超级奥氏体不锈钢254SMo焊接工艺

作者:徐玉强;赵翠华;马洪伟;刘伯胜;王培永 刊名:电焊机 上传者:周日东

【摘要】超级奥氏体不锈钢254SMo由于其优良的抗点蚀性能和相对低廉的价格而被广泛应用于富卤离子的海洋环境中。主要讨论了254SMo钢的特点及其焊接技术,通过254SMo钢的焊接试验,并进行焊后力学和腐蚀性能试验,以及对金相组织的定性定量分析,得出了254SMo钢的焊接工艺。正确选择焊材和合理的焊接参数是保证焊接接头同时满足力学和抗腐蚀性能的关键。

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奥氏体不锈钢最早于20世纪初由德国材料研究人员首先开发出来,之后随着人类对抵抗日益恶劣腐蚀环境材料的需求,新的抗腐蚀钢种不断涌现。超级奥氏体不锈钢就是在这种情况下出现的,这类不锈钢中的Cr、Mo、N含量显著高于常规奥氏体不锈钢,其中比较著名的是含6%Mo的钢,通常称为6Mo钢。6Mo钢的化学成分中均含有w(Cr)=20%、w(Mo)=6.0%和w(N)=0.20%,其PRE(PittingResistanceEquivalent,PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%)值一般大于40。这类不锈钢的共同特点就是它们都具有非常优良的抗点蚀能力,广泛应用于海水等富含卤离子的工业处理设备中。S31254是6Mo钢家族中常用的一种,其他还包括S31726、N08904、N08926、S31266等。即使是高合金的不锈钢,在含有卤离子如氯化物和溴化物等的溶液环境中,其适用性也极为有限。在这些环境下,通常必须使用镍基合金或钛等昂贵的材料,而S31254的出现提供一种相对低廉的选择。由于这类钢具有较高的氮含量,其机械强度比其他种类的奥氏体不锈钢高。254SMo是瑞典Avesta和Sandvik公司的注册商标,同时也是工业界最为广泛应用的S31254钢种。在中海油与美国康菲石油公司合作开发的蓬莱19-3油田工程项目中,设计方FluorDaniel公司选择了254SMo作为海上平台注水系统的管线材料。为使焊缝接头满足力学性能和抗腐蚀性能要求,进行了大量焊接试验,最终掌握了254SMo钢的焊接工艺。1试验方法为验证焊接工艺的适用性,选用60.3mm5.54mm(试验管1)和168.3mm11mm(试验管2)两种规格的254SMo钢管各焊接一个试件,并在焊后进行力学和腐蚀性试验。1.1焊材选择254SMo钢可采用钨极氩弧焊、手工电弧焊和埋弧焊等多种焊接方法焊接,但最为常用的仍然是钨极氩弧焊,即根据工程实际选用了钨极氩弧焊。当使用化学成分匹配的焊接材料焊接254SMo钢时,易出现两大弱点:第一,由于焊接热过程的影响,使熔合区的奥氏体组织中合金元素严重偏析,特别是直接影响焊缝接头抗腐蚀性能的Cr、Mo和N元素将向枝晶晶间聚集,而晶核内的合金含量剧减,使这些区域成为抵抗腐蚀的薄弱环节。第二,由于熔池在奥氏体区域结晶,使焊缝区域和HAZ区有较大的热裂纹倾向。基于以上两点,254SMo钢的焊接通常不推荐选用化学成分与母材相匹配的焊接材料。由于元素Mo能够显著提高抗腐蚀性能,同时又能降低热裂倾向,通常情况下应选用富Mo的Ni基合金焊材,其中比较常用的是ERNiCrMo-3。选用某焊材厂生产的TGS-61(型号ERNiCrMo-3)实芯氩弧焊丝。焊丝的化学成分如表1所示。正面和背面保护气体全部采用纯度大于等于99.99%的Ar气。1.2母材试验管材为瑞典Sandvik公司生产的254SMo钢管,交货状态为固溶处理,母材的化学成分和力学性能分别见表2和表3。1.3坡口设计坡口型式见图1,开60坡口,留1~1.5mm钝边。图1坡口型式1.4焊前准备坡口通过机加工方式获得。焊前,管内外侧距离坡口面50mm以内区域务必清理干净,确保无油污、锈蚀或其他杂物存在(用丙酮清洗油污)。超级奥氏体不锈钢和常规奥氏体不锈钢一样,焊前无需预热。1.5工艺参数为保证焊缝区域的抗腐蚀性能,同时防止产生热裂纹,焊接过程中要严格控制热输入和层间温度。热输入量控制在2.0kJ/mm以下,层间温度控制在150以下。焊接工艺参数见表4。2试验结果2.1力学试验力学性能试验结果见表5。力学性能试验全部合格,焊缝接头强度和

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