朱莎莎 張繼亮 張 力 朱 虹 孫亞杰

(二重(鎮(zhèn)江)重型裝備有限責(zé)任公司，江蘇212000)

近年來(lái)，隨著雙相不銹鋼復(fù)合鋼板制造工藝的日漸成熟，憑借其良好的綜合性能，廣泛應(yīng)用于化工、海上及海岸設(shè)施、油田設(shè)備、造船以及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域[1]。但由于碳鋼與雙相不銹鋼在物理性能、化學(xué)成分、組織和焊接性能方面存在較大差異，出現(xiàn)雙相不銹鋼復(fù)層合金元素稀釋和增碳、碳鋼基層硬化和脆化等問(wèn)題，在焊接應(yīng)力及其它因素的共同作用下容易產(chǎn)生裂紋，影響容器產(chǎn)品的質(zhì)量及使用安全性。

公司承制的某項(xiàng)目的分壁塔采用雙相不銹鋼復(fù)合鋼板，其材質(zhì)為Q345R+S32750，為保證分壁塔的堆焊焊接質(zhì)量，在產(chǎn)品制造前期按照產(chǎn)品技術(shù)要求和NBT 47014—2011《承壓設(shè)備用焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展了堆焊工藝試驗(yàn)。

1 產(chǎn)品介紹

分壁塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，材質(zhì)為Q345R+S32750，殼體厚度不一致，包括(16+3)mm、(20+3)mm、(24+3)mm等厚度，其中最厚的筒體壁厚為(68+3)mm，處于上封頭鄰近處。

按照GB 150.4—2011《壓力容器 第4部分：制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收》要求，當(dāng)Q345R大于32 mm時(shí)需焊后熱處理，本產(chǎn)品中技術(shù)條件也明確要求對(duì)于基層厚度達(dá)68 mm殼體必須進(jìn)行焊后熱處理，故此整臺(tái)產(chǎn)品除壁厚為(68+3)mm的筒體段需焊后熱處理外，其它均為焊態(tài)。根據(jù)NBT 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》中的焊后熱處理推薦規(guī)范，確定了合適的焊后熱處理工藝：620℃±20℃×2.2+0.25h。

考慮到雙相不銹鋼焊后經(jīng)400℃以上熱處理后容易引起σ相脆化，故對(duì)該產(chǎn)品不同厚度部位的焊縫補(bǔ)堆、接管內(nèi)壁堆焊需采取的工藝及最適合的狀態(tài)開(kāi)展焊接工藝研究。

2 焊接工藝試驗(yàn)

2.1 基本要求

依照產(chǎn)品技術(shù)條件，焊縫補(bǔ)堆厚度和接管內(nèi)壁堆焊厚度不得小于5 mm，面層厚度不得小于3 mm，堆焊采用雙層堆焊，過(guò)渡層堆焊E309LMo，面層堆焊E2594，所有S32750復(fù)層焊接接頭以及堆焊層(包括過(guò)渡層和面層)需按NBT 47013.5—2015的要求進(jìn)行100%PT檢測(cè)，I級(jí)合格。面層及面層以下3 mm范圍內(nèi)化學(xué)成分要求相同，見(jiàn)表1。堆焊面層鐵素體含量控制在40%～60%。

表1 E2594面層及面層以下3 mm范圍內(nèi)的化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements for E2594 surface layer and that within 3 mm below surface layer (mass fraction,%)

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding process parameters

表3 焊接工藝評(píng)定試板的鐵素體數(shù)檢測(cè)結(jié)果Table 3 Ferrite number of test plates for welding process evaluation

在焊縫補(bǔ)堆以及接管內(nèi)壁堆焊過(guò)程中，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別采用了焊條電弧焊(SMAW)和藥芯焊絲氣體保護(hù)焊(FCAW)進(jìn)行堆焊，其焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)條件，為了滿足產(chǎn)品焊接要求，進(jìn)行了6塊試板焊接試驗(yàn)，以便研究焊后熱處理對(duì)堆焊面層的影響。

2.2 試驗(yàn)情況

2.2.1 堆焊層面層鐵素體測(cè)量

2.2.2 焊縫化學(xué)成分

采用光電直讀光譜儀、氧氮?dú)浞治鰞x分析了堆焊層表面及表面以下3 mm處焊縫的化學(xué)成分，見(jiàn)表4。

2.2.3 彎曲試驗(yàn)

2.2.4 晶間腐蝕

表6 堆焊層晶間腐蝕結(jié)果Table 6 Intergranular corrosion results of surfacing layer

3 試驗(yàn)分析

3.1 彎曲試驗(yàn)裂紋及晶間腐蝕不合格分析

從表5和表6中可見(jiàn)S-1、S-3、F-1、F-3試板彎曲試驗(yàn)和晶間腐蝕試驗(yàn)均一次性合格，經(jīng)620℃±20℃×2.2+0.25h整體焊后熱處理后，S-2和F-2試板的彎曲試驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)了堆焊層有大于1.5 mm的開(kāi)口缺陷，該試板同時(shí)也發(fā)現(xiàn)有晶間腐蝕傾向。

S32750雙相不銹鋼屬于Cr25型雙相不銹鋼，選擇了E2594型焊材。Cr25型雙相不銹鋼由于其添加了Cu元素，在600～1000℃范圍內(nèi)加熱，焊接熱影響區(qū)及焊縫金屬易析出σ相、碳化物、氮化物(Cr23C6、Cr2N、CrN)[2]等，造成接頭耐腐蝕性能及塑性的大幅降低。不銹鋼在450～850℃范圍內(nèi)加熱，可產(chǎn)生晶間腐蝕傾向[3]。本次焊接試驗(yàn)中，E2594面層經(jīng)620℃±20℃×2.2+0.25h熱處理后，S-2和F-2試板鐵素體數(shù)量急劇下降，處于脆化和晶間腐蝕區(qū)間，出現(xiàn)了超標(biāo)裂紋，導(dǎo)致彎曲性能不合格并且堆焊層也出現(xiàn)晶間腐蝕傾向。另外當(dāng)冷卻速度過(guò)快時(shí)，會(huì)一直有δ→γ轉(zhuǎn)變，造成單相鐵素體化，因此焊接線能量一般應(yīng)控制在10 kJcm～15 kJcm，層間溫度控制?150℃。

對(duì)鋼板厚度δ=(68+3)mm的分壁塔殼體，調(diào)整面層堆焊的焊后熱處理時(shí)機(jī)。采用過(guò)渡層堆焊后進(jìn)行620℃±20℃×2.2+0.25h熱處理后，在室溫下堆焊E2594焊材，面層堆焊后不再進(jìn)行熱處理，依照NBT 47013.5—2015的要求進(jìn)行100%PT檢測(cè)，試板S-3和F-3均I級(jí)合格，力學(xué)性能、化學(xué)成分、鐵素體數(shù)檢測(cè)結(jié)果均滿足技術(shù)要求和NBT 47014—2011，并且該堆焊層未出現(xiàn)晶間腐蝕傾向。

3.2 金相組織分析

E2594熔覆金屬焊態(tài)下和焊后熱處理后的金相組織見(jiàn)圖2和圖3。試樣焊縫金相組織為鐵素體+奧氏體，柱狀晶。奧氏體呈沿晶、晶內(nèi)針狀和晶內(nèi)塊狀分布。焊態(tài)下E2594熔覆金屬鐵素體較多，熱處理后的E2594熔覆金屬鐵素體較少。

圖3 熱處理后E2594熔覆金屬金相組織
Figure 3 Metallographic structure of E2594 cladding metal after heat treatment

4 結(jié)論

(1)采用E309LMo+E2594堆焊，焊接線能量一般控制在10 kJcm～15 kJcm，層間溫度控制?150℃，焊態(tài)情況下化學(xué)成分、鐵素體數(shù)、彎曲性能均能滿足技術(shù)條件；

(2)Q345R+S32750復(fù)合鋼板環(huán)縫補(bǔ)堆焊，若耐蝕層經(jīng)620℃±20℃×2.2+0.25h整體熱處理，堆焊面層的焊縫金屬會(huì)析出σ相等，造成接頭耐腐蝕性能及塑韌性的大幅降低。