（材料加工工程专业论文）焊接工艺对2205双相不锈钢焊接接头综合性能的影响.pdf

太原理丁大学硕十研究生学位论文 焊接工艺对2 2 0 5 双相不锈钢焊接接头综合性能的影响 摘要 在西气东输的源头克拉2 气田向西气东输管道提供了8 0 以上的气 源，因此克拉2 气田集输管道工程的完成对西气东输工程至关重要。太 原钢铁公司根据西气东输工程用2 2 0 5 双相不锈钢的技术标准要求，参照 a p l 5 l c 、a s t m $ 3 2 2 0 5 标准，与我课题组共同开展了s a f 2 2 0 5 双相不 锈钢管直焊缝焊接工艺的研究。 双相不锈钢焊接的要点是焊接热循环对焊接接头组织和性能的影 响，如韧性和耐腐蚀性等。因此开展s a f 2 2 0 5 双相不锈钢管直焊缝焊接 工艺的研究，保证焊接接头具有良好的力学性能和抗腐蚀性能不仅具有 重要的现实意义而且具有重要的学术价值。 本文采用等离子焊( p a w ) 打底+ 钨极氩弧焊( t i g ) 盖面和等离子 焊( p a w ) 打底+ 熔化极氩弧焊( m i g ) 盖面两种焊接工艺及选用e 2 2 0 9 焊丝对s a f 2 2 0 5 双相不锈钢板进行了焊接工艺的对比的研究，通过对焊接 接头金相组织、力学性能、耐腐蚀性能的分析，确定了最佳焊接工艺参 数；并分析了焊接线能量、焊接工艺方法和焊后热处理等对焊接接头组 织及力学性能和腐蚀性能的影响。 p a w 打底+ t i g 盖面和p a w 打底+ m i g 盖面两种焊接方法获得的焊 接接头的两相组织比都符合要求，采用较小焊接线能量的m i g 盖面法获 太原理一i ：大学硕士研究生学位论文 得的焊接接头焊缝和热影响区的金相组织晶粒较t i g 盖面法的小。通过 s a f 2 2 0 5 双相不锈钢板焊接接头的各种力学性能试验，结果表明两种焊 接工艺下焊接接头硬度都符合要求；拉伸试验中断裂位置均发生在母材 部位，表明焊接接头抗拉伸强度符合a p is p e c5 l c 标准l c 6 5 2 2 0 5 要 求；弯曲试验结果显示弯曲表面均无裂纹，说明两种焊接工艺下的焊接 接头都具有良好的抗弯曲性能；夏比冲击试验结果表明两种焊接工艺下 试样的焊缝、熔合线和h a z 的冲击韧性都符合a e t ma 9 2 3 标准要求。 固溶处理后的焊接接头焊缝和热影响区的金相组织晶粒都明显变 小，且奥氏体大部分在铁素体晶界析出，晶内析出很少，但固溶处理对 基体组织的影响很小；固溶处理后的焊接接头的抗冲击性优于没有经过 固溶处理的焊接接头，采用较小线输入量的m i g 焊盖面得到的焊接接头 比t i g 焊盖面得到的焊接接头抗冲击性要好一些。 两种焊接方法获得的焊接接头的焊缝和热影响区的抗点蚀性均满足 a s t mg 4 8 标准要求。固溶处理的焊接接头的抗点蚀性比没有经过固溶 处理的焊接接头的抗点蚀性好，即固溶处理有利于焊接接头抗点蚀性的 提高。 采用等离子焊( p a w ) 打底十钨极氩弧焊( t i g ) 盖面焊接获得2 2 0 5 双相不锈钢管焊接接头抗冲击性满足a s t m a 9 2 3 标准要求，抗拉伸性满 足a p is p e c5 l c 标准l c 6 5 2 2 0 5 双相钢要求，且具有良好的抗弯曲性。 关键词：2 2 0 5 双相不锈钢，p a w ，t i g ，m 1 6 ，力学性能，抗腐蚀性能 太原理1 ：大学硕十研究生学何论文 e f f e c to fw e l d i n gp r o c e s so nt h ep r o p e r t i e s o fj o i n to f2 2 0 5d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l a b s t r a c t e i g h t yp e r c e n to fg a sf o rt h ew e s t e a s tg a st r a n s f e rp r o j e c ti sp r o v i d e d b yk e r a - 2g a sf i e l da n di ti sp l a y i n gav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ep r o j e c t t h e w e l d i n gp r o c e s so ft h es a f2 2 0 5 d u p l e xs t a i n l e s ss t e e lp i p e si ss t u d i e db y y a i y u a ni r o na n ds t e e lg r o u pa n do u rr e s e a r c hg r o u pa c c o r d i n gt os a ，f 2 2 0 5 d u p l e xs t a i n l e s ss t e e lt e c h n i c a lr e q u i r e m e n to f t h ep r o j e e ta n d a p l 5 l c 、 a s 耵订$ 3 2 2 0 5c r i t e r i a t h ek e yp o i n to ft h ew e l d i n gp r o c e s si st h em i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e s o ft h ew e l d e dj o i n t ，s u c ha st o u g h n e s sa n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，w h i c hw i l lb e i n f l u e n c e db yt h et h e r m a lc y c l i n gg r e a t l y s oi ti sn e c e s s a r ya n da c a d e m i ct o i m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ej o i n tb y i n v e s t i g a t i n gt h ew e l d i n gp r o c e s so fs a f 2 2 0 5 d u p l e x s t a i n l e s ss t e e l t w od i f f e r e n tw e l d i n gp r o c e s so fp l a s m aa r cw e l d i n g ( p a w ) + t u n g s t e n a r ci n e r t - g a sw e l d i n g ( t i gw e l d i n g ) a n dp l a s m aa r cw e l d i n g ( p a w ) + m e t a l i n e r t i ag a sw e l d i n g ( m i gw e l d i n g ) w i t he 2 2 0 9a r cw i r ew e r ea p p l i e dt os t u d y t h ee f f e c to fw e l d e dp r o c e s so ns a f 2 2 0 5d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l t h eo p t i m u m w e l d i n gp a r a m e t e r s a r e g i v e na c c o r d i n g t ot h e m i e r o s t r u c t u r e s ，t h e 1 1 1 太原理t 大学硕士研究生学位论文 m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ej o i n t sw e l d e db yt h e t w od i f f e r e n tm e t h o d s t h ee f f e c to fh e a ti n p u t ，p r o c e s s e sa n dt h eh e a t t r e a t m e n ta f t e rw e l da n de t c o nt h em i c r o s t r u c t u r e ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n dt h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo f t h ew e l d e d j o i n tw e r ea l s os t u d i e d b o t hp a w + t i gw e l d i n ga n dp a w + m i gw e l d i n gc a nr e a c ht h e r e q u i r e m e n t so ft h ew e s t e a s tg a st r a n s f e rp r o j e c t ，a n dc o m p a r e dw i t ht i g w e l d i n g ，t h eg r a i n so ft h ej o i n tw e l d e db ym i g w i t hl e s sh e a ti n p u ti sm u c h f i n e r t h r o u g ht h et e s t so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，b o t hj o i n t so fs a f 2 2 0 5 d u p l e xs t a i n l e s ss t e e lw e l d e db ym i g o rt i gc a nr e a c ht h er e q u i r e m e n to f h a r d n e s s t h ef r a c t u r et o o kp l a c ei nt h eb a s em e t a ld u r i n gt h et e n s i l et e s t , w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ej o i n ti sq u a l i f i e d ；n oc r a c k s w a so b s e r v e dt h r o u g ht h eb e n dt e s t ，w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h eb e n ds t r e n g t hi s h i g he n o u g h ；i th a sb e e ni m p r o v e dt h a tt h ei m p a c tt o u g h n e s so f b o t hw e l d i n g s e a m f u s i o nz o n ea n dh a zc a nr e a c ht h ea s t ma 9 2 3c r i t e r i at h r o u g ht h e c h a r p y - t y p et e s t t h es o l u t i o nh e a tt r e a t m e n tm a k et h eg r a i n so ft h ew e l ds e a ma n dh a z f i n ea n dp r o m o t et h ea u s t e n i t em o s t l ys e p a r a t eo u ta tf e r f i t eg r a i nb o u n d a r y w i t ho n l yal i t t l ea u s t e n i t ep r e c i p i t a t e da tt h eg r a i nb o u n d a r yo ff e r r i t e ，b u ti t h a sl i t t l ee f f e c to nt h eb a s em e t a l t h ei m p a c tt o u g h n e s sb e c a m eb e t t e ra f t e r t h es o l u t i o nh e a tt r e a t m e n t c o m p a r e dw i t ht h a tw e l d e db yt i gw e l d i n g ， i m p a c tt o u g h n e s so f t h ej o i n tw e l d e db ym i g w i t hl e s sh e a ti n p u ti sb e n e r 太原理工大学硕十研究生学位论文 b o t ht h ep i tc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ew e l dm e t a la n dh a zo f2 2 0 5 d u p l e xs t a i n l e s ss t e e lp r o d u c e db yt w od i f f e r e n tw e l d i n gm e t h o d sc 8 1 1r e a c h t h ea s t mg 4 8c r i t e r i a a n dt h a to ft h ew e l d e dj o i n tw i t hs o l u t i o n h e a t t r e a t m e n ti sb e t t e rt h a nt h a tw i t h o u ts o l u t i o n h e a tt r e a t m e n t t h ei m p a c tt o u g h n e s so ft h ep i p ej o i n t so f2 2 0 5w e l d e db y 雕州+ t i g c a nr e a c ht h ea s t ma 9 2 3c r i t e r i a , a n dt h et e n s i o ns t r e n g t hc a nr e a c ht h ea p i s p e c5 l cl c 6 5 2 2 0 5 c r i t e r i aa n dt h eb e n ds t r e n g t ho ft h ew e l d e dj o i n ti s e n o u g h k e yw o r d s ：2 2 0 5 d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l ，p a w , t i gm i gm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：丝丝互 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签 名： 导师签名： 日期：兰! ! ：三：12 日期： 太原理t 大学硕十研究生学1 1 i ) = 论文 第二章绪论 1 。1 国内外双相不锈钢的发展概况 1 1 1 双相不锈钢的性能特点 所谓双相不锈钢是在它的固溶组织中铁素体相与舆氏体相大约各占一半，一般较 少的相含量最少也需要达到3 0 。根据两相组织的特点，通过正确控制化学成分和热 处理工艺，将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性和焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高 强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起，使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体 不锈钢的优点。正是这些优越的性能使双相不锈钢作为可焊接的结构材料发展十分迅 速，8 0 年代以来已成为和马氏体型、奥氏体型以及铁素体型不锈钢并列的一个钢类。 双相不锈钢有以下性能特点： ( 1 ) 含钼双相不锈钢在低应力下有良好的耐氯化物应力腐蚀性能。一般用在6 0 c 以 上中性氯化物溶液中的1 8 8 型奥氏体不锈钢容易发生应力腐蚀破裂，在微量氯化物 及氯化氢的工业介质中用这类不锈钢制造的热交换器、蒸发器等设备都存在着产生应 力腐蚀破裂的倾向，而双相不锈钢却有良好的抵抗能力。同时含钼双相不锈钢有良好 的耐孔蚀性能。在具有相同的孔蚀抗力当量值( p r e = c r + 3 3 x m o + 1 6 n ) 时，双 相不锈钢与奥氏体不锈钢的临界孔蚀电位相仿。 ( 2 ) 有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能。在某些腐蚀介质条件下适用于制作泵、 阀等设备；综合力学性能好，有较高的强度和疲劳强度，屈服强度是1 8 8 型奥氏体 不锈钢的两倍。 ( 3 ) 含低铬( 1 8 c r ) 的双相不锈钢热加工范围比1 8 8 型奥氏体不锈钢宽，抗力小， 可不经过锻造，直接轧制开坯生产钢板。 ( 4 ) 冷加工比1 8 8 型奥氏体不锈钢船王硬化效应夫r 在管f 板承受变形初册r 需街 加较大应力才能变形。与奥氏体不锈钢相比，导热系数大，线膨胀系数小，适合用作 设备的衬里和生产复合扳，也适合用作热交换器的管芯。 ( 5 ) 仍有高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向，不宜在高于3 0 0 c 的工作条件下使用。 太原理丁火学硕士研究生学位论文 双相不锈钢中含铬量越低，0 等脆性相的危害性也越小 1 1 2 双相不锈钢的分类及代表牌号 双相不锈钢一般可分为四类“2 ”： 第一类属低合金型，代表牌号是u n s $ 3 2 3 0 4 ( 2 3 c r - 4 n i - o i n ) ，钢中不含钼，p r e n 值为2 4 2 5 ，在耐应力腐蚀方面可代替a i s l 3 0 4 或3 1 6 使用。 第二类属中合金型，代表牌号是u n ss 3 1 8 0 3 ( 2 2 c r 一5 n i 一3 m o 一0 1 5 n ) ，p r e n 值为 3 2 3 3 ，它的耐蚀性能介于a i s i3 1 6 l 和6 m o + n 奥氏体不锈钢之间。 第三类属高合金型，一般含2 5 c r ，还含有钼和氮，有的还含有铜和钨，标准 牌号有u n s $ 3 2 5 5 0 ( 2 5 c r - 6 n i - 3 m o - 2 c u 一0 2 n ) ，p r e n 值为3 8 3 9 ，这类钢的耐腐蚀 性能高于2 2 c r 的双相不锈钢。 第四类超级双相不锈钢型，含高钼和氮，标准牌号有u n s $ 3 2 7 5 0 ( 2 5 c r - 7 n i - 3 7 m o 一0 3 n ) ，有的也含有钨和铜，p r e n 值大于4 0 ，可适用于苛刻的介质 条件，具有良好的耐蚀与力学综合性能，可与超级奥氏体不锈钢媲美。 1 1 3 双相不锈钢与其它不锈钢的比较 1 1 3 1 双相不锈钢与奥氏体不锈钢相比，其优点是“1 ： ( 1 ) 屈服强度比普通奥氏体不锈钢高一倍多，且具有很好的塑韧性。采用双相不锈 钢制造储罐或压力容器的壁厚要比常用奥氏体不锈钢减少3 0 至u5 0 。 ( 2 ) 具有优异的耐应力腐蚀断裂和良好的耐局部腐蚀性能，如孔蚀、缝隙腐蚀。此 外，它的耐磨损腐蚀和腐蚀疲劳性能都优于奥氏体不锈钢。 ( 3 ) 比奥氏体不锈钢的线膨胀系数低，与碳钢接近，适合与碳钢连接，具有重要的 工程意义，如生产复合板或衬里等。 ( 4 ) 不论在动载或静载条件下，比奥氏体不锈钢具有更高的能量吸收能力，这对结 构件应付突发事故如冲撞、爆炸等，双相不锈钢优势明显，具有实际应用价值。 1 1 3 2 双相不锈钢与铁素体不锈钢相比，其优点为： ( 1 ) 综合力学性能比铁素体不锈钢高，尤其是塑韧性，就脆性而言不如铁素体不锈 2 太原理工大学硕+ 研究生学位论文 钢那样敏感。 ( 2 ) 除耐应力腐蚀性能外，其他的耐局部腐蚀性能都优于铁素体不锈钢。 ( 3 ) 冷加工工艺性能和冷成型性能远优于铁素体不锈钢。 ( 4 ) 焊接性能也远优于铁素体不锈钢，焊前不需预热，焊后不需热处理。应用范围 较铁素体不锈钢宽。 1 1 4 双相不锈钢的发展历史 1 9 2 7 年b a i n 和g r i f f i t h s 首先发现了双相组织，1 9 3 0 年j h o c h m a n n 偶然发现 提高奥氏体不锈钢中的含铬量不仅使钢具有磁性，而且提高了钢的耐晶间腐蚀性能。 双相不锈钢的发展与应用开始于2 0 世纪3 0 年代，法国在1 9 3 5 年获得第一个专利。 双相不锈钢已经发展了三代。第一代双相不锈钢以美国4 0 年代开发的3 2 9 钢为代表， 含高铬、钼，耐局部腐蚀性能好，但含碳量较高( o 1 ) ，因此焊接时失去相的平 衡，沿晶界析出碳化物导致耐腐蚀性及韧性下降，焊后必须经过热处理，一般用于铸 锻件，在应用和发展上受到限制。前苏联5 0 年代发展了含稳定元素钛的0 8 x 2 1 h 6 m 2 t 铜，德国也有1 4 5 8 2 ，法国有u r a n u s 5 0 ，英国有f e r r a l i u m 2 5 5 ，日本在美国3 2 9 钢 基础上降碳，提出了3 2 9 j 1 钢种，这些钢都可以作为可焊接的结构件使用。随后至 6 0 年代中期瑞典开发了著名的3 r e 6 0 钢，它是第一代双相不锈钢的代表钢种，特点 是超低碳，含铬量为1 8 ，焊接及成型性能良好，广泛代替a i s l 3 0 4 l ，3 1 6 l 用作耐 氯离子应力腐蚀的材料，该钢的问题是在焊接热影响区易出现单相铁素体组织，导致 耐应力腐蚀及晶间腐蚀性能下降。7 0 年代以来随着二次精炼技术a o d 和v o d 等方法 的出现与普及以及连接技术的发展，容易炼出超低碳( c 0 0 3 ) 的钢，同时发现氮 作为奥氏体形成元素对双相不锈钢有重要作用：在焊接接头热影响区快速冷却时，氮 促进了高温下形成的铁素体逆转变为足够的二次奥氏体以维持必要的相平衡，提高了 焊接接头的耐腐蚀性；氮可以提高富氮奥氏体相的耐孔蚀能力，与富铬、钼的铁素体 相取得平衡，提高了材料整体的耐孔蚀性能；氮能减轻铬、钼等元素在两相中分布的 差异，降低选择腐蚀的倾向性。正是利用氮元素的独特效果，以及钢中容易获得超低 碳改进了第一代双相不锈钢的缺点，从而开创了第二代新型的含氮双相不锈钢，开发 了新的应用领域。第二代双相不锈钢不论是1 8 c r 型，还是2 2 c r 和2 5 c r 型大多数属 太原理1 ：大学硕十研究生学位论文 于超低碳型，并且含有钼、铜或硅等提高耐腐蚀性的元素。针对酸性油井井管及管线 用钢要求，瑞典开发出了s a f 2 2 0 5 ，此钢种已纳入美国的a s t m a 7 8 9 和a 7 9 0 标准。日 本有近十个厂家都在生产双相不锈钢，应用范围很宽，如应用于工业用水及海水热交 换器、尿素高压设备、硝酸设备等。法国有u r a n u s 系列，英国有z e r o n 铸钢系列， 德国也有纳标的系列牌号。 八十年代以后，特别是近海油气工业的发展，增加了对2 2 铬双相不锈钢的需求 量。同时，也由于使用环境的苛刻，而发现了第二代双相不锈钢的局限性，如耐海水 腐蚀的能力，以及焊后性能等等。因此，大量的开发工作都集中在如何研制耐腐蚀性 更好的双相不锈钢。在此阶段，理论研究工作也有了较大的发展。根据现代冶金理论， 热力学理论和利用计算机手段，完成了大量对双相不锈钢的焊接技术、焊接冶金学和 对性能影响等的研究工作，取得了显著的成果。首先发现了氮元素的重要意义。大量 实验结果表明氮控制着焊接接头的金相显微组织。1 。含氮量的多少，直接影响着焊后 性能。在亚平衡条件下，氮在控制固态相变动力学上起着重要作用，同时利用热力学 基本数据可以推测出经热处理和焊接热循环后的相转变“。这样，就为根据母材、焊 缝和焊后热影响区的最佳显微组织来设计不锈钢的成分打下了基础。8 0 年代后期发 展的超级双相不锈钢( s u p e r d s s ) 是属于第三代双相不锈钢，牌号有s a f 2 5 0 7 、u r 5 2 n * 、 z e r o n l 0 0 等，这类钢的特点是含碳量低( c o 0 1 0 0 2 ) ，含高钼和高氮( m o 约4 ， n 约0 3 ) ，钢中铁素体含量4 0 4 5 ，此类钢具有优良的耐孔蚀性能，孔蚀抗力当 量值( p r e = c r + 3 3 m o x + 1 6 x n ) 大于4 0 。与第一和第二代双相不锈钢相比，第三 代双相不锈钢在耐腐蚀性能方面有很大的提高。不仅耐应力腐蚀破裂，同时也可以应 用在海水环境中。 如今世界双相不锈钢的年产量不是很高，约占世界不锈钢产量的1 ，但其年增 长速率很快，自1 9 9 0 年以来每年以1 7 的速率增长。1 9 9 0 年年产量2 4 万吨，到1 9 9 9 年已达i i 万吨。欧洲双相不锈钢的生产和应用较普及，日本也生产，美国其应用还 不很普遍。从产量或市场占有量来看，第二代双相不锈钢中的$ 3 1 8 0 3 或 s a f 2 2 0 5 ( o o c r 2 2 n i 5 m 0 3 n ) 牌号约占8 0 。超级双相不锈钢约占1 3 。从生产品种来看， 热轧板约占7 1 ，主要用于制造焊管和容器，冷轧板约占1 4 ，无缝管约占8 “。”。 太原理工大学硕+ 研究生学位论文 1 1 5 国内双相不锈钢的发展概况 我国自7 0 年代中期开始发展双相不锈钢，钢铁研究总院最早从事这方面的工作。 0 0 c r l 8 n i 5 m 0 3 s i 2 双相不锈钢已纳入国家标准g b l 2 2 0 ，g b 3 2 8 0 ，g b 4 2 3 7 0 。8 0 年代初 期在分析国外双相不锈钢发展的基础上，研究了氮元素在改善双相不锈钢耐应力腐蚀 和孔蚀的机制，并且结合国内各特殊钢厂生产含氮不锈钢的成熟经验，确定了以发展 含氮双相不锈钢为主的发展方向，至今已有耐应力腐蚀，耐孔蚀与缝隙腐蚀，耐腐蚀 疲劳和耐磨损腐蚀的简单双相不锈钢系列牌号。我国的双相不锈钢只是处于国外第二 代双相不锈钢的发展水平，钢中的合氮量在0 2 以下。至于目前国外已步入市场的 含氮在0 2 5 0 3 5 的超级双相不锈钢，我国仍处于实验室开发阶段，a o d 精炼工艺 和双相不锈钢连铸工艺的成熟将有助于超级双相不锈钢板工业试生产的成功。 目前国内双相不锈钢的主要产品是管、板和复合板，也有锻件和铸件，产量都不 大。国内生产双相不锈钢的厂家有太原钢铁公司、浦东钢铁公司等。m2 1 9 m m 的无缝 管和m 4 5 7 m m 的薄壁等离子焊管都已研制成功，2 2 0 5 与q 3 4 5 c 的复合板也已用于长江 二峡工程的排沙管，泄洪深孔衬砌等。据不完全统计，1 9 9 9 年双相不锈钢国内的消 费量约2 0 0 0 t ，近几年的年消费量达到4 0 0 0 t 以上，翻了一翻。随着应用的发展，国 内产品满足不了要求，尤其一些工程项目，主要仍是依靠进口。 日前国内已具有制造双相不锈钢和超级双相不锈钢设备的实力和较好的水平。南 京化工有限公司化工机械厂、上海石化机械制造公司、金州重型机器有限公司等近十 家大中型机械制造公司已经制造了近百台的双相不锈钢设备，像南京化工有限公司化 工机械厂和金州重型机器有限公司都能按照国外标准制造，分别出口至印度和马来西 亚。南京化工有限公司化工机械厂和上海石化机械制造公司不仅能制造普通双相不锈 钢设备，还能制造超级双相不锈钢设备，至于油气和石化所需的管线钢，国内近几年 己开始制造和野外施工焊接，还有待继续积累这一方面的经验“。1 。 1 1 6 双相不锈钢的应用 双相不锈钢的实用化已经有近三十年的历史，尤其是当代超低碳含氮双相不锈钢 克服了焊接方面的一些问题，结合双相不锈钢所具有的耐局部腐蚀和综合力学性能好 太原理工大学硕士研究生学位论文 的一些优点，为焊接结构材料的大量推广应用创造了条件，近十几年市场销售量增加 很快，加之随着超级双相不锈钢的步入市场，扩大了在一些苛刻介质中的应用，使双 相不锈钢的应用范围不断拓宽，也积累了不少实际使用经验，为双相不锈钢的选用和 新钢种的开发进一步创造了条件。 这里简单介绍双相不锈钢在各个领域中的应用m 。 ( 1 ) 中性氯化物环境 双相不锈钢在加工工业中应用广泛，特别适用于有可能产生局部腐蚀的环境。在 加工工业中经常使用含有少量氯离子的淡水作为冷却水，导致在使用3 0 4 l 、3 1 6 l 等 奥氏体不锈钢时有时产生应力腐蚀破裂( s c c ) 的危险，而双相不锈钢恰恰可以代替 常用奥氏体不锈钢解决这一问题，尤其适用于由孔蚀引起的应力腐蚀破裂的场合，因 此可以说，在诸多的应用当中双相不锈钢在这方面的应用是首要的。 积累多年的使用经验，双相不锈钢在中性氯化物的介质中，尤其是大量用作接触 含c 1 一冷却水的热交换器的管材，损坏事例不多。但是在有氯离子富集处或是含有h ：s 的酸性氯化物溶液中会出现应力腐蚀破裂现象。 ( 2 ) 炼油工业 这是双相不锈钢使用较多的领域之一，主要用在常减压蒸馏，催化裂化和加氢脱 硫等装置。早在7 0 年代采用鲁宁输油管线油的南京炼油厂和济南炼油厂在这一系统 中就采用了o o c r l 8 n i 5 m 0 3 s i 2 双相不锈钢，主要集中用于常减压塔顶衬里( 或复合 板) 、塔内构件、常顶空冷器、减顶增湿空冷器等，取得良好的使用效果。 8 0 年代以后，在沿海的天津炼油厂和镇海炼油厂陆续各使用了4 台 o o c r l 8 n i 5 m 0 3 s i 2 双相不锈钢的减顶后冷水冷器管心。8 0 年代以来国外采用3 r e 6 0 和s a f 2 2 0 5 钢( 与国产的o o c r 2 2 n i 5 m 0 3 n 钢相当) 用作加氢裂化，加氢脱硫等二次加 工装置中的空冷器、热交换器等的管束、管板和封头的较多。 ( 3 石油化学和化学工业 石油化学和化学工业腐蚀环境的特征是反应温度较高，介质中常含有高浓度或中 等浓度的氯化物，容易诱发不锈钢应力腐蚀破裂。在这一领域不仅使用双相不锈钢， 更多的还要使用超级双相不锈钢，不过后者使用的时间还不长，需要进一步积累使用 经验。 6 太原理工大学硕十研究生学位论文 ( 4 ) 石油和天然气工业池”1 8 0 年代以来双相不锈钢在酸性气和油的生产中用量逐渐增多，主要用作生产管 衬里、岸上和近海的管道系统以及热交换器等，尤其是在天然气的生产中，固溶态和 冷加工态的双相不锈钢多数面临的是含有大量的c 1 一、c 如和一些心s 的环境，即所谓 的酸性环境，但也有不含h 。s ，含有c l 。、c 如，其分压高达6 m p a ，即所谓的“甜气”。 在含有c l 的湿c 0 2 环境中，双相不锈钢是一个理想的材料，可耐高流速的磨损 腐蚀，能够代替加缓蚀剂的碳钢使用，用于井上管道系统，减少可观的材料重量“” 超级双相不锈钢也已经在油、气工业中使用，如u r 5 2 n + 已用在北海油田的油气集 合管和输送管线上，s a f 2 5 0 7 钢用在阿拉斯加、北海、墨西哥湾等地的油气井生产、 海上采油平台设施以及油气输送管线等，多用在没有缓蚀剂的苛刻酸性环境。 ( 5 ) 纸浆和造纸工业 双相不锈钢在纸浆和造纸工业中的应用已经有三十几年的历史了，3 r e 6 0 钢最早 就是在这一领域起步应用的。除3 r e 6 0 钢外，其他如s h f 2 2 0 5 ( u r 4 5 n ) 、u r 4 7 n ( o o c r 2 5 n i 6 5 m 0 3 n ) 、u r 5 2 n + ( o o c r 2 5 n i 6 5 m 0 3 5 c u n ) 等都已获得了应用。主要是 利用双相不锈钢优秀的力学性能、耐磨损腐蚀和空泡腐蚀、耐腐蚀疲劳以及耐应力腐 蚀等的特点。制造纸浆和造纸工业用的木屑预蒸器、间歇式和连续式纸浆蒸煮器，造 纸压力滚筒机和回收设备等，都得到了良好的使用效果。 ( 6 ) 化肥工业 随着双相不锈钢的发展，在尿素和磷肥工业中的应用逐渐增多。尿素工业中多用 变形材，磷肥工业中多用铸件。针对双相不锈钢在尿素中的应用，日本开发了尿素专 用双相不锈钢牌号d p - 1 2 ，是含有微量钨和铜的2 5 c r - 7 n i 一3 m o n 的超低碳钢，用于 大中型装置上气提塔的气提管、高压冷凝器的冷凝管、高压分解塔的分解管以及输送 管道等。 从8 0 年代开始，我国就已经开始研究和使用双相不锈钢在尿素介质中的应用4 1 。 目前国内尿素厂大多使用0 0 c r l 8 n i 5 m 0 3 s i 2 钢，也有一些厂家使用o o c r 2 5 n i 6 m 0 2 n 钢。 ( 7 ) 海水环境 海水是自然环境中腐蚀性最强的一种介质，尤其是在金属表面黏附有微生物层 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 时，使其腐蚀电位增加，因此也增加产生了孔蚀和缝隙腐蚀的危险性。对于热海水介 质，微生物层的增厚会导致海水热交换器的热效率损失。早在7 0 年代f 1 本就开始使 用3 2 9 j 1 和n t kr - 4 ( o o c r 2 5 n i 5 m 0 1 5 2 5 含n 或不含n ) 的钢制造化工厂用或船 用海水热交换器或海水冷却器管束。 国内于1 9 8 6 年采用o o c r 2 5 n i 7 m 0 3 w c u n 双相不锈钢制造了一台用于乙烯装置的催 化剂再生冷却器。1 。目前就热海水用钢而言，大多数都是使用2 5 c r - 3 m o 型的双相不 锈钢“”。 ( 8 ) 能源与环保工业 北美、欧洲和日本等国家为了减少发电厂煤的燃烧对大气造成的污染，防止酸雨， 自8 0 年代末期广泛采用f g d ( 烟气脱硫) 法脱去燃烧气体中的硫。f g d 装置中的一些 重要部件，如容器、风扇叶片、搅拌器、泵、阀和离心机等就是用双相不锈钢制备的， 以防止氯化物腐蚀和防止苛刻的磨粒磨损和泥浆的密损腐蚀。 ( 9 ) 轻工和食品工业 在这一领域中多使用低牌号的c r l 8 型和c r 2 2 型双相不锈钢，国内主要用在盐化 工装置上，国外多用在食品工业上。 由于o o c r l 8 n i 5 m 0 3 s i 2 钢在中性氯化物溶液中有较好的耐孔蚀和缝隙腐蚀的能 力，利用这一特点，国内开发了该钢在真空制盐和盐硝联产装置上的应用“。双相不 锈钢用于大型真空制盐装置国内已有成熟的经验。 国外将3 r e 6 0 钢用于人造奶油冷却器的盘底n 7 1 ，用s a f 2 2 0 5 钢用于制造植物油热 交换器的管束“”。 ( 1 0 ) 高强度结构件 双相不锈钢具有比奥氏体不锈钢更高的强度，许多欧洲国家利用双相不锈钢的高 强度特性将其用于醋酸、羰基化工艺生产过程中的压缩机与反应器之间的连接管道系 统。 双相不锈钢作为结构件多用在如油气井的仪表管路，录井钢丝，油气集合管道， 油气分离器以及工艺管道等；滨海采油平台上钻井架的张拉系统，工艺管道，消防系 统的管道等；海底输送流体的管道，潜水器，船用螺旋推进器，锚的支撑板以及海上 或陆上运输的驳船，槽车等。双相不锈钢能够满足这些构件既要求强度又要求耐腐蚀 太原理丁大学硕士研究生学位论文 性的需要。 1 1 7 我国双相不锈钢的发展前景 近十几年来，尤其是欧洲的双相不锈钢的研究与开发工作开展得非常活跃，无论 是生产，加工制造，还是应用，技术上已经比较成熟。双相不锈钢作为一种性能优良 的，又有成本效益的工程材料已被广泛使用。为了尽早扭转我国双相不锈钢科研、生 产，甚至制造所处的较为落后的局面，为了使这类具有高强度、优良的耐蚀工程材料 在国内尽快地扩大推广应用于国民经济和国防工业的有关领域，根据双相不锈钢的发 展现状，当前应采取的措施是： ( 1 ) 加速超级双相不锈钢的科研和生产试制工作。借鉴国外的经验，国内生产双相 不锈钢的钢种应着力发展潜在需要量大、使用面广、工艺上又比较容易掌握的2 2 0 5 和2 3 0 4 牌号。 ( 2 ) 促进发展双相不锈钢的生产与制造业，扩大双相不锈钢钢板尤其是热轧钢板的 生产，目前的板宽和板长还满足不了要求，表面质量也有待改进。对小规格双相不锈 钢无缝管的生产，国内己比较成熟，当前急需解决的是较大规格的无缝管和焊管的生 产，生产工艺有待开发。此外，如何将双相不锈钢产品的价格降下来，也事关国内双 相不锈钢的发展。扩大产量，生产对路适销产品固然很重要，但不容忽视的是要采用 新技术、新工艺，采用氧化铝球代替金属相，氧化镍代替金属镍，降低冶炼成本，推 广采用双相不锈钢连铸技术，提高成材率等。 ( 3 ) 为适应双相不锈钢日渐广泛的推广应用，国内应加强对双相不锈铜焊接技术的 普及和配套焊接材料的研制。 ( 4 ) 不锈钢的国家标准已有十多年没有修订，在修订国标时必须考虑双相不锈钢的 纳标和修订。国外对于占产量8 0 的2 2 0 5 牌号专门制订了产品出厂检验的用户验收 标准，我们也应考虑引进和吸收，充实现有的检验方法和标准，以促进双相不锈钢的 生产和定货。 ( 5 ) 大力开拓双相不锈钢的工业用与民用的潜在市场( 如建筑业一结构、桥梁、混凝 土用钢筋：如制造业一容器、储罐、化学品运输船、快艇、槽车：又如家用设施一高 位水箱、电热水器、住房水汽配管等) ，并研制、试用、推广国外开发的又适合我国 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 国情( 缺镍少铬) 的一些新品种( 如低镍节约型双相不锈钢) ，相信中国推广双相不锈钢 有着广阔的应用前景“”1 。 1 2 双相不锈钢焊接性及焊接材料 1 2 1 焊接接头的冶金特性 1 2 1 1 相图 根据美国焊接研究委员会( w r c - 1 9 9 2 ) 采用的铬、镍当量比值所绘制的f e c r n i 三元截面相图如图卜1 所示： 图卜1f e - c r n i 三元截面图 f i g 1 一lf e - c r - n ig r a p ho f p h a s et r a n s f o r m a t i o n 图中示出液态和固态的相区，同时表明了几种双相不锈钢代表牌号在图中所处的 位置。实际上所有双相不锈钢从液相凝固后都是完全的铁素体组织，这一组织一直保 留至铁素体溶解度曲线的温度，只有在更低的温度下部分铁素体才转变为奥氏体，形 成奥氏体一铁素体双相组织。 双相不锈钢的焊接h a z 的组织变化取决于钢种自身的成分和焊接热循环状态，此 三元截面图即可用来大致说明成分对焊接h a z 组织的作用，当c r 。n i 。比值大于2 0 时，随比值的增加铁素体溶解度曲线温度急剧下降，铁素体相的范围随之扩大，换言 o 太原理工大学硕士研究生学位论文 之，c r j n i 。比值大于2 5 的双相不锈钢在焊缝熔合线附近的焊接h a z 区中趋向形成 较宽的单相铁素体区。从图上几种双相不锈钢比较可以预见到2 2 0 5 和2 5 5 双相不锈 钢在焊接h a z 中全部转变为铁素体的区域要比2 5 0 7 和5 2 n + 超级双相不锈钢宽。从铁 素体溶解度曲线与c r 。n i 。关系还可以看出：超级双相不锈钢比普通的双相不锈钢产 生单相铁素体组织的峰值温度要高。除了从镍、铬当量反映出成分的影响外，焊接热 循环的参数，如加热速度、高于6 相溶解度曲线温度的停留时间以及通过两相区的冷 却速度等也都会影响熔合线附近焊接h a z 的组织变化。 1 2 1 2 焊接热影响区( h a z ) 的组织 一、焊接h a z 的组织转变 双相不锈钢的焊接h a z 按承受的焊接热循环峰值温度的高低通常分为高温区 ( h t h a z ) 和低温区( l t h a z ) ，前者位于铁素体溶解度曲线至固相线这一温度范围( 对 大多数商业牌号为1 2 5 0 c 熔点) ，几乎为单相铁素体组织，后者基本处于两相的平 衡区”。 双相不锈钢焊接时焊接h a z 所受到的峰值温度从焊缝熔合线的固相线温度到室 温是连续变化的，焊接h a z 的组织也是由与之相对应的连续渐变的显微组织梯度所组 成，尤其在单相铁素体的高温段h t h a z 宽度极窄的情况下，要研究其重要的组织转变 特征和作出性能评定是相当困难的，因此，往往采用焊接热模拟试验。在模拟的试样 上再现焊接h a z 某处的焊接热循环，复制该处的组织以及进行一些性能试验来进彳亍研 究。采用一次焊接热模拟试验来再现单道焊接的焊接h a z 的组织，采用二次焊接热模 拟试验以期再现多层焊接的焊接h a z 组织。图1 - 2 示出o o c r 2 5 m 0 3 n i n 型双相不锈钢 的焊接热模拟循环曲线，曲线1 为手工单道电弧焊热循环曲线，模拟的焊接h a z 简称 为h a z l ，曲线1 + 2 ( 曲线2 ) 模拟多层焊接h a z 的组织，简称h a z 2 。经检验，h a z 2 的组织与多层焊h a z 的组织吻合“1 。 采用焊接热循环加热一水淬法0 2 1 固定焊接h a z 的高温组织。发现峰温不小于1 2 8 0 时，所研究的o o