名為PZ法)， 與此類似， 由于氫剝離問題嚴重而被淘汰， 其問題就出現(xiàn)在TP.309L過渡層的堆焊上。雖然其機理尚待研究， 但從使用經驗看， 采用ESW堆焊過渡層TP.309L時機并不成熟。不過理論上可以肯定， 任何焊接和堆焊方法， 只要解決好異種鋼焊接的幾個問題都是可行的。