（机械工程专业论文）22cr双相不锈钢组织性能及其焊接技术研究.pdf

中文摘要 论文题目：2 2 c r 双相不锈钢组织性能及其焊接技术研究 专业：材料加工工程 硕士生：李为卫( 签名) 。：鲞 指导教师：高惠临( 签名) j i ；堕三 冯耀荣( 签名) 3 么萑盘玺2 l 生 摘要 针对我国塔里木油田克拉2 气田集输管网的工程应用需求，本文对2 2 c r 双相不锈钢 开展了应用技术研究。在大量文献资料分析和现场调研的基础上，了解了国内外技术现 状及动态，确定了研究攻关的方向和拟解决的关键技术问题，制定了试验研究方案。 通过对2 2 c r 双相不锈钢组织特征、相比例和析出相检验方法以及断裂韧性的研究， 掌握了材料的组织和韧性特征，相比例和析出相检验方法，为制定工程技术条件奠定了 理论基础和依据。在材料焊接性研究的基础上，进行了焊接方法、焊接材料及工艺参数 的选择及工艺评定，确定了适合现场使用的焊接工艺技术。 2 2 c r 双相不锈钢在油气管道中的应用在国内属于首次，在国外如此大量使用也极为 少见。通过课题研究，针对塔里木油田克拉2 气田环境，在材料和焊接接头的组织、性 能以及现场焊接技术等方面，解决了工程应用中的关键技术问题，保证了工程的顺利进 行和工程质量，研究成果具有较高程度的实用性和创新性。 关键词：双相不锈钢组织和性能焊接研究 论文类型：应用研究 i i 英文摘要 s u b j e e t ： s p e e i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： s t u d y0 um i c r o s t r u c t u r e p r o p e r t i e sa n dw e l d i n gt e c h n i q u eo f2 2 c rd u p l e x s t a i n l e s ss t e e l m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g l iw e i w e i ( s i g n a t u n 鱼型型堑堑 g a oh u i l i n ( s i g n a t u r e ) 旦：圭：垒竺 f 。n gy a 。m n 甙。i g n 。t i i 他) 1 z 坌毫基! ；! 之釜 a b s t r a c t t l l i sp a p e rw a sc o n c e r n e dw i l ha p p l i c a t i o nt e c h n i q u eo f2 2 c rd u p l e xs t a i n l e s ss t e e lr 2 2 c r d s s ) f o rt h er e q u i r e m e n to fk e l a - 2g a sf i e l dc o n s t r u c t i o np r o j e c to fc h i n a b a s e do nt h e a n a l y s i so fe x i s t e dl i t e r a t u r ea n ds u r v e yo ff i e l dc i r c u m s t a n t i a l i t i e s ，t h ed e v e l o p m e n to f2 2 c r d s sa th o m ea n da b r o a dh a sb e e nc o m p r e h e n d , a n dt h e k e yt e c h n i c a ln e e dt os o l v ea n d e x p e r i m e n t a lm e t h o do fs t u d yh a sb e e nw o r ko u t b ys t u d y i n go nr n i e r o s t r u c u t r e ，p h a s er a t i o ，p r e c i p i t a t i o np h a s ea n dt o u g h n e s so f2 2 c r d u p l e xs t a i l l l e s ss t e e l t h ec h a r a c t e r i s t i co fm i c r o s t r u c t u r e & t o u g h n e s sa n di n s p e c t i o nm e t h o d o fp h a s er a t i o & p r e c i p i t a t i o np h a s eh a sb e e nc o m p r e h e n d t h a tp r o v i d e dt h e o r e t i cb a s i cf o r p r e p a r i n gt h ep r o j e c ts p e c i f i c a t i o n b a s i co i lt h es t u d yo fw e l d a b i l i t yo f2 2 c rd s s ，t h e s e l e c t i o no fw e l d i n gp r o c e s s ，p a r a m e t e ra n dw e l d i n gp r o c e d u r eq u a l i f i c a t i o nh a sb e e nc b i t y o u la n dw e l d i n gt e c h n i q u ep r o b l e mf o rt h ef i e l dp i p e l i n ew e l dh a sb e e ns o l v e d t h i si st h ef i r s tt i m eo f2 2 c rd u p l e xs t a i n l e s ss t e e lu s e di no i lo rn a t u r a lg a sp i p e l i n ei n c h i n a , a n dv e r yl e s sa p p l i c a t i o ns u c hl a r g e rs c a l e si na b r o a d s o m ek e yt e c h n i c a lp r o b l e mo f m i c r o s t r u e t u r e ，p r o p e r t i e sa n dp i p e l i n ew e l di nf i e l do f2 2 c rd s su s e di nk e l a - 2p r o j e c th a s b e e no v e r c o m e 田 r e s e a r c hf r u i ti sv e r yn o v e la n dp r a c t i c a l a n dp r o v i d ee n s u r ef o rs c h e d u l e a n dq u a l i t yo f t h ep r o j e c tc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s w e l d i n gs t u d y t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 1 1 1 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 奎墨兰日期 劲p ，助 学位论文使用授权的说明 。 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名 导师签名 石为工一 目期 镝每 2 a o 、， 2 j 日期：兰丑：! ! ：! 第一章绪论 第一章绪论 2 2 c r 双相不锈钢，又名2 2 0 5 双相不锈钢( 简称2 2 0 5 d s s ) ，是双相不锈钢的典型 代表，属于第二代超低碳、中合金奥氏体铁索体不锈钢，其显微组织结构由各占5 0 的 铁素体( 旺) 和奥氏体( 1 ，) 的二相组成，兼有奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢的双重特性， 具有较高的强度、良好韧性和耐腐蚀性能，能够进行冷、热加工及成型，以及良好的焊 接性，因而具有良好的用途，广泛用于化肥生产、化学工业、运输用大型化工容器、天 然气和石油工业、造纸工业、环境污染控制设备等等。石油和天然气工业目前采用双相 不锈钢材料铺设的输送管线长度已超过8 5 0 公里，绝大部分为2 2 c r 双相不锈钢1 1 1 1 2 】。 1 1 双相不锈钢的分类和发展历史 1 1 1 双相不锈钢的分类 双相不锈钢，严格按照显微组织相比例的多少，可分为以奥氏体为基的奥氏体铁素 体双相不锈钢( 铁索体含量在5 以上，不超过2 0 ，如1 c r l 8 n i l l s i 4 a l t i ，钢的最佳 铁素体含量为1 5 左右) 和以铁素体为基的铁素体奥氏体双相不锈钢( 一般铁素体占 4 0 7 0 ，奥氏体占6 0 3 0 ) 。一般称为的“双相不锈钢”是指后者，即铁素 体奥氏体型双相不锈钢，本论文所述的双相不锈钢即属于这种。 铁素体一奥氏体型双相不锈钢按化学成分通常可分为四类，分别为低合金型、中合金 型、高合金型和超级型。表1 2 为我国这四类双相不锈钢的牌号与化学成分，表1 3 为 国际上近似对应的四类双相不锈钢的代表牌号和典型化学成分。 表卜t中国双相不锈钢的类型、牌号和主要化学成分 化学成分o ( w t ) 类型主要牌号 cs i如c rn inm o 其它 0 0 c r 2 孙n 4 n5 0 0 31 丑51 】22 34 50 1 低合 金型 o o c l 2 1 n 话n! ，。0 81 抑0 85 0 0 82 0 2 24 8 581 1 0 7 0 0 c 1 2 1 n 舐 虫_ 0 9 0 1 41 抑0 81 抑0 8 2 0 ，2 24 8 5 81 1 0 8 0 0 c r i 卧彤m 0 3 s i 2_ t o 0 3 i 3 2 0 1 o 2 o1 8 1 9 54 s 5 so 0 6 0 1 2 5 3 o 中合 0 0 c r l 8 n i 5 m 0 3 s i 2 n b! 0 31 5 2 01 o 2 01 8 】95 5 ，6 50 0 6 o 12 5 3 0 金型 0 0 c 1 2 ：孙n 5 m 0 3 n! 田0 3s 1 0 2 5 ，h r c 9 0 5 - 3 2 标准要求 a p i5 l cs 3 1 8 0 3 标准要求 6 2 1 _ 4 4 8三2 5 ， 西安石油大学硕士学位论文 0 垒 v r 倒 应变( ) 图卜3 不锈钢材料的应力一应变曲线 图卜4 不锈钢材料的冲击韧性随温度的转变 1 2 5 耐蚀性能 2 2 c r 双相不锈钢含有较高的c r 、m o 和n 等耐蚀元素，碳含量非常低，组织中又含 有铁素体和奥氏体两种结构，结合了铁素体不锈钢耐氯离子腐蚀和高强度优点，因而具 有良好的耐均匀腐蚀、应力腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀性能，其耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能 也非常优良。图1 - 5 7 是2 2 c r 双相钢不锈钢与其它几种不锈钢耐蚀性能的对比i j u j 。 1 2 6 焊接性 焊接广泛用于造船、油气输送、化工、电力、核反应堆等各种工业部门，是材料工 程应用中不可缺少的一种连接技术，许多大型结构及工程是靠焊接连接起来的。同时， 焊接接头也是构件的薄弱环节，焊接质量的好坏直接影响构件的寿命，许多设备的失效 事故都与焊接质量有关。 6 第一章绪论 1 6 0 1 4 0 1 2 0 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 2 040 p r ei c r * 置3 x 1 8 x n 圜 图1 - 5 几种不锈钢材料在6 f e c i 。中的c p t 和c c t p 旺- c r 3 3 1 x 一o 1 6 埔h 图1 - 6 几种不锈钢材料在1 mn a c i 溶液中c p t 2 0 4 0邮8 010 0 h 2 s 0 , 图1 - 7 几种不锈钢在硫酸中的等腐蚀曲线，0 1 m m y e a r 7 p v 世赡 西安石油大学硕士学位论文 1 2 6 1 工艺可焊性 双相不锈钢最早出现在2 0 世纪3 0 年代。从焊接的角度考虑，最早的双相不锈钢的焊 接性很差，主要表现在对热影响区的冶金过程缺乏了解。早期的双相不锈钢所含的铁索 体和奥氏体之间的比例不是最佳的，大多数情况下铁素体含量太高( 约7 0 ) ，因而其焊 接热影响区几乎全部变为铁素体。这种铁素体区域具有低劣的机械性能和耐腐蚀性能， 因而这种钢在早期应用不太普及是完全可以理解的。甚至直到现在，对于双相不锈钢的 焊接性仍有人怀疑。 现代双相不锈钢具有最佳的铁素体一奥氏体比例( 各5 0 ) ，因而在热影响区能够很 好地重新形成奥氏体并获得机械性能和耐蚀性能良好的焊接接头。氮在双相钢中的重要 作用己被发现并得到大量应用。氮是强奥氏体稳定元素并促使f a b t 率最佳，采用氮合 金化使得现代双相不锈钢焊接性与奥氏体不锈钢等同。双相不锈钢中一定比例的铁素体 使得它的膨胀系数比奥氏体钢低，因而焊接结构的变形较小。 双相不锈钢焊缝凝固过程中，开始形成几乎是全部铁素体组织，进一步冷却则在铁 素体晶界生核开始形成奥氏体相。在快速冷却下，焊缝金属生成树枝状显微组织，在某 些区域冷却速度较馒，熟传导方向不明显时，可观察到更多的球形组织，在典型的焊接 冷却速度下凝固伴随着合金元素的偏析，对腐蚀性能的影响可能很重要。更重要的是， 转变成奥氏体时伴随着产生铁素体和奥氏体之间铬、镍、钼和氮的重新分配。 与奥氏体不锈钢相比，2 2 c r 双相不锈钢导热系数大，线膨胀系数小，又包含两种组 织，因此热裂倾向和变形小；与低合金高强钢相比，因组织中含有约5 0 的奥氏体，因 此冷裂纹倾向小。总的来说，双相不锈钢可焊性良好，一般焊前不需预热，焊后不需热 处理，可与1 8 8 型奥氏体不锈钢或碳钢等异种钢焊接】。 由于焊缝中含有相当量的奥氏体组织，其塑韧性高。总的说来，双相不锈钢对冷裂 纹的敏感性是不敏感的，但是在某些情况下有可能产生氢致冷裂纹。导致产生氢致冷裂 纹的主要有三种因素：氢的存在、钢中敏感的相组织、高的拉伸应力，而这三种因素在 焊接中某些情况下可能同时存在。 对双相不锈钢来说，铁素体就是敏感的相。当铁素体奥氏体比率为平衡的5 0 5 0 时，没有脆化的迹象。但是当铁素体增加时，氢脆的危险增加。关于出现危险的铁素体 量有着不同的意见，英国t w i 的w a l k e r 和o o o d c h 将它限制在7 2 以内，而在某些地方指 出在7 0 一7 5 之间时危险一定增加。当然产生冷裂纹还需要拉伸应力和氢的同时存在h j 。 1 2 6 2 使用可焊性 a 力学性能 力学性能是评价焊接接头性能优良与否的最重要的依据，焊接接头力学性能的测试 结果，对于提高焊接工艺性及获得优良的焊接接头具有重要的意义。 2 2 c r 双相不锈钢的屈服强度可达4 5 0 v i p a 以上，具有良好的焊接性，在正常的焊接 工艺条件下，不会产生由于晶粒严重粗化导致焊接高温热影响区塑韧性降低的现象【i 引。 第一章绪论 但双相不锈钢由于铁索体含量约占5 0 ，因此存在高铬铁素体所固有的脆化倾向，合理 选择焊接线能量参数对于提高双相不锈钢焊接接头的力学性能有重要意义。 2 2 c r 双相不锈钢焊缝的强度一般高于母材，园此焊接接头强度不成问题。而焊缝金 属和热影响区的韧性则在很大程度上取决于焊接方法、材料和焊接工艺。 一般而言，采用渣保护的s m a w 、f c a w 、s a w 焊接方法，焊缝的韧性随着焊剂( 药 皮) 类型的不同而不同。碱性渣系熔敷的焊缝金属具有较高的韧性，而金红石渣系熔敷 的焊缝金属韧性较差。表l 一7 为不同生产厂家焊接填充材料焊缝的夏比冲击韧性，表1 8 为国外不同工程技术条件对焊缝冲击韧性技术要求。制定焊接工艺时，应根据不同的韧 性要求选用不同类型的焊接材料。表1 - 9 列出了采用瑞典s a n d v i k 公司填充材料焊接2 2 c r 双相不锈钢焊件焊缝性能的典型值。 b 耐腐蚀性能 焊缝的耐均匀腐蚀和应力腐蚀性能总的说来是优异的，只要填充材料和工艺得当， 可与母材相比。在含有氯离子等应用场合，必须具有耐点蚀和缝隙腐蚀能力，以p r e n 表示的c r 、m o 和n 的合金含量基本上决定了不锈钢耐点蚀和缝隙腐蚀的能力。对于此类 腐蚀的抵抗力，焊缝一般稍低于未受热影响的母材，这可以通过采用超级双相不锈铜焊 接填充材料来焊接标准双相不锈钢，或者在保护气和背面保护气中添加氮的方法加以补 偿。然而，当所用焊接材料具有与母材匹配的c r 、m o 和n 时也可以获得足够的耐点蚀能 力。 由于母材和焊缝的含碳量很低( 一般低于o 0 3 ) ，且为双相显微组织，2 2 c r 双相不 锈钢焊接接头一般不会产生晶间腐蚀问题。 表1 - 1 不同牌号焊接填充材料焊缝金属的夏比冲击韧性 焊材生产填充金属冲击功( j ) 焊接方法 厂家牌号室温一4 0 s a n d v i k2 2 8 3 l2 8 2”3 1 1 g a v e s t a2 2 0 52 0 01 7 0 b o h l e rc n2 2 ，9 n i g1 5 0 兰4 0 s a n d v i k2 2 93 l r5 24 3 a v e s t a2 2 0 5 p w a c ，d c5 04 0 s m a wa v e s 诅2 2 0 5 b a s i c8 05 5 b o h l e rc n 2 2 ，9 n5 5， b o h l e rc n2 2 ，9 n - b1 0 56 5 s a n d y i k2 2 9 3 l t5 5 4 4 f c a w b o h l e rc n2 2 ，9 p w f d8 05 5 西安石油大学硕士学位论文 表卜8 焊缝冲击韧性的技术要求 技术条件i 申击功( j )温度 d n v 造船规范 2 2 7 2 0 。c s p i e c a p a g 三4 02 0 0 c n a m n l s s6 0 ) 兰4 12 0 0 c n o r s o k nm ( 6 0 1 ) 三2 7 4 6 。c s h e l i u k ( e s1 2 4 ) 4 1 f m i n2 7 j )一5 0 。c 表i - 92 2 0 r 双相不锈钢焊件焊缝性能典型值 焊件厚度( m m ) 5 05 0 2 5 坡口形式u 形u 形v 形 焊接方法 s m 7 t 1 gs a w 焊接材料 2 2 9 3 l r2 29 3 l2 2 83 l 氧化铝型焊剂 r p 0 2 ( m p a ) 6 4 56 6 85 3 5 r m ( m p a ) 7 9 18 】07 4 0 a 5 ( 呦 1 82 03 6 c 、口q ( j 2 0 ) 4 5 6 1 1 1 3 1 4 64 1 6 0 c t o d ( m r r d - 2 0 c ) o 2 7 加3l0 8 0 - 0 9 5 ， h v l o2 4 2 3 1 72 4 2 2 8 52 5 6 3 2 2 h r c2 2 2 41 8 2 31 8 ，2 4 c p t ( c ) 2 42 0 3 0 2 4 2 2 c r 双相不锈钢广泛用于氯离子浓度较高的介质环境，耐氯离子点蚀和应力腐蚀开 裂性能要求较高。当所用焊接材料具有与母材匹配的c r 、m o 和n ，以及与正确的焊接 工艺匹配，2 2 c r 双相不锈钢焊缝具有良好的耐点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂能力。当 然，不当的焊接工艺，也可能产生严重的点蚀现象。 c 焊接接头的析出相问题 焊接过程中焊缝金属和母材热影响区中可能发生各种析出相反应i l4 j 。析出相几乎全 部产生在铁素体中，因为该相中c r 、m o 含量较高，n 在其中的固溶度较低而扩散性较高。 两个最主要的析出相是富含c r 和m o 的。相和氮化物相。在高温下长时间停留后会产生。 相析出并导致脆化和耐蚀性的降低。氮化物的形成影响耐蚀性能，主要在高铁素体区域 可以见到。具有高含氮量的母材热影响区对氮化物析出的敏感性较小，这是因为氮强烈 促进奥氏体的形成，因而能够抑制氮化物的形成。如果使用了高含镍量的填充金属，并 且采用了热输入量的限制范围，氮化物的析出一般是不会发生的。可以简单的说，热输 入和道间温度的上限可以防止。相形成，而它们的下限则可避免氮化物的形成，产生析 出反应的范围与化学成分有明显关系。一般来说，只要工艺得当，由于金属间化合物相 0 第一章绪论 的析出而引起的脆化实际上在焊缝金属中很少产生。 焊接过程冷却太快时会形成铬的氮化物。由于在高温时氮在铁素体中的溶解度大， 当快速冷却时，当溶解度降低后氮化物就形成了。少量的氮化物不影响焊缝的性能，除 非它们位于晶粒中紧靠表面的位置( 在这种情况下，耐腐蚀性将因铬的减少而降低) 。因 此在焊接特别厚度的结构时必须避免采用低的热输入量。反之，如果热输入过高，将可 能产生金属间化合物的析出。容易形成金属间化合物相的主要是铁素体，形成的主要是 。相，但也发现像x 相、桶、瑚、r l a v e s 相等金属间化合物和碳化物。析出的难易程度 直接与合金量成正比。 类似于铁素体晶粒表面的氮化铬那样有害的析出物就是二次奥氏体，这种相在 8 0 0 9 5 0 形成。有时当温度条件有利于这种相形成时在根部焊道的上层部分可见到这 种二次奥氏体相。这种二次奥氏体含c r 量较低，因而耐点蚀性能比周围的基体差。 可见，焊接过程中冷却速率太慢或太快都会对接头性能造成损害，这点在制订焊接 工艺和焊接过程中应引起足够重视。 1 2 6 3 焊接工艺特点 双相不锈钢焊接的最大特点是焊接热循环对焊接接头组织的影响，进而对力学性能 和耐腐蚀性能有很大的影响。因此，双相不锈钢焊接的核心问题一是要使热影响区和焊 缝保持合适的相比例，二是要防止重复加热、冷却过程中由。相引起的脆化“。 在2 2 c r 双相不锈钢的焊接过程中，若焊缝及热影响区不能形成良好的双相组织，将 导致焊接接头力学性能及耐蚀性能的全面下降。如果近缝区形成单相铁素体组织，不仅 大大降低焊接接头塑性及冲击韧性，而且因为在中温区铁素体相界脆性金属间化合物的 析出，将导致焊接接头塑韧性及耐蚀性能不同程度的下降。在双相不锈钢钢焊接时，焊 缝及热影响区组织的双相比例控制，防止近缝区产生单相铁素体组织，是能否获得优质 焊接接头的关键。 双相不锈钢焊接的另一个问题是可能出现金属问析出相。性能良好的材料在正常焊 接情况下，一般不会产生金属间析出相，但是如果材料的成分、组织不当，或材料制造 过程在析出相敏感温度范围停留时间过长，虽然母材未产生析出相，但是给焊接热过程 留的时间裕度过短，在热影响区可能产生析出相。另外，如果焊接热输入过大，层问温 度过高，在焊缝和热影响区也可能产生析出相。【l 州 2 2 c r 双相不锈钢的焊接，选用含n 的2 2 0 9 焊丝是必要的l l “。此外，采用适中的焊 接规范、多层多道焊工艺，控制层间温度 1 5 0 ，加之良好的气体保护，有助于获得性 能优良的双相钢焊接接头。 根据资料分析，2 2 c r 双相不锈钢焊接过程容易出现的质量问题有： ( 1 ) 焊缝及热影响区的相比例超标双相不锈钢良好的力学性能和腐蚀性能的基础 是铁素体和奥氏体双相组织的大致平衡，如果平衡打破，优良的性能就不存在。试验研 究证明，如果铁素体的含量超过7 5 ，材料的韧性和抗点蚀性能变差；如果铁素体含量 西安石油大学硕士学位论文 低于2 5 ，抗应力腐蚀性能变差。焊缝和热影响区的组织与母材、焊材、焊接工艺参数、 焊工操作技术等许多因素有关，如果这些因素控制不当，可能出现铁素体含量超标现象， 尤其是焊接热影响区的铁素体含量可能超出上限要求。 ( 2 ) 焊缝及热影响区有害沉淀相的严重析出在厚壁多层多道焊接情况下，材料和 焊缝反复受热，如果工艺不当，焊缝和热影响区均有可能出现金属间析出相。少量的析 出相不会影响材料的性能，但是严重的析出相将造成接头性能的严重下降。 ( 3 ) 焊缝和热影响区的夏比冲击韧性偏低焊材选用不当、工艺参数不合适、操作 不正确等均可能造成焊缝和热影响区铁素体含量过高或出现严重的有害沉淀相，从而引 起焊接接头冲击韧性下降，抗冲击能力变差。 ( 4 ) 焊接接头耐蚀性能不合格从腐蚀的角度来看，焊接接头总是不锈钢结构的最 薄弱环节，与接头韧性的情况一样，焊材选用不当、工艺参数不合适、操作不正确等均 可能造成焊缝和热影响区铁素体含量过高或出现严重的有害沉淀相，从而引起接头的耐 蚀性能下降。另外，焊缝反面的表面成型质量、氧化程度和处理方法( 如不处理或酸洗、 打磨处理) 等也可能造成接头耐蚀性能下降。 ( 5 ) 焊缝背面质量不合格对管子全位置焊接、单面焊双面成型工艺来说，对工艺、 接头准备要求是最严的，对焊工的操作水平要求也是最高的。不当的工艺( 如焊材规格 不合适、背面保护效果不良、规范参数不合适等) 和操作方法，均可能造成背面焊缝表 面成型质量差、缺陷超标、氧化严重现象，导致接头的耐腐蚀性能下降，而接触介质的 内表面恰是腐蚀可能首先产生的位置。 1 3 课题研究的目的和意义 该课题研究的目的是，针对西气东输克拉2 气田地面建设工程中采用的2 2 c r 双相不锈 钢集输管道，通过对材料组织、性能及其焊接性、焊接工艺的研究，掌握该种材料的关 键技术指标和评价方法，以及管道环焊缝现场焊接技术，为重大工程建设提供技术支持， 保证重大工程的建设进度和质量。 塔里木油田克拉2 气田是西气东输工程主力气田之一，天然气储量丰富。克拉2 气 田地面工程建设项目是将该气田的天然气输往上海的一条重要的内部集输管网，将承担 西气东输工程约8 0 的供气量。本工程包括9 5 k r n 长的集气干线和约6 k m 长的集气支 线，管道埋地敷设、局部地段露天敷设，共两条集气干线和1 座中央处理厂。集气干线 起点最高工作压力1 3 3 m p a ，输气能力l6 0 0 l 0 4m 3 d 。该气田地层水c l 离子浓度高达 1 0 0 6 7 7 m g l ，总矿化度1 6 0 0 0 0 m g l ，属c a c l 2 型、密闭型地层水。气田开发前期无产 出水，天然气中水气比约2 8 m 3 ：气田开发中、后期每天产水量约1 0 0 0 m j ，单井最高 产水量约4 0 0 m 3 。天然气中c 0 2 含量o 7 2 1 7 8 4t 0 0 1 ，甲烷含量9 7 9 5 4 9 8m o l 。 由于克拉2 气田集输管网重要的战略意义及其苛刻的腐蚀环境，中国石油天然气集团 公司首次在集输管网上大量使用2 2 c r 双相不锈钢。随着各个油田腐蚀环境的逐渐恶化， 2 第一章绪论 2 2 c r 双相不锈钢的使用必然会越来越广泛。 虽然双相不锈钢是一种具有优良耐蚀性能和较高机械性能的钢种，但是大量的应用 过程存在的问题限制了它的使用。随着技术的不断发展，各项标准在逐渐完善，焊接工 艺不断改进，这些问题逐步也在逐步得到解决。但是，国内对于双相不锈钢的使用经验 很少，对于其相比例的控制、韧性指标的确定以及脆性析出相的验收标准、不同腐蚀环 境中各项性能指标的确定以及焊接工艺和规范的制定等仍存在很多疑问，而由于没有使 用经验和研究结果可供参考，对于2 2 c r 双相不锈钢的订货和使用难免存在许多盲目性， 克拉2 工程项目地面工程招标过程中这个问题便突出地暴露出来。 通过研究掌握材料及焊接接头组织、性能的特点及检测评价方法，确定适合现场使 用环境的性能指标和焊接工艺技术，对于保证克拉2 气田地面建设工程的顺利进行，并为 以后类似的重大工程提供更好的技术服务，以及保证天然气管线运行的安全具有重大的 社会意义和经济效益。 1 4 本论文工作的构思和主要工作任务 2 2 c r 双相不锈钢新材料在我国油气田开发中首次大规模使用，课题研究的思路应首 先对双相不锈钢钢材料的现状、组织、性能及焊接性的文献资料调研，对克拉2 工程的 背景进行调研和分析，确定工程应用中需要解决的关键技术难题。然后制定试验方案， 开展材料工程应用关键技术研究。 根据文献资料的调研分析，并对克拉2 气田背景和前期使用2 2 c r 双相不锈钢过程中 存在问题进行的调研，确定以下几点是部分制约油田安全使用2 2 c r 双相不锈钢的主要技 术难题，并针对这些问题重点开展研究工作。 ( 1 ) 相比例和析出相的指标和检测技术； ( 2 ) 材料的力学性能指标的确定； ( 3 ) 焊缝力学性能和腐蚀性能指标的确定： ( 4 ) 管道环焊缝现场焊接技术。 本课题的任务就是通过对材料组织的研究，掌握影响组织相比例的因素和析出相产 生的机理，以及相比例及析出相对材料性能的影响规律；提出材料的相比例、析出相验 收指标和检测评价技术；通过对材料力学性能的研究，掌握该材料的韧性特征和韧脆转 变行为；通过对材料焊接性能和工艺参数对接头性能的影响的研究，确定焊接工艺参数， 提出现场焊接施工过程中焊接工艺。 1 5 课题的来源与背景 西气东输管道工程的建设，迫切需要储量丰富、安全可靠的天然气源。塔里木盆地 是西气东输的主要气源地，但是就前期调研情况看，气源介质的腐蚀性很强，对气田集 输管线的腐蚀问题非常突出。如果不积极、尽快地采取有效的措施，将来建成管线的事 故在所难免。选择合适的腐蚀防护措施对保证气源的安全具有重要意义。 西安石油大学硕士学位论文 位于塔里木盆地的克拉2 气田是西气东输最大的主力气田，将承担西气东输管道约 8 0 的供气量。克拉2 气田地面建设项目是将该气田的天然气输往上海的一条重要的内 部集输管线。该气田地层水中氯离子浓度很高，另外含有少量的c 0 2 ，对集输管线有很 强的腐蚀性。由于克拉2 气田集输管网重要的战略意义及其苛刻的腐蚀环境，通过对现 场腐蚀环境，防护措施及材料性能的研究和筛选，中国石油首次在集输管线上大规模使 用2 2 c r 双相不锈钢。 2 2 c r 双相不锈钢具有优异的抗点蚀和应力腐蚀性能，以及良好的力学性能，但是， 2 2 c r 双相不锈钢对大多数工程技术人员而言还是一种相对较新的材料，使用过程中存在 析出相，相比例、焊接、熟处理工艺等控制问题和腐蚀试验方法问题，历史上也曾出现 过因热处理和焊接工艺不当而造成严重的腐蚀失效事故。因此，2 2 c r 双相不锈钢在克拉 2 工程应用过程中有许多关键技术问题需要研究解决。 中国石油天然气集团公司于2 0 0 4 年6 月立项，并委托管材研究所针对西气东输克拉2 气田2 2 c r 双相不锈钢的应用关键技术开展研究，以解决2 2 c r 双相不锈