2507超级双相钢焊接工艺分析及其在中压分解塔中的应用

 浙江至德钢业有限公司通过对2507超级双相钢的焊接性能进行分析并制定焊接工艺，工艺评定合格后应用于中压分解塔的制造。结果表明，该工艺方法合理、可行，施焊效果良好，确保了中压分解塔的焊接质量，各项试验结果符合设计技术要求。

一、概述

  2507超级双相钢在固溶状态下由奥氏体和铁素体组成，具有屈服强度高、韧性良好、疲劳强度高和耐腐蚀性好等优点。因此，2507超级双相钢在石油化工设备、海水处理设备和输油输气管线等腐蚀性能要求较高的工业领域获得越来越广泛的应用。

  中压分解塔是尿素装置中的关键设备之一，介质为甲铵液、氨气和二氧化碳，工作压力1.7MPa，工作温度160℃，材料选用2507，封头规格为EHA2600mm×20mm，筒体规格为φ2600mm×18mm，锥壳规格为φ2600mm/φ472×18mm，主体结构如图所示。

二、2507超级双相钢焊接关键点分析

 1. 焊接性分析

  2507超级双相钢具有良好的焊接性能，其铬和镍含量高于2505双相钢，与奥氏体不锈钢相比，焊缝的热裂纹倾向低，与铁素体不锈钢相比，焊缝焊后状态的脆化程度低，而且热影响区单相铁素体相的粗化程度也比较低。由于2507在中温有脆性相析出倾向，焊接时应避免过大的热输入，尽量用小电流、高速焊、窄焊道和多道焊工艺，防止热影响区晶粒粗化和单相铁素体化。在焊缝金属开始凝固时，形成几乎是全铁素体组织，进一步冷却则在铁素体晶界开始形成奥氏体相，转变成奥氏体相时伴随着产生两相之间铬、镍、钼和氮元素的重新分配。由于冷却速度决定了可转变成奥氏体的铁素体数量，因此在高温受热后的冷却速度将直接影响相平衡。由于2507含碳量低、热裂倾向小，焊前不需要预热。

 2. 关键技术分析

  焊接接头的力学性能及耐腐蚀性能取决于铁素体相与奥氏体相的比例，铁素体含量过低将导致材料强度、抗应力腐蚀开裂能力下降，铁素体含量过高则对耐腐蚀性能和冲击韧性不利，当比例接近于50%时综合性能最好。在焊接过程中如何保证焊缝和热影响区均保持适当的两相比例，成为2507焊接的关键技术问题。当焊缝在800~1000℃范围停留超过1分钟，在焊缝和热影响区可能形成σ相或氮化物相，这些组织可能造成力学性能和耐腐蚀性能降低，所以在焊接过程中控制层间温度非常关键。

三、焊接工艺评定

 1. 焊接材料的选择

  综合考虑焊缝的强度、韧性及耐腐蚀性，一般选择与母材成分相近的焊材，本次选用国产焊材E2594-16，化学成分和力学性能见表所示。从表可以看出，E2594-16焊材的铬、镍和钼含量比母材2507略高，氮含量比母材2507略低。从表中可以看出，焊材的抗拉强度比母材高，延伸率比母材低。

 2. 焊前准备

  焊接工艺试板选用500mm×250mm×18mm。

  a. 坡口选择

  此试样选择V型单面坡口，坡口角度α=60±5，钝边p=2±1mm，间隙b=2±1mm，坡口的加工宜采用机械方法。

  b. 坡口清理

  焊前清理坡口两侧内、外表面各50mm范围内油污、铁锈、水和其他影响焊缝性能的杂物，直至露出金属光泽。

 3. 焊接工艺评定参数制定

  焊接方法及参数如表所示，焊接线能量控制在0.2~1.5kJ/mm，保护气体采用98%Ar+2%N 2，正面气体流量8~10L/min，背面气体流量10~12L/min，保护气体中加入氮气主要有两方面作用，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。层间温度控制在100℃以内。

 4. 焊接工艺评定结果

   a. 外观检查及无损检测

  焊缝外观检查合格后，经100%PT按NB/T 47013.5-2015Ⅰ级合格，经100%RT按NB/T47013.2-2015Ⅰ级合格。

  2. 力学性能试验

  对焊接接头进行力学性能试验，试验结果满足设计要求，如表所示。

 3. 相比例检测

  按ASTM E-562标准测试焊接接头相比例，其中母材、焊缝及热影响区的铁素体含量为47.5%~53.5%，测试结果满足设计要求。

 4. 腐蚀试验

  按ASTM-A262标准B法检测焊接接头的晶间腐蚀敏感性，在硫酸铁-50%硫酸溶液中煮沸120小时，试验结果如表所示。

  从表可知，试样平均腐蚀速率分别为0.2325g/m 2·h和0.2300g/m 2·h，均低于标准要求的1.6g/m 2·h，抗晶间腐蚀性能良好。

  按ASTM G46-2005标准进行选择性腐蚀试验，任何方向上的腐蚀深度不超过100μm，经测量腐蚀深度最大处为19μm，试验结果满足设计要求，如图所示。

四、2507焊接工艺在中压分解塔中的应用及难点分析

 1. 2507焊接工艺在中压分解塔中的应用

  工艺评定合格后应用于中压分解塔的制造。筒体段由五个筒节组成，共六道环缝，各筒节有一道纵缝，锥段共二道环缝，环、纵缝经100%RT检测，按NB/T47013.2-2015Ⅱ级合格要求，一次合格率达到98%。

 2. 难点分析及措施

  在制造过程中容易出现下述问题其解决措施如下：

  a. 层间温度和热输入量容易超标极低的热输入容易导致熔合区和热影响区铁素体含量过高，相应降低韧性和耐蚀性。极高的热输入会增加形成金属间相的危险。解决措施是安排专人使用红外线测温仪及时监控层间温度。

  b. 氩弧焊打底时气体保护措施不到位，气体保护措施不到位，焊缝有过热及氧化现象。解决措施是保证氩气和氮气纯度及比例，设计专用气体保护罩，如图3所示。

  c. 焊缝容易存在夹渣缺陷 ，在组装过程中，圆度和组对间隙不易控制，焊道之间打磨不干净容易导致局部夹渣缺陷。解决措施是通过打磨去除缺陷，表面100%PT检测合格后按返修焊接工艺补焊，重新RT检测，按NB/T47013.2-2015要求Ⅰ级合格。

  d. 角焊缝焊渣清理时容易产生表面损伤，采用细磨方法去除焊渣，不宜采用旋转电动刷，因为表面容易形成细微裂缝。2507强度高，表面应力大，表面缺陷容易诱发开裂。不能随意引弧，任何飞溅点应清理干净。

五、结语

  浙江至德钢业有限公司通过对2507超级双相钢的焊接性能进行分析并制定焊接工艺，工艺评定合格后应用于中压分解塔的制造。结果表明，该工艺方法合理、可行，施焊效果良好，确保了设备的焊接质量，总结了实际施工过程中常见问题及解决措施。