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摘要：近年来，核电站建设得到了迅猛发展，在设计上也逐步优化改进，许多新型的材料不断应用到核电安装施工中，涉及到了这些新材料的焊接。如双相不锈钢，因其有良好的抗晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀的性能，使用到海水介质环境中的管道，安装需焊接连接。本文通过某核电站中的S32750双相不锈钢管安装中的焊接工艺的分析和应用，阐述了S32750双相不锈钢的焊接要点，为后续核电工程的安装提供借鉴作用。
关键词：双相不锈钢；焊接性；S32750；α相；γ相；核电
1、双相不锈钢简介
双相不锈钢（Duplex Stainless Steel），指具有铁素体（α相）+奥氏体（γ相）双相组织，且两相组织含量基本相当，较少相的含量一般至少也要达到30%的不锈钢。在含C较低的情况下，一般Cr含量在18%～28%，Ni含量在3%～10%，有些钢还添加有Mo、Cu、Nb、Ti、N等合金元素。该类钢兼具了奥氏体和铁素体不锈钢的优点，保持了铁素体不锈钢的475℃脆性、导热系数高、具有超塑性、磁性、强度高等特点，也有比与奥氏体不锈钢更优良的耐腐蚀性能，特别是介质环境比较恶劣（如海水，氯离子含量较高）的条件下，双相不锈钢的抗点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性能明显优于普通的奥氏体不锈钢。由于其特殊的优点，在某些特殊环境，得到了越来越广泛的应用。我国新标准GB/T 20878-2007《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》也加入了许多双相不锈钢牌号，如： 14Cr18Ni11Si4AlTi、022Cr19Ni5Mo3Si2N、00Cr25Ni7Mo4N等。双相不锈钢按其化学成分，可分为四类：
第1类属低合金型，代表牌号UNS S32304（23Cr-4Ni-0.1N），成分中不含Mo，耐点蚀当量PREN值为24-25，在耐蚀性能可代替ASTM304或316。
第2类属中合金型，代表牌号是UNSS31803（22Cr-5Ni-3Mo-0.15N），PREN值为32-33，其耐蚀性能介于ASTM 316L和6%Mo+N奥氏体不锈钢之间。
第3类属高合金型，代表牌号UNSS32550（25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N），一般含25%Cr，还含有Mo和N，有的还含有Cu和W，PREN值达38-39，这类钢的耐蚀性能高于22%Cr的双相不锈钢。
第4类属超级双相不锈钢型，含高Mo和N，代表牌号UNSS32750（25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N），有的也含W和Cu，PREN值大于40，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，媲美于超级奥氏体不锈钢。
2、双相不锈钢的焊接特点
双相不锈钢的焊接性能兼具了奥氏体和铁素体不锈钢的优点，与铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢相比，它既不像铁素体不锈钢的焊接热影响区由于晶粒严重粗化而使塑韧性大幅降低，也不像奥氏体不锈钢那样对焊接热裂纹比较敏感。在焊接这种钢时裂纹倾向很低，不须预热和焊后热处理。由于母材中含有N，焊接近焊缝区不会形成单相铁素体区，奥氏体含量一般不低于30%，适用的焊接方法有钨极氩弧焊和焊条电弧焊等。一般为了防止近焊缝区晶粒粗化，施焊时，应尽量使用低的线能量焊接。
3、S32750焊接工艺分析
3.1 S32750主要性能
在某核电站循环水系统中主管道都使用了衬塑材料，有效避免海水直接接触金属引起的腐蚀，但在系统引出的部分支管中，如仪控的管道，使用了奥氏体不锈钢316L的材质，在运行中受到了海水的侵蚀较为严重，因而，在后续改进设计中，将由奥氏体不锈钢316L更改为双相不锈钢S32750，以适应其复杂的海水腐蚀环境。S32750是美标材料，相当于国内牌号00Cr25Ni7Mo4N，属于第4类超级双相不锈钢，其化学成分如下表1所示：
由于该钢Cr和Mo的含量都很高，因此具有极好的抗点腐蚀，晶间腐蚀和均匀腐蚀的能力，双相显微组织（如图1）保证了该钢具有很高的抗应力腐蚀破裂的能力和机械力学性能（如表2）。
3.2 焊接时主要影响因素
影响双相不锈钢焊接质量的因素主要体现在以下几方面：
?含N量影响
根据国外文献研究结果表明：双相不锈钢焊缝金属中含 N 量提高后可以改善接头的冲击韧性，这是由于增加了焊缝金属中的γ相含量，以及减少了Cr2N 的析出，降低了氢脆倾向。S32750加入了较高的N（0.24-0.32%），焊接时也应保证焊缝金属含有相应的N含量，才能匹配其与母材的金属性能，因此应选用对应N含量的焊接材料。
?σ相影响
相关文献介绍了过热引起的双相不锈钢及其焊缝金属的σ相脆化问题。母材和焊缝金属的过热过程中，先由α相形成细小的二次奥氏体γ*，然后析出σ相。结果表明，脆性开裂都发生于σ相以及基体与σ相的界面处，对母材断口观察表明，在σ相周围区域内都为韧窝，由于α相区宽，大量生成的σ相才会使韧性降低，然而在焊缝中α相区是细小的，断口仍表现为脆性断裂，只要少量的σ相生成就足以引起焊缝金属韧性的降低，因此，S32750双相不锈钢焊接时需控制焊接时的层间温度，避开过热区间（475℃），从而避免σ相的生成。
?焊接热输入影响
S32570双相不锈钢焊接时，与焊缝区不同，焊接时热影响区HAZ的ω（N）是不会发生变化的，它就是母材的ω（N），所以此时影响组织和性能的主要因素是焊接时的热输入，根据相关文献，维持双相不锈钢焊接接头（焊缝金属和焊接HAZ）的两相比例，尤其是焊接HAZ维持必要的奥氏体数量，对保证焊缝接头的性能特别重要。焊接线能量过小，焊缝金属及热影响区的冷却速度过快，奥氏体来不及析出，从而使组织中的铁素体相含量增多，造成淬硬组织并易产生裂纹，对HAZ的冲击韧性同样不利；焊接时如果热输入过大，焊缝热影响区范围增大，尽管金相组织中能形成足量的奥氏体，但也会引起HZA的晶粒长大以及σ相等有害相的析出，金相晶粒粗大、紊乱，造成脆化，主要表现为焊接接头的塑性指标下降。另外，耐点蚀是双相不锈钢的一个重要特性，与其化学成分和微观组织有着密切关系。点蚀一般产生于α/γ界面，因此被认为是产生于γ相和α相之间的γ*相。这意味着γ*相中的含Cr量低于γ相。γ*相与γ相的成分不同，是由于γ* 相中 的Cr 和Mo含量低于初始γ相中的Cr、Mo含量，因而产生点蚀电位，特别是含N量较低的双相不锈钢。虽然S32750的N含量较普通双相不锈钢高，点蚀电位产生的敏感性较小，但仍需控制好焊接冷却速度以保证其耐蚀性能，因而在焊接过程中，控制焊接线能量，保证合理的冷却速度区间，仍是获得高质量双相不锈钢接头的关键。
4、焊接工艺评定
4.1 焊接方法
由于实际涉及焊接施工的S32750管道为管径60mm以下的小管，因而焊接方法选用了受焊接位置制约较小的手工氩弧气体保护焊（GTAW），选择φ26.7×5.56的管子做焊接工艺评定试件，单面焊。
4.2 焊接材料
选用与S32750材质相匹配的焊丝ER2594（AWS A5.9），直径规格φ2.4，其成分如表3所示：
4.3 焊接机具
采用IGBT直流逆变焊机。
4.4 焊接环境条件
1）风速不大于2m/s，当超过规定时，应有防风设施；
2）焊接电弧1m范围内的相对湿度应不得大于90％；
3）焊件温度大于-20℃；
4.4 焊接工艺参数
?焊接电流：70-100A，在保证熔合情况下，使用电流往下限靠；
?焊接电压：9-12V；
?保护气体：99.99%的氩气，背面做氩气充气室保护，气体流量9-12L/min；
?层间温度控制：层间温度控制尤其重要，需控制≤150℃，并且由于管径小而薄，焊接时须分区对称施焊，采用大摇摆焊接手法，防止温度聚集而进入过热区间过长引起氢脆。
4.5 焊接工艺评定结果
按DL1117《核电厂常规岛焊接工艺评定》要求，对试件进行了相关力学性能试验，结果如下表4所示，均符合要求；金相试验中（如图2，腐蚀溶液为王水），焊缝及热影响区的组织均为奥氏体+铁素体，无其他有害相析出，焊缝区铁素体平均含量为33.1%，热影响区的平均含量为42.1%，满足铁素体含量30％～60%的要求；晶间腐蚀（腐蚀溶液为硫酸-硫酸铜溶液）试验，无腐蚀裂纹产生。
5、工艺实施结果
按照上述评定合格后的焊接工艺，现场施工进行了φ56×11，φ25×7，φ14×2，φ16×3等多种规格的S32750双相不锈钢的焊接，焊接一次合格率达100%，目前已投入机组运行，后续无异常腐蚀现象产生。
6、结语
S32750双相不锈钢属于较新的材料，需要熟悉了解双相不锈钢的焊接规律，不能全部套用奥氏体不锈钢的焊接，双相不锈钢的设备能否安全使用与正确的焊接工艺有很大关系。维持焊接接头（焊缝金属和焊接HAZ）的两相比例，尤其是焊接HAZ维持必要的奥氏体数量，这对保证焊接接头具有与母材同等的性能很重要，其关键在于避免有害第三相的产生，一是要严格控制焊接线能量和层间温度，正确选择焊接材料，以控制冷却速度，而是要保证焊接金属焊接前的表面清洁度，防止污染，特别是铁离子，打磨时应使用不锈钢专用的砂轮片，可有效防止焊接过程中第三相的产生。
参考文献：
[1]吴玖．双相不锈钢及超级双相不锈钢的现状及发展[Z]．北京：中国机械工程学会，2002
[2]许适群.双相不锈钢的焊接[J].石油化工腐蚀与防护.2007
[3]Kuroda T，Lundin C D. Hydrogen cracking ofduplex stainless steel weldment[M].1993
论文作者:张志权
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/8/10
标签：不锈钢论文; 奥氏体论文; 含量论文; 性能论文; 金属论文; 牌号论文; 组织论文; 《基层建设》2016年11期论文;