超级双相不锈钢2507及其焊接工艺.pdf

第4 3 卷第3 期 耄焊俄 v 1 4 3N o 3 2 0 1 3 年3 月E l e c t r i cW e d i n gM h 妇M 旺2 0 1 3 超缀蒸籀幂锈钢 翌鞠7 及藁挥接工雹 徐玉强 杨尚玉 许可望 马洪伟 王培永 海洋石油工程股份有限公司 天津3 0 0 4 5 2 摘要 超级双相不锈钢2 5 0 7 具有优良的抗腐蚀性能 较高的强度和相对低廉的价格 广泛应用于石油 天然气开发开采等富含氯离子 c O 和H s 的恶劣腐蚀环境中 介绍了超级双相不锈钢2 5 0 7 的主要睦能 讨论了2 5 0 7 钢的特点及其焊接技术 通过2 5 0 7 钢的焊接试验 并进行焊后力学 抗腐蚀性能试验以及相 比例测量分析 得出了2 5 0 7 钢的焊接工艺 正确的焊材选择 保护气体配比以及焊接工艺参数是保证 焊接接头同时满足力学和抗腐蚀性能的关键j 关键词 2 5 0 7 超级双相不锈钢 相比例 点蚀 应力腐蚀 中图分类号 T G 4 5 7 1 1文献标识码 B文章编号 1 0 0 1 2 3 0 3 2 0 1 3 0 3 0 0 0 6 一0 7 D O I 1 0 7 5 12 j i s s n 1 0 0 l 一2 3 0 3 2 0 1 3 0 3 0 2 S u p e rd u p l e xs t a i l l l e 鼹s t l2 5 0 7a n dt h er e s e a r c ho ni t sw e l d i n gt e c h l l i q u e X U Y u q i a n g Y A N GS h a n g y u X UK e w a n g M AH o n g w e i W A N GP e i y o n g O f l f s h o r eO i lE n g i n e e r i n gC o L t d T i a n j i n3 0 0 4 5 2 C h i n a A b s l r a c t T h es u p e rd u p l e xs t a i n l e s ss t e e l2 5 0 7i sw i d e l yu s e di nC l 一 C 0 2a n dH 2 Sh i g hv o l u m ec o n t a i n i n g s e v e r ec o r m s i o n e n v i m n m e n ts i n c et h ee x t r e m e l y s u p e r i o r h i g h a n t i c o n 0 s i o nr e s i s t a n c ep m p e r t i e s h 培hs t r e n g t hm e c h a n i c a lp m p e n ya n dt h e c o m p a r a t i v e l yl o wc o s t T h em a i np r o p e r t i e so ft h e2 5 0 7s t e e lh a v eb e e ni n t m d u c e di nt h i sp a p e r T h ew e l d i n gt e c h n i q u eo f2 5 0 7s t e e l h a sb e e nd i s c u s s e dh e r et h r o u g hw e l d i n gt e s t s p o s t w e l dm e c h a n i c a lt e s t c o r r o s i o nt e s ta n dm e t a l l o g r a p h i cf e 耐cr a t i om e a s u r e m e n t a n da n a l y s i s I t sc o n c l u d e dt h a t 山er i g h to fw e l d i n gm a t e r i a l s t h ec o m p o s i t i o no fs h i e l d i n ga n dp u q 画n gg a sa n ds u i t a b l ew e l d i n g p a r a m e t e r sa r et h ek e yf a c t o r st h a tt or e s u l ti ns o u n dw e l d st om e e tb o t ht h em e c h a n i c a la n da n t i c o r r o s i o nr e q u i r e m e n t s K e y 呼o r d s 2 5 0 7s u p e rd u p l e xs t a i n l e s ss t e e l p h a s er a t i o p i t t i n gc o r r o s i o n s t r e s sc o r r o s i o n J 一 O刖舌 2 0 世纪6 0 年代双相不锈钢由欧洲材料研究 人员开发 凭借着其兼有铁素体不锈钢和奥氏体不 锈钢的优点以及人类对抵抗日益恶劣腐蚀环境材 料的需求而迅速发展 双相不锈钢是指铁素体和奥 氏体各占5 0 最小相含量也要达到3 0 的不锈钢 双相不锈钢的发展历经了三个阶段 不含M o 低合 金化的第一代双相不锈钢 以2 3 0 4 为典型代表 这类 不锈钢具有一定的耐腐蚀性 但不能用于腐蚀性较 强的环境下 含M o 的标准双相不锈钢 以2 2 0 5 为典型代表 这类双相不锈钢耐蚀性能比第一代双 相不锈钢高很多 在工业界得到了广泛应用 超 级双相不锈钢 由于C r N i 含量显著高于标准双相不 收稿日期 2 0 1 3 一0 1 一0 7 作者简介 徐玉强 1 9 7 9 男 学士 主要从事工程项目管理和 焊接技术工作 锈钢 通常称为超级双相不锈钢 其中2 5 0 7 是最为 典型和工业界应用较广泛的超级双相不锈钢钢种 耐腐蚀性能比标准双相不锈钢更高 超级双相不锈钢化学成分中含有约2 5 的 C r 6 7 的N i 和3 4 的M o 其P R E 值 抗点 蚀当量 P i t t i n gR e s i s t a n c eE q u i v a l e n t P R E C r 3 3 M o 1 6 N 一般大于4 0 具有极高的抗点蚀 缝隙腐蚀 应力腐蚀 S C C 和均匀腐蚀的性能 能 够用于非常恶劣的腐蚀环境中 2 5 0 7 钢化学成分 中还含有约0 3 的N 其机械强度比标准双相不 锈钢也要高出许多 在非常恶劣腐蚀环境下 必须使 用镍基合金或钛等昂贵的金属材料 而2 5 0 7 的出现 提供了一种相对低廉的选择 随着石油天然气工业的快速发展 腐蚀造成的 经济损失和安全问题逐渐引起人们的关注 在石油 天然气开采 输送和炼化过程中 氯离子 c O 和H s 万方数据 腐蚀是油气田设备管线系统中普遍存在的严重问 题 在中海石油 中国 有限公司开发的南海乐东2 2 1 1 5 1 气田工程项目中 为应对天然气中富含的 氯离子 C O 和H S 腐蚀问题 工艺设计人员选用 了超级双相不锈钢2 5 0 7 作为海上平台井口管汇系 统的管线材料 为使焊接接头满足力学性能和设计 要求的抗腐蚀性能 进行了大量焊接试验 最终成 功掌握了2 5 0 7 的焊接工艺 1 超级双相钢2 5 0 7 的主要性能 1 1 化学成分和力学性能 双相不锈钢2 5 0 7 2 2 0 5 和2 3 0 4 的力学性能见 表1 化学成分见表2 由于铁素体的存在 双相不锈 钢的屈服强度明显高于奥氏体不锈钢 其中2 5 0 7 屈 服强度R 枷达到了5 5 0M P a 以上 双相钢与常用奥 氏体不锈钢的屈服强度对比见图l 此外 双相不锈 钢的线膨胀系数显著低于3 1 6 L 奥氏体不锈钢 略 高于碳钢 这样焊后残余应力和焊接变形相比奥氏 体不锈钢则更易控制 2 5 0 7 钢与31 6 L 不锈钢和碳 钢的线膨胀系数对比见图2 表l 双相不锈钢主要力学性能 钢种崩殿强度抗拉强度延伸率醺魔 僻棚溢豳压夔 霞棚既 矗 燮 鹰V 2 5 0 75 5 0 l 4 0 8 0 0 10 0 02 52 9 0 2 2 0 5 4 8 5 5 0 0 6 8 0 8 8 02 52 6 0 2 3 竺塑受塑垒 垒二 竺 垄 壁 表2 双相不锈钢化学成分 2 5 0 7S 3 2 7 5 0O 0 3 0 O 81 2O 0 3 50 0 1 5 笱 O 7 O4 OO 3 0 2 2 0 5S 3 1 8 0 3 O 0 3 0 1 0 2 0 0 0 3 0O 0 1 52 2 1 05 03 2O 1 8 2 3 0 4S 3 2 3 0 4 0 0 3 01 O2 0O 0 3 5O 0 1 52 2 54 5 一 O 1 0 6 0 0 5 0 0 凸 萋4 0 0 嚣3 0 0 盖2 0 0 1 0 0 O 图i S A F 双相不锈钢与常用奥氏体不锈钢屈服强度对比 蜘 碳钢 竺了 图22 5 0 7 与3 1 6 L 和碳钢线膨胀系数对比 2 0 1 0 0 1 2 相比例 双相不锈钢最合适的比例是奥氏体和铁素体 各占约5 0 但由于焊接及热加工等原因 通常需 要保证铁素体含量介于3 5 5 0 以确保强度和抗 腐蚀性能的最佳综合性能 这一点同样适用于2 5 0 7 钢 奥氏体 铁素体以及双相不锈钢典型的金相组织 如图3 所示 奥氏体铁素体 双相钢 图3 奥氏体 铁素体和双相钢典型金相组织 1 3 抗腐蚀性能 1 晶间腐蚀 由于2 5 0 7 的加 C 控制在0 0 3 0 以下 达到了超低碳水平 焊接和热加工时碳化物 析出的风险大大降低 这意味着2 5 0 7 具有很高的抗 嚣铉够彩够名垆 嬲删 7 万方数据 l 点关注重珲棱 第4 3 卷 晶间腐蚀性能 2 点蚀 不锈钢耐点蚀能力随着钢中C r M o 和 N 含量的增加而增强 由于含有较高的C r M o 和N 2 5 0 7 和2 2 0 5 双相不锈钢的P R E 值高于常用的奥氏 体不锈钢 双相不锈钢与常用奥氏体不锈钢的P R E 值对比如图4 所示 其中2 5 0 7 双相不锈钢P R E 值 一般高于4 2 5 2 5 0 72 2 0 52 3 0 46 M oA S T MA S T M 9 0 4 L3 1 6 L 图4 双相不锈钢与常用奥氏体不锈钢最小腿E 值对比 1 4 交货状态 双相不锈钢的交货状态一般为固溶退火 固溶 处理时需要快速水冷 以避免脆性相的析出 固溶 处理后还需进行退火处理 双相钢的固溶处理温度 和介质要求见表3 表3 双相不锈钢的固溶处理 j 一镌释譬2 爹薯 砑甏 糊黼灾麓謇黉徽 x 零i 鬻 激臻i 2 5 0 7l0 8 弘1 1 2 0 水 2 2 0 5l0 2 0 ll o o水 2 3 0 49 3 0 一l0 5 0 水 2 试验方法 选用巾2 7 3 1m m 9 2 7m m 直缝焊管焊接试件 3 组 用于焊后的力学性能和腐蚀性能试验 试验 过程和方法如下 2 1 焊接方法和焊材选择 2 5 0 7 钢通常采用G T A w 钨极氩弧焊 s M A w 手工电弧焊等方法焊接 为兼顾焊接质量和效率 试验中采用G T A W S M A w 的组合焊接方法 焊接 材料选用瑞典S a n d v i k 公司生产的2 5 1 0 4 L 实心 T I G 焊丝和2 5 1 0 4 L R 焊条 焊材的化学成分见表 4 其中焊材中的N i 元素含量明显高于钢材 全焊 缝金属典型力学性能见表5 正面和背面保护气体 采用妒 A r 9 8 岬 N 2 2 混合气体 保护气体中加 入N 主要有两方面作用 一是N 元素在焊缝凝固 过程中有助于奥氏体的转变从而控制两相平衡 二 是焊接过程中补充N 元素的烧损 提高焊缝区域的 抗腐蚀性能 提高P R E 值 表42 5 0 7 焊材化学成分 2 5 1 0 1 4 k0 0 2 使3 0 4 n 0 20 0 2 02 5 0 l O O4 OO 2 53 0 4 0 2 5 1 0 4 趣0 0 3 Q 毒 o 分O 0 3O 0 2 5 2 5 O1 0 O4 O0 2 53 0 4 0 表52 5 0 7 焊材全焊缝金属典型力学性能 2 5 1 0 4 o簖2 i 8 5 巍蠢1 1 6 2 5 1 0 4 腿6 4 5 8 鳓2 8 1 0 0 2 2 坡口和焊道设计 坡口型式见图5 开6 0 7 0 坡口 留1 0 1 5m m 钝边 组对间隙2 5 3 5m m 6 G 位置焊接 其中封底 和第1 道填充采用G T A W 焊接 其余填充和盖面采 用S M A W 焊接 2 3 焊前准备 采用机加工方式获得坡口 焊前 管内外侧距离 坡口面5 0m m 以内区域务必清理干净 确保无油污 图5 坡口设计 锈蚀或其他杂物存在 用丙酮清洗油污 2 5 0 7 钢和 奥氏体不锈钢一样 焊前不需预热 焊条需保存在 7 0 的保温桶中随用随取 焊接过程中注意保持焊 件和焊材的清洁 避免污染 2 4 工艺参数 为保证焊缝区域的强度和抗腐蚀性能 焊接 过程中要严格控制热输入和层间温度 其中热输 入量控制在1 5k J m m 以下 层间温度控制在1 0 0 如 加 如 加 m 0 万方数据 以下 热输入量和层间温度控制的主要目的是为盯相析出 冷却速度过快 会形成高铁素体含量的 了控制焊缝的冷却速度 一方面确保适当比例的组织 冷却速度过慢会形成盯相 焊接工艺参数见 奥氏体组织转变形成 另一方面还能避免有害的表6 表62 5 0 7 钢焊接工艺参数 8 誉樨道w i i i 雾黻秀藩瓷 懑釜寨鬃隧辫辫鬻凛籀鸶戮涵 电鞠潮艘i 黉i 德灌瀚鬻鬻瓣黼一热辘天譬胁 蠡一 封底肌 W 2 5 1 0 4 L2 0 0D C E N1 1 01 41 5 填充l G T A w 2 5 1 0 4 L 2 4 0 D C E P1 4 51 51 4 填充盖面S M A W2 5 1 0 4 L R3 2 5D C E P8 0 9 02 1 2 21 O 1 5 3 试验结果 3 1 力学试验 常规力学性能试验结果见表7 焊缝接头力学 性能试验结果满足设计要求 3 2 相比例分析 按照A S T ME 5 6 2 对焊接接头铁素体相比例进 行测量 在焊缝接头部位7 处位置选点测量 选点位 置如图6 所示 沿试件焊道一周均匀取1 0 个试样截 面 抛光刻蚀进行相比例测量 试验母材区 焊缝区 和H A z 区金相网格如图7 图9 所示 图6 相比例测量选点位置 图7 母材区金相网格 4 0 0 表7 焊接接头力学性能试验结果 A 19 6 4 母材 A 3 拿孽 一 A 7 l o 5 焊缝 61 4 7 A 4 合格一 A 81 0 5F L 4 61 3 7 A 28 5 2 母材 A 5 二 A 6 一 合格 合格 A 9l O 5凡 霪姗 1 61 5 5 A 1 0 l O 5 母材 4 61 8 l 褫蹴垆 彬施 9 万方数据 重J 蛊关注重珲拽 第4 3 卷 图8 焊缝区金相网格 l I l I O 图9H A z 区金相网格 4 0 0 依据相比例网格图分别测量母材区 焊缝区和 H A z 区中铁素体的含量 得出铁素体测量结果见表8 1 0 溉 么咿么 母材 焊缝和H A z 区的铁素体含量介于3 5 5 0 之间 满足双相不锈钢焊接的相比例要求 万方数据 表8 铁素体相比例测量结果 F N B l 4 2 O4 3 O4 0 O 3 3 腐蚀试验 3 3 1 氯离子点蚀试验 金属材料在含氯离子盐溶液中将发生电化学 腐蚀 如3 1 6 L 在氯离子环境下服役经一段时间即 发生明显点蚀 故3 1 6 L 不锈钢一般不用于富含氯 离子的场合 按设计要求 对2 5 0 7 钢抗氯离子腐蚀 性能进行试验 按照A S T MA 9 2 3 试验方法C 试验 后观察试样表面并测量失重 采用2 5m m 5 0m m 的 试样 焊缝位于长度方向的中间部位 通过机加工 方式获得 经研磨和抛光处理使表面达到一致光 洁度 将试样放人配制好的P H 值为1 3 浓度6 的 F e C l 溶液中 4 0 恒温保持2 4h 取出后清理 清 洗 吹干 干燥和称重 试验结果见表9 表92 5 0 7 钢焊接接头氯离子点蚀试验结果 C l4 9 7 7 2 5 1 8 6 7 l35 1 2 2 56 6 6 5 746 6 6 5 641 O2 8 5 C 2 搬澎 2 5 1 叙6 6 9 35 0 1 5 5 6 6 3 6 7O6 6 3 62 46 8 5 毫盎 C 3 穆 7 9 2 5 1 9 6 6 6 35 0 7 1 56 6 1 8 5l6 6 1 8 42 O 92 5 7 根据试验结果 氯离子腐蚀试验后试样表面应 无点蚀蚀坑存在 腐蚀速率小于1 0m d d 满足设计 要求 以上焊缝接头在4 0 富氯离子的环境下抗点 蚀性能良好 3 3 2 应力腐蚀S C C 试验 C O 的腐蚀机理是C O 溶于水生成碳酸在金 属表面发生电化学反应所导致的金属腐蚀行为 H S 的腐蚀机理主要是酸性环境所导致的化学腐 蚀 这类腐蚀行为在应力的诱导下会加剧 导致应力 腐蚀S C C 按照A S T MG 3 9 取样进行C 0 2 和H 2 s 两种介质下的应力腐蚀试验 采用四点弯加载形 式 试样加载如图1 0 所示 将试样放入配制号的含 1 0 N a C l 和O 5 c H 3 C O O H P H 值为4 5 的溶液 中 分别通人c O 和H 2 S 气体 分压1 0k P a 5 0 恒 温保持16 8h H 2 S 应力腐蚀试验方法与c O 应力腐 蚀试验的不同在于H 2 S 应力腐蚀试验要给试样加 上一8 5 0m V 的电位 试验完成后将试样取出 卸载 经着色探伤 试 样表面未见裂纹 将试样从中间截面处剖开 在体 式显微镜下观察其截面情况 试样截面未发现应力 腐蚀裂纹 如图1 1 所示 C O 和H S 应力腐蚀试验后 通过着色探伤和体 式显微镜观察 试样表