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1、第4 3 卷第3 期。耄焊俄v。1 4 3N o 32 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
2、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 7D 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 2S 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
3、 e s e a r c ho ni t sw e l d i n gt e c h l l i q u eX UY 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 l
4、2 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 gs e v e r ec o r m s i o ne n v i m n m e n ts i n c et h ee x t r e m e l ys u p e r i o r h i g ha 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
5、 dt h ec 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 lh 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
6、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 ta 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
7、 i n gp 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
8、 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
9、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
10、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 21 1 5 1 气田工程项目中，为应对天然气中富含的氯离
11、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
12、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V2 5 0 75 5 0，l 4 08 0 0 10 0 02 52 9 02 2 0 54 8 5，5 0 06 8 0 8 8 02 52 6 02 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 0O 81 2O 0 3 50 0 1 5笱O7 O4 OO 3 02 2 0 5S 3 1
13、8 0 3O 0 3 01 02 00 0 3 0O 0 1 52 2 1 05 03 2O 1 82 3 0 4S 3 2 3 0 40 0 3 01 O2 0O 0 3 5O 0 1 52 2 54 5一O 1 06 0 05 0 0凸-萋4 0 0嚣3 0 0盖2 0 01 0 0O图iS 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
14、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
15、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 M9 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i2 5 0 7l0 8 弘1 1 2 0
16、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
17、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30 4。n 0 20 0 2 02 5 0l O O4 OO 2 53 0 4 02 5 1 0 4 趣0 0 3Q 毒o 分O 0 3O 0 2 52 5 O1 0 O4 O0 2 53 0 4 0表52 5 0 7 焊材全焊缝金
18、属典型力学性能2 5 1 0 4 o簖2i8 5-巍蠢1 1 62 5 1 0 4 腿6 4 58 鳓2 81 0 02 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。
19、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m0万方数据以下。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 ii 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
20、W2 5 1 0 4 L2 0 0D C E N1 1 01 41 5填充lG T A w2 5 1 0 4 L2 4 0D 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 53 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
21、 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 7l o 5焊缝。61 4 7A 4合格一A 81 0 5F L-4 61 3 7A 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 5A 1 0l 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
22、 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 O3 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
23、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 5C 2 搬澎2 5 1 叙6 6 935 0 1 5 56 6 3 6 7O6 6 3“62 46 8 5毫盎_C 3穆。7 9 2 5 1 9 6 6 635 0 7 1 56 6 1 8 5l6 6 1 8 42O 92 5
24、 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
25、 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，试样表面和截面上均未发生应力腐蚀开裂现象，满足设计要求。得出结论，以上焊缝接头在图1 0 试样加载5 0。c 富C O：或H 2 S
26、 环境下抗应力腐蚀性能良好。4 结论通过焊接试验，获得了2 5 0 7 钢的焊接工艺参数，掌握了该类钢的焊接技术，解决了生产中的技术难题。(1)焊材选用瑞典S a n d v i k 公司生产的2 5 7 4 L氩弧焊丝和2 5 7 4 L R 焊条。(2)合理控制热输入量和层间温度，热输入量控制在1 5k J m m 以下，层间温度控制在1 0 0 以下，确保双相组织中铁素体含量介于3 5。5 0。(3)采用妒(A r)9 8+妒(N 2)2 混合气体对焊接区域正面和背面进行严格保护，得到了力学性能和抗腐蚀性都能满足要求的焊接接头。超级双相不锈钢2 5 0 7 将以其优良的性能和相觋纽砀澎；
27、织矽。旅。名k 一1 1 O5O5O5OOO5钙观雏舛弱躬剪拍弱躬OOO55OOOO9钳稻甜甜甜甜”勰孙05O5OO0554甜钉躬舵酊强钒*?。，；。，&髓阱弱聪盯醒的啪驹万方数据重点关注重珲域第4 3 卷隧燃然黧aC 0：应力腐蚀试验后试样截面形貌麟，：|醚I I卜；j?bH 应力腐蚀试验后试样截面形貌图1 1 应力腐蚀试验后试样截面形貌黼对低廉的价格，将在海洋石油天然气工业中得到越来越广泛的应用。订书热线：0 2 8 8 3 2 6 7 9 0 8联系人：黄秀艳燃鬻万方数据超级双相不锈钢2507及其焊接工艺超级双相不锈钢2507及其焊接工艺作者：徐玉强，杨尚玉，许可望，马洪伟，王培永，XU Yu-qiang，YANG Shang-yu，XU Ke-wang，MAHong-wei，WANG Pei-yong作者单位：海洋石油工程股份有限公司,天津,300452刊名：电焊机英文刊名：Electric Welding Machine年，卷(期)：2013,43(3)本文链接：http:/