2205双相不锈钢的焊接工艺规程.docx

1、2205双相不锈钢的焊接工艺规程2205 双相不锈钢的焊接工艺规程1绪论随着工业技术的日益发展，一般奥氏体不锈钢难以满足应力腐蚀、点腐蚀 和缝隙隧洞式腐蚀的要求。为此，冶金工作者进行了大量研究，研制出奥氏体 铁素体型不锈钢，即双相不锈钢。传统的奥氏体不锈钢在晶间腐蚀、应力腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等局部腐 蚀方面的抗力不足，尤其是应力腐蚀引起的断裂，其危害性极大。双相不锈钢 是近二十年来开发的新钢种。通过正确控制各合金元素比例和热处理工艺使其 固溶组织中铁素体相和奥氏体相各约占 50，从而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

2、不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点。所谓双相不锈钢是在其固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半，一般量少相的含量也需要达到 30%在含C较低的情况下，Cr含量在18%-28% Ni含量在3%- 10%有些钢还含有 Mo Cu、Nb、Ti , N等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不 锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊 接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的 475C脆性以及导热系数高，具 有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间副食和耐氯化物应力腐 蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。由于两相组织的特点

3、， 通过正确控制化学成分和热处理工艺， 使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点，它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，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迅速， 80年代以来已成为和马氏体型、奥氏体型和铁素体型不锈钢并列的一个钢类。上世纪30年代就已在瑞典的试验室中研制出双相不锈钢（ 3RE60 Uranus50等），但是双相不锈钢真正产业化还是在上世纪 60年代以后，其发展经历了 3代历程。1.1我国双相不锈钢的应用双相不锈钢是根据石油化工中强酸强碱造成的局部点蚀、应力腐蚀以及孔穴式腐蚀现象，一般

4、不锈钢难以胜任的容器、管道以及零部件等而研制的，但由于 双相不锈钢除具有很强的各类抗腐蚀性能之外，还具有很好的强度和韧性，为 此，在一般民用工程和能源交通方面也逐步得到越来越多的应用，如桥梁、飞 机、船舶、汽车以及沿海城市和化工区的装饰建筑等。1.1.1石油和天然气工业这是国外应用双相不锈钢的主要领域之一，目前铺设的油气输送管线已有1000km。国内只有南海油田少量使用，全部进口。另外，西气东输工程西起塔里木 盆地的集气管线考虑要用双相不锈钢焊管，国内已有条件生产和制造。炼油工业是最早使用国产双相不锈钢的部门，在南京，镇海，天津，济南等炼化公司多集中用在常减压蒸馏塔的塔顶衬里（或复合板）、塔内

5、构件、空冷器和加工能力为水冷器等，最长的已使用20年。镇海炼化公司是我国最大的炼油基地,1600万t，进入世界百强，冷凝冷却系统中多套设备使用双相不锈钢。这一领域涉及的范围很宽， 工况情况复杂，介质多种多样，也是使用双相不锈钢较早和较多的领域。 甲醇是重要的能源化工原料， 2002年国内产量210万t，进口量与此相当，国产缺口很大，当然也有少量（数千吨）出口韩国，目前 20万t的大型和多套10万t以下的中小型的甲醇合成反应器的触媒管都是采用双相不锈钢，大 中型装置采用2205钢管，使用进口管较多，小型装置多采用 18-5Mo型国产钢管。齐鲁石化公司氯乙烯装置的氧氯化反应器中的冷却蛇管的介质条件

6、（ HCI，水蒸气）苛刻，目前已使用进口的 2205双相不锈钢，使用结果有待观察。上海石化公司乙烯装置的催化剂再生冷却器采用国产类似DP3钢的 00C25Ni7Mo3WCu双相不锈钢做海水冷却器管，海水出口温度 40C，至今已间歇使用15年，效果很好。 河南煤化工厂的粉煤气化装置的数台冷却器都是采用进口2205钢管制造。1.1.2化肥工业尿素工业也是最早使用国产双相不锈钢的部门，装置中含氯离子水的换热设 备使用得较多，例如尿素装置中 CO21缩机三段冷却器原使用 304L奥氏体不锈钢管束，I个月后即因应力腐蚀破裂而泄漏，双相不锈钢可用 5年以上，随后一、二段冷却器也都换用了 18-5M域220

7、5双相不锈钢。由于双相不锈钢在尿素介质中有良好的抗腐蚀疲劳性能，很适合制造尿素生产的关键设备一一甲按泵泵体。国产的 00Cr25Ni6Mo2N钢可以通过Huey法的晶间腐蚀倾向检验，己用于黑龙江化肥厂、洞庭氮肥厂（五柱塞式）等大型化肥厂。国内中小化肥厂的甲按泵泵体基本上采用 18 - 5M0钢制造，也有数十家采用的是高铬含铅双相不锈钢。此外这种钢的泵阀锻件通过了日本 JIS G0573、G0591硝酸法和硫酸法的检验，批量出口日本，价格要比日本当地生产的便宜。此外，采用国产 OCr25Ni6Mo3CuN寸效强化双相不锈钢，禾用其耐磨损腐蚀性能，用于尿素装置主工艺管路多种规格的高压截止阀的内件等

8、，效果不错。1.1.3运输业最近几年海上化学品运输船行业是国外最大的双相不锈钢用户，消费量约占热轧板的50%。化学品船装载的液体货物多种多样，包括化学和石化产品，食品等，要求船舱材料既能耐腐蚀， 又有高的强度。如今2205双相不锈钢已代替316L和317L奥氏体不锈钢，成为海上化学品船的标准用材。国内在这方面刚刚起步，中国长江航运集团青山船厂采用欧洲建造标准，使用进口的2205钢板，自行制造成功第一艘 18500t化学品船，钢板消耗量约 1200t，己出口比利时。实现了我国用双相不锈钢建造化学品船零的突破，该厂已形成规 模生产能力。1.1.4造纸和制盐轻工业由于双相不锈钢在中性氯化物溶液中有较

9、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， 20万-30万t制盐厂的大型盐水和芒硝蒸发罐采用了双相不锈钢的衬里和复合板，解决了设备结盐垢和腐蚀问题，最长的已有 10年的使用历史。双相不锈钢用于大型真空制盐装置，国内已有成熟的经验。在制纸浆和造纸业领域，国内几乎是空白，硫酸盐蒸煮法仍多采用低碳钢制 造的蒸煮锅，而国外早已普及使用双相不锈钢的蒸煮、 漂白等设备，目前国内也有引进，但数量极少。综上所述，可以看出国内双相不锈钢的使用是有一定局限性的， 像国外大量使用双相不锈钢的诸如纸浆和造纸工业、 油气工业、运输业、甚至建筑业几个大的领域我们涉及得不多，

10、有的还只是刚刚开始。根据国情，利用双相不锈钢的性能优 势，今后除继续扩大在化工和石化等领域的应用外，结合纸浆和造纸工业的技术 改造需要开发在这一领域中的应用，至于油气管线目前很难推广，双相不锈钢的 价格是太高了但是制造有关油气田需要的耐氯离子和硫化氢的装置像集气管线和 换热设备等还是可以采用双相不锈钢，甚至超级双相不锈钢的。海上运输业的发 展，化学品船制造业方兴未艾，需要大量大张的钢板，这一缺口有待填平补齐。至 于在建筑业方面的应用，至今还完全未涉及，其实滨海的城市雕塑景观和开发 2304钢用于民用热水器方面完全可代替 304和316奥氏体不锈钢。1.2双相不锈钢的优势及应用1.2.1与奥氏体

11、不锈钢相比，双相不锈钢的优势如下：1）屈服强度比普通奥氏体不锈钢高一倍多， 且具有成型需要的足够的塑韧性。采用双相不锈钢制造储罐或压力容器的壁厚要比常用的奥氏体减少 30-50%，有利于降低成本。表1-2部分双相不锈钢的牌号及化学成分 （质量分数）钢号国别CCrNiMoMnSi其他第13RE60瑞典0.0318.54.92.7 2.0代Uranu s50芬兰0.0421.56.51.5Cu:1.0-2.0SAF2205瑞典0.0322.05.53.0 2.0 0.8DP-3日本0.0325.06.53.5W:0.4-Cu:0.20-0.80第2代08X21H6M2T1俄罗斯 0.0821.07

12、.52.0Ti:0.2-0.40Cr21Ni5Ti中国0.0622.05.8- 0.8 0.8Ti:5SAF2507瑞典0.0325.57.04.5Cu:0.50第3代DP-3W日本0.0325.07.63.0W:0.4Cu:0.800Cr26Ni5Mo3中国 0.0826.55.03.0 1.5 40200奥氏体+铁素体SAF2205950-1100。C固溶、水冷或快冷550-580750-78030220DP-3W560-590760-780202700Cr26Ni5Mo2400-450620-65020250铁素体00Cr18Mo2800-1050。C退火、快冷250-270420-45

13、030200双相不锈钢具有很强的抗局部孔蚀、点蚀和缝隙孔穴式腐蚀的能力，主要是由化学成分中的Mo N等元素起的作用。经多年研究，建立了一个抗孔蚀当量指数PREN( PREN=o 6+3.3 co Mo+16 co N)来评价，其值越高，抗局部孔蚀的能 力越强。双相钢的一个显著特点就是其双相组织。除此之外 ，还常伴有其他相组织的产生，这些次生相也或多或少的影响钢材的性能。对双相钢来说 ，特殊的合金元素组成是保证构成双相及各相比例的基础 ，通过主要元素的含量，可以预测金相组的相比例。目前,国际上使用较多的是美国焊接研究会 WR提出的WR一92组织图(见图3-1)表3-3部分奥氏体钢及双相不锈钢的成

14、分及 PRENS组织钢种化学成分（质量分数）%)PRENCCrNiMoN奥氏体308L0.03201020316L0.031812225双相不锈钢22050.0322530.15342550.0325630.203825070.0325740.2542161412A奥氏体；AF 奥氏体一铁素体；FA一铁素体一奥氏体;F 一铁素体；Creq= Cr % +Mc% +0.7 x Nb%Nieq=Ni % +35 x C% +20 x N% +0.25 x Cu%从图3-1可看出,铬、铂、妮是主要的铁素体相形成元素 ,而镍、碳、氮、铜是主要的奥氏体相形成元素。改变这些元素的含量 ，即可改变固溶组织中

15、的相比例。除了不同元素的组成及比例影响相比例外 ，热处理也将在一定程度上影响相的比例。双相钢在高温下 （1300 C以上），呈现单一的高温铁素体组织 ,即S相。于a相与丫相的生成条件、速度不同 ，因而不同的冷却起点温度及冷却方式速度会使a相与丫相有不同的最终比例 ，而且其组织特征也不同。其实 ，热处理对相比例的影响是有限的，但对二次相（对钢材性能的影响比较大 ）的生成才是至关重要的常用的双相钢常会在冷却过程中出现二次相。主要的二次相有二次奥氏体、 碳化物、S相 、x相、R相等。1） 二次奥氏体（丫 2）。双相钢冷却时会在铁素体相中析出丫 2。丫 2相具有一定的奥氏体相特征，会促进C相的生产。2

16、） 碳化物（M23Q）的存在不利于钢材的耐蚀性。快速冷却可避免 M23C6的生成。3） S相硬而脆，可显著降低钢材的塑性和韧性。S相富含铬 ,使其周围因铬而耐腐蚀性降低。鉴于此 ，S相是一种危害最大的二次相。以急冷方式快速通过该温度区间，可有效避免S相的产生。4） x相、R相、都是在一定的温度区间 （550 C -750 C ）析出的金属间相,富铬和钼,硬而脆，易降低钢材的耐腐蚀性。但与S相相比 ，析出的量较少，因 此其危害低于S相。3.1.3耐腐蚀性能开发双相钢就是解决奥氏体不锈钢腐蚀开裂性能的问题 ，并同时获得高强度。（1）均匀腐蚀。一般来讲，双相组织并不利于钢材耐电化学腐蚀 ，因为可能体

17、，但有时比奥氏体还好。在有机酸中 ，它和奥氏体不锈钢一样都具有良好的耐腐蚀性。在碱液中，其耐腐蚀性相对较差些。(2)孔蚀是一种局部腐蚀，也是不锈钢最有害的腐蚀型式之一 ，它往往成为应力腐蚀开裂和疲劳腐蚀开裂的根源。目前比较流行的是通过孔蚀指数 (PREN)来评价钢材的耐孔蚀性能。即将耐孔蚀的几个主要元素折合成铬含量的当量 ，通过铬含量的当量(PREN)来判断钢材的耐孔蚀性能 ：PREN=Cr% +3.3xMo % +16xN%因此，对于钢材的抗孔蚀性能，除了考虑其值外，还要在生产过程中力求避免相的 生成，减少金属夹杂物。(3)晶间腐蚀。双相钢几乎不发生晶间腐蚀敏化 ，即使是在焊后空冷条件下。(

18、4)应力腐蚀。双相组织的存在，使得双相钢抗应力腐蚀开裂的性能要优于 奥氏体不锈钢及铁素体钢。总的说来，双相钢的抗均匀腐蚀性能、抗孔蚀性能、抗缝隙腐蚀性能与奥氏 体不锈钢相比并没有优越太多 ，但其抗晶间腐蚀性能、抗应力腐蚀性能则明显优于奥氏体不锈钢。3.1.4力学性能1)强度。在双相钢中，由于铁素体相约占二分之一 ，故其强度明显高于奥氏体不锈钢。双相钢的强度比奥氏体不锈钢高约三分之一。2)塑性和韧性。在双相钢中 ，由于奥氏体相约占二分之一 ，故其塑性和韧性优于铁素体不锈钢。另外由于奥氏体相的存在 ，使得容易产生脆性化合物的时存在，可阻止或缓解高温下晶粒的长大，也可阻止或缓解裂纹的扩展，从而提 高

19、了钢材的塑性和韧性。但与奥氏体不锈钢相比，由于铁素体相的存在，使得其塑性和韧性相对较 低，尤其是铁素体相中易产生s相、x相、 r相、n相等脆性相,如果处理不当会严重影响钢材的塑性和韧性。3.1.5加工性能工程上应用较多的加工方法有冶炼、铸造、热变形加工、冷变形加工、机加 工、热处理、焊接等。1） 冶炼。双相钢的冶炼比奥氏体或铁素体钢的难度大 ，控制要求高。目前双相钢最低要求应采用或进行精炼的。2） 铸造。基于与冶炼同样的道理，铸造难度也大于一般奥氏体和铁素体钢材，而且难度比冶炼更大。除此之外 ，由于两相组织的原因，在浇铸时还要采取有效的措施，以避免比奥氏体钢更容易出现的铸造裂纹两相凝固差别的原

20、因、气 孔加氮的原因等问题。3） 热变形加工。双相钢具有的两相组织使其热变形加工的难度要远大于奥氏 体不锈钢。冷变形加工。双相钢的冷变形加工的难度要远大于奥氏体不锈钢。4） 机加工。就常用的工程材料而言 ，都不存在较大的加工难度，双相钢也不例外。热处理。热处理对双相钢性能还有一些特殊影响。不同的热处理参数 ，可得到不同的相比例，直接影响钢材性能通过热处理 ，可以改变加工过程中的元素分配比例，改善甚至消除加工过程中次生相带来的不利影响 ，从而影响到钢材的最终机械性能和耐腐蚀性能等热处理过程也会使钢材产生新的次生相会导致元素在各相中的重新分配。因此 ，不恰当的热处理会使钢材的性能恶化最早限制双相钢

21、应用的主要原因就是焊接问题 ，而工程上又往往不可避免焊接过程。双相钢焊接的难点就在于其焊接接头是否仍能获得与母材相同或相近的两相组织,这也是保证焊接接头是否具有与母材同样性能 （包括力学性能和耐腐蚀性能）等的关键所在。这里所说的焊接接头包括焊缝熔合区、高温热影响区 （HTHAZ）和低温热影响区（LTHAZ）。1） 焊缝熔合区。该区域的两相组织相对容易控制 即通过选择合适的焊接材料就能做到.2） 高温热影响区。它是指具有约 1250 C熔点这一温度特征的区域。这一区域很窄，却是其相组织最难控制的一个区域。因为母材的成分不能因其而有过多的奥氏体形成元素，而该区域的温度特征又使其高温铁素体在冷却过程

22、中部分得不 到向奥氏体转化。应采用较大的焊接线量 ，使焊缝冷却速度降低，使高温铁素体有一定的时间向奥氏体转化 ，从而使相组织均衡。3） 低温热影响区。由于该区域的温度较低 ，不足以引起基本相的变化 ，但可能会发生二次相的产生。因此，采用合适的焊接线量并控制层间温度是防止低温 热影响区性能变坏的主要手段。值得一提的是，双相钢一般不进行焊后热处理双相不锈钢的焊接性兼有奥氏体钢和铁素体钢各自的优点，并减少了其各自的不足之处。1）热裂纹的敏感性比奥氏体钢小得多。2）冷裂纹的敏感性比一般低合金高强钢也小得多3） 双相不锈钢焊接时主要问题不在焊缝，而在热影响区，因为在焊接热循环作用下，热影响区处于快冷非平衡态， 冷却后总是保留更多的铁素体，从而增大了腐蚀倾向和氢致裂纹（脆化）的