SA-387 Gr.11+410S堆焊工艺的选择

第 57 卷第 5 期2020 年 10 月化　工　设　备　与　管　道PROCESS EQUIPMENT & PIPING
V ol. 57　No. 5Oct. 2020
SA-３８７ Gr.１１+４１０S 堆焊工艺的选择
朱志刚，潘胜东
（森松（江苏）重工有限公司，江苏 如皋 226532）
摘 要：Cr-Mo 钢表面堆焊410S ，高温高压H 2S 工况，由于Ni 基焊材在此工况条件下容易产生灰化和H 2S 腐蚀，选用不锈钢309L 焊材作为堆焊焊材，能满足H 2S 工况的耐腐蚀性要求。

不锈钢焊材铁素体含量FN 对热处理或高温服役条件下的塑性有很大影响，严格控制焊缝铁素体含量（FN ≤8），避免脆性组织析出。

产品焊缝按照不同焊接方法分别进行评定，并和客户确定焊缝化分验收标准，以此确定产品堆焊厚度和焊接工艺。

关键字：410S 堆焊；H 2S 工况；热处理；焊材；铁素体FN 含量；焊接工艺
中图分类号：TQ 050.6；TH 16 文献标识码：A 文章编号：1009-3281（2020）05-0041-005
收稿日期：2019-12-24
作者简介： 朱志刚（1971—），男，工程师。

长期从事压力容器
产品焊接技术工作。

SA-240 410S 为铁素体不锈钢，含碳量≤0.08%，主要合金元素为Cr （铁素体形成元素），特点是具有良好的耐腐蚀性，特别是在氯化物介质和氧化环境中具有较好的耐腐蚀性。

另外由于材料价格较低，同时具有较好的焊接性，所以，410S 在压力容器行业特别是石油化工行业中得到了广泛运用。

一台国外产品（流化床催化裂化和气体回收主要塔），塔体下半段材料为复合板SA-387 Gr.11 CL1+SA -240 410S ，设计温度525 ℃，工作温度为382℃，湿H2S 工况，介质为HC （碳氢化合物）。

尺寸规格为I.D.4500× （83+3）t/I.D. 4 500× （88+4） t ，按照ASME V Ⅲ DIV.1，2015ED 制造，产品如图1所示。

产品壳体为复合板，锻件（接管法兰和Y 型锻件）以及连接焊缝（纵环缝）需要堆焊。

SA-387 Gr.11 CL1 属于1.25Cr-0.5Mo 铬钼钢，由于材料本身的原因，在Cr-Mo 钢上堆焊410S 既满足Cr-Mo 钢的焊接要点，也要对堆焊工艺等进行分析和评定，使堆焊焊缝满足抗腐蚀等要求（复层没有强度要求）。

客户要求按照API 582[1]和客户规范（UOP 和GP ）制作。

按照API 582规定，堆焊410S 的焊材可以选用奥氏体焊材，也可以选用镍基焊材，但应根据产品实际工况考虑。

对于堆焊耐蚀层，其化学成分应与母材相近，母材及焊材成分见表1。

因为镍基焊材Ni%含量较高，具有较好耐高温（主要是低温韧性）和耐腐蚀，另外相对不锈钢焊材也具有良好的可焊性，所以一般会优先选用镍基焊材。

通过化学成分对照可以看出，采用镍基焊材匹
配410S ，Ni 的含量很高，这似乎成为许多情况下使用镍基焊材的一个保证。

然而由于产品介质中富S ，高温工况容易导致硫化，硫化合物热分解反应产生H 2S 和其他反应性硫类化和物。

根据API 571[6]中关于高温下金属灰化机理，金属灰化是在高温（482 ~ 816℃）导致在渗碳气体和/或含碳和氢的工艺流体中发生的局部点蚀加速的一种渗碳形式，其产
图１ 产品示意图Fig.1 Product shetch
筒体I.D.4 500×
（83+3） t ，SA-387 Gr.11 CL1+SA -240 410S
：
I.D.4 500× （88+4） t ，I.D.4 500× （83+3） t
表面堆焊F1
Y 型锻件88+min3t overlay 对接裙座筒体
接管
法兰
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· 42 ·化　工　设　备　与　管　道生的关键因素之一是在高镍合金中，认为金属灰化发生，而没有形成金属碳化物。

显然高Ni 成分对于在高温湿H 2S 工况下有很强的点蚀加速作用。

对比不锈钢焊材309L 的Ni 含量12% ~ 14%和Ni 基焊材Ni 含量62%，不锈钢Ni 含量更低，能避免高温灰化，适合高温工况下运行。

另外，设备工况条件下容易产生高温氢/硫化氢腐蚀（API 571[6]），硫化氢工艺流中氢的存在会增加在高于500℉ （260℃）左右的温度下高温硫化物腐蚀的严重度。

不锈钢及Ni 合金的抗硫化能力是由Cr 元素的含量决定的，而不是Ni 元素。

关于Cr 元素含量在H 2S 条件下与腐蚀的关系也可以从API 571中“腐蚀速率曲线”看出，较高Cr 元素含量能明显降低腐蚀的速率。

对比不锈钢焊材309L 的[Cr]≈22% ~ 25%和Ni 基焊材[Cr]≈13% ~ 22%，显然不锈钢Cr 含量更高，抗氢/硫化氢腐蚀能力更强。

在征得客户同意后，决定410S 堆焊采用309L 焊材，这样也节省了大量焊材成本。

根据API 582中对Ni 基焊材使用温度，对S 工况也是有限制的，ERNiCrMo-3/ENiCrFe-2焊材在S 工况最高使用温度为 400 ℃，也是考虑了以上腐蚀的原因。

实际上在许多石油化工设备中，对富硫和H 2S 条件下对Ni 的含量是有严格限制的，一般选用Ni ≤1%的材料来降低腐蚀的产生。

所以焊材的选用一定要结合产品实际工况和介质等因素确定，选择正确的焊材。

产品材料为SA-387 Gr.11 CL1+SA-240 410S ，H 2S 工况，焊后需要进行（690±14） ℃的热处理，保温时间按照1 h/in 英寸计算，产品需要（690±14） ℃×3.5 h 的热处理。

图纸还要求堆焊焊缝有未经稀释至少3 mm （undiluted ），所以产品堆
焊的最小厚度为焊接评定（PQR ）化分合格的厚度+3 mm ，焊接评定化分合格线决定了产品的堆焊厚度，关系如图2所示。

另外按照客户要求，产品堆焊焊缝还要求做焊缝表面向下1.5 mm 的化分检测。

表１ 母材SA-２４０ ４１０S 及焊材化学成分（单个值为最大值）对照表
Table 1 Comparison of chemical composition between SA-240 410S and welding consumable （Max ） %
材料名称C Mn P S Si Cr Ni Mo Fe Cu 其他元素
SA-240 410S [2]0.08 1.00.040.03 1.011.5~13.50.6––––SFA 5.14ERNiCr-3[3]0.1 2.5~3.50.030.0150.518~22Min 67– 3.00.50.5SFA 5.11ENiCrFe-2[4]0.1 1.0~3.50.030.020.7513~17Min 620.5~2.512.00.50.5SFA 5.4E309L-16[5]
0.04
0.5~2.5
0.04
0.03
1.0
22~25
12-14
0．75
–
0.75
–
图２ 堆焊焊缝化分位置与厚度关系
Fig.2 Relation between chemical compositions of weld and
thickness
未稀释的
最小覆盖厚度
焊透深度
1.5 mm 客户要求的化学分析
焊接评定化学样品
产品覆盖厚度
熔合线
另外按照客户要求，为保证堆焊层的晶间腐蚀能力（针对奥氏体不锈钢），要求过渡层（即第一层）在产品热处理之前完成，其它耐蚀焊层在热处理之后进行，这样可以避免PWHT 对不锈钢焊缝耐蚀能力的影响。

但是对于产品制造而言，这样的焊接顺序是不现实的，例如接管法兰和筒体组装后内壁耐蚀层无法再进行堆焊了，只能整体堆焊完进行组装和热处理。

经过和客户协商，同意所有堆焊层结束后进行热处理，但是堆焊焊接工艺评定（PQR ）需满足3个循环的热处理（即690℃×10.5 h 的热处理）。

根据产品堆焊需要确定了GTAW ，SMAW ，ESW ，ESW+GTAW 焊接方法，以此焊接方法进行焊接工艺评定试验。

在各种工艺方法试验中，发现SMAW 的E309L-16焊条（不同厂家）焊接试样在经过规定的PWHT 后，弯曲试验试样弯曲面大都开裂，表现不合格。

这说明焊缝塑性差，不能满足产品质量要求。

那么什么原因使得焊缝开裂了呢？
不锈钢焊条SFA-5.4 E309L-16未经稀释的化学成分见表1。

由表1可知，E309L-16焊材的Cr 含量
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朱志刚，等. SA-387 Gr.11+410S 堆焊工艺的选择为22.0% ~25.0%，Cr 元素含量偏高，Cr 元素是铁素体强化元素，是形成金属化合物的重要成分。

铁素体含量与Cr 之间的关系参照WRC —1992图[4]，如图3所示，可以看出Cr eq ， Ni eq 当量与FN 的关系，按照E309L-16焊材各元素的平均含量计算，铬当量Cr eq ≈22.8，镍当量Ni eq ≈13.8，可以得出铁素体含量FN≈13（目前厂家生产的不锈钢焊材一般情况下FN ＞10）。

一般来说，不锈钢会在425 ~ 550 ℃之间形成475 ℃敏化效应。

但是对于Cr 含量较高的不锈钢焊缝在经历690℃×10.5 h 的热处理后是否会产生脆化组织么？对于309L 焊材的适用温度范围，API 582中仅对于奥氏体与低合金钢强度焊时，设计温度≤315℃，主要是因为材料膨胀系数不同。

根据
《不锈钢焊接冶金学及焊接性》[7]研究，对于Cr 含量
20% ~ 70%的铁素体不锈钢在500 ~800 ℃经历较长时间（几个小时）时，会析出脆性相σ（Fe ，Cr 化合物），即中温脆化（ITE ），而且随着Cr 含量增加和温度提高，形成σ也越快，见Cr 含量对于593 ℃和649 ℃时形成σ相临界时间曲线[7]，如图3所示。

的热加工和热过程，但是很多时候是无法避免的，比如复合板爆炸后的热处理以及产品必要的热处理。

对于在SA-387 Gr.11 CL1堆焊410S （309L 焊材），焊缝在经历690 ℃×10.5 h 热处理后，是否产生了脆性相呢？弯曲试验开裂是否是这个原因呢？对2个厂家的普通E309L-16焊材进行堆焊试验，焊态和热处理条件下的金相照片见表2。

图３ 铬含量对于在５９３℃和６４９℃ （
１ １００℉和１ ２００℉）时形成σ相所需临界的影响
Fig.3 Influence of chromium content on the critical time
required to form σ phase at 593 ℃ and 649 ℃
(1 100 ℉ and 1 200 ℉)
10 000
1 000100
10
时间/m i n
15
20w (Cr) /%
30
——1 100℉（593 ℃）
○铁素体和碳化物
●铁素体、碳化物和σ相1 200℉（649 ℃）○铁素体和碳化物
○
铁素体
、碳化物和
σ相
593 ℃（1 100℉）相界线
649 ℃（1 200℉）相界线
2535
40
●
●●●
●○
○
○
○○
○○
○○
○
○
○
○表２ E ３０９L-１６焊缝金属金相对比
Table 2 Metallographic comparison of weld metal of E309L-16
试验编号
焊态条件金相照片
（×500）
690 ℃×10.5 h 条件金相照片（×500）
试验-1
试验-2
可以看出，E309L-16焊缝热处理后铁素体边界有明显的析出相出现，析出相一般是Fe 、Cr 化合物M 23C 6。

这些脆化组织的析出导致了宏观塑性的降低。

可以确定309L 焊缝金属经过（690±14）℃×10.5 h 的热处理后析出了脆性组织，使得焊缝塑性变差。

普通的309L 焊材很少用于690 ℃×10.5 h 的热
处理条件，焊材厂家生产的普通焊材仅满足标准，铁素体含量FN ＞10。

铁素体的提高（包括C%）显然增加了焊缝在长时间热处理或高温工况下的脆化，对于在Cr-Mo 钢堆焊309L 焊材，热处理和高温条件运行是不可避免的。

为减少或消除309L 焊缝在热处理条件下的脆化，必须降低焊材的铁素体FN 和C 含量。

在与焊材厂家交流后，厂家重新调整了焊材配方，焊材铁素体含量调整为FN ≤8.0（焊态）。

这样采用铁素体较低的焊材试样经弯曲试验后，没有开裂，焊材满足了要求。

关于不锈钢焊材在热处理或高温条件服役的铁素体FN 含量要求，在API 582中也有要求。

所以对经过热处理条件或高温条件服役下的不锈钢焊材，除了满足腐蚀要求外，控制铁素体含量FN 才能满足产品质量要求。

虽然如此，在试验中发
为保证不锈钢的耐蚀性和塑性，在产品制造和运行过程中会尽力避免不锈钢材料经历400 ~ 800 ℃
第 57 卷第 5 期
· 44 ·化　工　设　备　与　管　道现同样焊接方法，同样铁素体含量的焊材也会因自动化程度等工艺条件不同而不同，塑性表现也不一致。

例如同样铁素体含量的ER309L 焊丝，采用GTAW 堆焊（Ar 保护），手工GTAW 堆焊焊缝弯曲试验开裂，而机械方法GTAW 堆焊焊缝弯曲试验合格。

这说明焊缝的塑性还与自动化程度等工艺条件有关。

至于手工GTAW 堆焊不合格的原因，可能是手工焊电弧长度较短降低了空气中N 2的吸入导致了铁素体的增加（自动焊电弧长度较长）。

对手工氩弧焊来说，进一步降低焊缝中的铁素体含量显然是避免焊缝经PWHT 后脆化的一个途径，通过在保护气中加入少量N 2，采用混合保护气体（Ar + N 2）
，进一步降低焊缝铁素体含量（低至0）。

通过试验表明，加入一定比例N 2可以迅速降低铁素体从而保证塑性是行之有效的方法。

在不锈钢中组织
中铁素体的存在被认为是对某些介质的耐腐蚀性有不利影响，对低温和高温韧性也是不利的（见SFA 5.9 A7.1[8]），铁素体的存在不是必不可少的。

在SA-387 Gr.11 CL1堆焊410S 除了满足塑性要求，如何确定焊缝的化学成分合格标准（未经稀释的）呢？一般情况下，除了埋弧焊（ESW ）外，GTAW 和SMAW 堆焊焊缝的化学成分合格值以焊材或母材标准为准。

从焊材309L 与复层410S 材料成分比较（见表1《母材SA-240 4110S 及焊材化学成分》）可知，堆焊后的Ni ，Cr 是无法满足SA-240 410S 要求的，在与客户协商后客户同意化学成分按照C ≤0.08%、Cr ≥11.5%进行验收。

在确定了堆焊焊材和化分验收标准后，根据产品焊缝不同焊接方法分别进行了评定和试验，产品堆焊工艺和堆焊厚度见表3。

表
３ SA-３８７ Gr.１１ ４１０S 堆焊焊接工艺一览表
Table 3 List of SA-387 Gr.11 410S overlaying procedure
编号
焊接方法及其它
焊接材料
评定焊接节点图
评定合格位置T 1/产品最小堆焊厚度T 2适用范围
1
GTAW (机械， Ar 保护)
SFA5.9 ER309L ，
φ1.2
T 1 =2.5mm /
T 2 =评定合格厚度T 1 +未稀释3 mm=2+3=5 mm
接管法兰堆焊
2
GTAW (手工， Ar+N 2保护)
SFA5.9 ER309L ，
φ2.4
T 1 =1.5 mm/T 2 =4 mm
接管法兰堆焊
3SMAW
SFA5.4 E309L-16， φ3.2/φ4.0
T 1 =2.5 mm/T 2 =5 mm
接管与壳体堆焊
4
ESW （机械， 单层堆焊）SFA5.9 EQ309/焊剂，
60×0.5/T 1 =1.5 mm/
T 2 =4 mm
接管法兰堆焊，Y 型锻件
5
ESW+GTAW (机械， Ar 保护)
SFA5.9 EQ309/焊剂，
30×0.5/ER309， φ1.2
T 1 =1.5 mm/
T 2 =4 mm
纵、环缝堆焊
由于产品基层为SA-387 Gr.11 CL1，属于1.25Cr-0.5Mo 铬钼钢，材料具有淬硬倾向，堆焊过程容易产生冷裂纹。

所以在Cr-Mo 钢上堆焊除了满足耐蚀性和塑性性外，还必须遵循Cr-Mo 钢的焊接特点，焊前采取预热，焊后及时消氢或中间热处理等措施，防止焊后应力集中和焊缝开裂。

结论
通过对镍基和不锈钢焊材的试验和分析，选择不锈钢309L 焊材作为410S 在H 2S 高温工况耐蚀焊材。

由于不锈钢焊材在高温和热处理条件下产生脆化，应严格控制焊缝铁素体含量[FN ≤8.0（焊态）]。

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朱志刚，等. SA-387 Gr.11+410S堆焊工艺的选择
根据不同部件焊接方法进行工艺评定，并和客户确定化分验收标准，以此确定产品堆焊厚度和焊接工艺，满足了410S耐蚀焊缝的堆焊要求。

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Selection of Overlay Process for SA-３８７ Gr.１１+４１０S
Zhu Zhigang, Pan Shengdong
（Morimatsu(Jiangsu) Heavy Industry Co., Ltd, Rugao 226532, China）
Abstract: For the working condition of high pressure and high temperature and H2S service, overlay on the surface of forge, which is connected with clad plate of Cr-Mo steel overlaid with 410S, is required. As Ni based welding consumable may be corroded in H2S service or appeared with the phenomenon of carbon separation, 309L consumable was selected as for overlay on forges which has the characteristic of anticorrosion of H2S. In other aspect, the content of ferrite in stainless steel consumable has great effect to the ductility of the components in heat treatment and high temperature serve. Thus ferrite content should be controlled (FN≤8) so as to avoid the separation of brittle compositions. The weld in the product was qualified in accordance with different welding methods respectively. The acceptable criteria for the chemical composition in weld seam were determined with the user together, which was used as the basis for determination of the overlay thickness and welding procedure.
Keywords: 410S overlay; heat treatment; welding consumable; ferrite content; welding procedure
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