程顯平，楊建，陳哲，張劍利

海洋石油工程（青島）有限公司 山東青島 266520

1 序言

在海洋石油工程（青島）有限公司承建的某大型浮式儲油輪（FPSO）項目中，由于服役工況需要，故在設(shè)計中使用了大量的超級雙相不銹鋼。為控制焊接接頭的相比例成分，保證焊接接頭的耐蝕性，根據(jù)項目要求，超級雙相不銹鋼焊接應(yīng)使用Ar與N2的混合氣體（98%Ar+2%N2），并且除了常規(guī)的力學(xué)性能試驗外，還需要進行相比例和點蝕試驗，相比例和點蝕試驗要求相對較高。

2 材料分析

雙相不銹鋼主要是指鐵素體和奧氏體雙相不銹鋼，本文研究的焊接工藝也是針對此類雙相不銹鋼。鐵素體和奧氏體雙相不銹鋼是由鐵素體（體積分數(shù)占40%～60%）和奧氏體（體積分數(shù)占60%～40%）組成的雙相不銹鋼。它兼?zhèn)淞藠W氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的優(yōu)點，具有強度高、耐腐蝕性好和易于焊接的特點[1]。

本文研究的超級雙相不銹鋼為ASTM A790標(biāo)準(zhǔn)下的UNS 32750系列，也是雙相不銹鋼的一種，主要區(qū)別也在于超級雙相不銹鋼的Cr、Ni和Mo三種元素含量高于普通雙相不銹鋼，因此其力學(xué)性能和耐蝕性均得到進一步提升。

在開展焊接工藝研究前，應(yīng)先對該材料化學(xué)成分和力學(xué)性能進行分析，材料廠家測試的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1、表2。

表1 超級雙相不銹鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 超級雙相不銹鋼力學(xué)性能 （MPa）

3 工藝開發(fā)

3.1 焊接性分析

由于雙相組織的存在，超級雙相不銹鋼具有較好的焊接性，但是超級雙相不銹鋼在相比例和腐蝕性能方面要求極為嚴(yán)格，因為焊接熱輸入、層間溫度、氣體成分等均會對組織和成分形成影響，所以需要對焊接工藝進行特定的控制，以取得合適的雙相組織并控制雜質(zhì)相的生成。

3.2 焊接工藝

根據(jù)超級雙相不銹鋼的焊接性特點，在焊接工藝設(shè)計過程中應(yīng)重點控制焊接接頭的成分和組織，主要從焊接方法、焊接材料、溫度和熱輸入幾個方面進行重點控制。

（1）焊接方法 通過對超級雙相不銹鋼材料焊接性的分析可得出，超級雙相不銹鋼的焊接接頭性能極其復(fù)雜，且為了滿足相應(yīng)的性能要求，焊接接頭需要達到較高的質(zhì)量和綜合性能。綜上分析，應(yīng)選用鎢極氬弧焊焊接方法，因為鎢極氬弧焊在焊接熱輸入和焊縫質(zhì)量控制方面更容易達到較高的水平。

（2）焊材的選擇 對于雙相不銹鋼用的焊材，依據(jù)成分匹配原則，盡可能使焊縫中的主要合金元素（如Cr）與母材接近，同時提高Ni含量并添加適量的Mo，合理控制焊縫中鐵素體和奧氏體的相比例，確保接頭獲得滿意的力學(xué)性能和耐蝕性。

本項目選用的焊絲為AWS A5.9 ER2594等級，具體化學(xué)成分和力學(xué)性能見表3、表4。選擇焊材的Cr、Ni和Mo含量應(yīng)與母材相近或略高于母材，確保焊接接頭的整體成分不低于母材的含量，從而保證相應(yīng)的力學(xué)性能和耐蝕性。

表3 焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表4 焊絲力學(xué)性能

（3）工藝參數(shù) 由于超級雙相不銹鋼材料對焊接熱輸入極其敏感，所以在焊接參數(shù)使用方面需要嚴(yán)格控制。鎢極氬弧焊的焊接參數(shù)見表5。

表5 鎢極氬弧焊的焊接參數(shù)

除此之外，對于打底焊縫和第一道填充焊縫的焊接熱輸入需要單獨控制，打底焊縫熱輸入≤1.45kJ/mm，其他焊道焊接熱輸入≤1.5kJ/mm。

在控制以上焊接參數(shù)的基礎(chǔ)上，還需要對以下焊接工藝措施進行控制。

1）焊接開始前，應(yīng)對坡口區(qū)兩側(cè)各25mm進行打磨，去除油污、銹跡和氧化物等雜質(zhì)。這些雜質(zhì)進入到焊縫金屬后容易與Ni和Mo元素形成化合物，形成微觀缺陷并降低有益合金元素的含量。

2）雙相不銹鋼和超級雙相不銹鋼焊接區(qū)域應(yīng)與碳素鋼、銅鎳材料進行隔離，避免Fe和Cu元素的污染，同時應(yīng)使用不銹鋼砂輪片進行打磨。

3）超級雙相不銹鋼層間溫度，最高控制在100℃以內(nèi)。

4）焊接過程中應(yīng)使用背保護氣體，基于雙相不銹鋼極易受到氧化的風(fēng)險，為確保根部焊縫的成分和組織，將氧含量的要求設(shè)定為低于500ppm（1ppm=1×10-6）。

4 工藝性能

焊接工藝評定試驗件需要做外觀檢測、磁粉檢測、射線檢測和力學(xué)性能試驗。

4.1 焊后檢測

焊后48h進行外觀檢測、滲透檢測和射線檢測，結(jié)果均符合鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范ASME IX的相關(guān)要求。

4.2 理化試驗

根據(jù)ASME IX標(biāo)準(zhǔn)及項目合同要求進行各項性能試驗，包括：縮減斷面拉伸試驗、側(cè)彎試驗、夏比V型缺口沖擊試驗、宏觀腐蝕試驗、硬度試驗、相比例試驗和點蝕試驗。力學(xué)性能試驗結(jié)果見表6，抗拉強度結(jié)果均大于母材規(guī)定的最小抗拉強度（800MPa），彎曲后試樣凸面均無任何缺陷，經(jīng)評定3個試件的焊縫力學(xué)性能均為合格。

表6 試件焊接接頭的力學(xué)性能

焊接接頭相比例測試位置如圖1所示，鐵素體含量測試結(jié)果見表7，微觀組織如圖2～圖4所示。

圖1 焊接接頭相比例測試位置

綜上可知，試驗結(jié)果滿足項目中鐵素體含量（體積分數(shù)）35%～55%的要求。

表7 焊接接頭鐵素體含量

點蝕試驗在40℃下連續(xù)腐蝕48h，試驗結(jié)果均＜1g/m2，滿足項目中不超過4g/m2的要求。

以上試驗結(jié)果表明，本次焊接工藝評定試驗獲得了成功，按照此焊接工藝執(zhí)行可以焊接出滿足各項性能要求的焊接接頭。

圖2 母材微觀組織

圖3 熱影響區(qū)微觀組織

圖4 焊縫金屬微觀組織

5 結(jié)束語

1）使用含有N2的混合氣體焊接超級雙向不銹鋼，鐵素體含量（體積分數(shù)）能有效地控制為35%～55%，且焊接接頭的耐點蝕能力良好。

2）超級雙相不銹鋼對熱輸入和層間溫度敏感性較高，控制打底焊縫熱輸入≤1.45kJ/mm，其他道次在焊接熱輸入≤1.5kJ/mm且層間溫度不超過100℃的情況下，焊接接頭的質(zhì)量、耐腐蝕性能均良好。