低温用0Cr18Ni10Ti奥氏体不锈钢管焊接材料的选择

低温用0Cr18Ni10Ti奥氏体不锈钢管焊接材料的选择

0 前言

中原油田第三气体处理厂改扩建工程是中原油田重点工程。工程中针对工作温度为（-40~-120℃）的工艺管道先用了0Cr18Ni10Ti（ASTM 321TP）奥氏体不锈钢。为保证装置的安全、平稳、长期运行，对该不锈钢的焊接行为进行了分析研究，并进行了工艺评定对比试验，确定了性能最优的焊接材料。

1 0Cr18Ni10Ti奥氏体不锈钢焊接行为

0Cr18Ni10Ti不锈钢属于奥氏体，其显微组织为A（奥氏体）+3%~5%δ-F（δ-铁素体），其焊接性良好，无淬硬性。但在实际时接中应注意如下问题。

1.1 抗晶间腐蚀性能差

奥氏体不锈钢在450~850℃加热时，会由于在晶界沉淀析出铬的碳化物，致使晶粒周边形成贫铬区，在腐蚀介质中即可沿晶粒边界发生所谓晶间腐蚀。

1.2 易形成热裂纹

奥氏体不锈钢导热系数小，线膨胀系数大，在焊接局部加热和冷却的条件下，接头在冷却过程中可形成较大的拉应力；另外奥氏体钢易于形成方向性强的柱状晶的焊缝组织，有利于有害杂质的偏析而促使形成晶间液态夹层，易于产生焊缝凝固裂纹。

1.3 焊缝成形不良

铬镍奥氏体不锈钢焊接时，由于焊缝中合金元素含量高，熔池流动性差，易造成焊缝表面成形不良。主要表现在根部焊道背面成形恶化及盖面焊道表面粗糙。焊

缝表面成形不良对焊缝性能的影响在常温或高温工况下表现不明显，但在低温工况下，其成形不良所造成的应力集中对焊缝低温性能的影响不亚于焊缝内部质量的影响。

根据以上分析，为解决晶间腐蚀及凝因裂纹的问题，焊缝组织以A+δ相双相组织为宜。一般δ相数量为4%~12%比较适宜。

2 焊缝组织预测分析

根据奥氏体不锈钢焊接过程中的问题，应选择合适的焊接材料，使焊缝组织中有合适的δ相比例，确保焊缝的室温显微组织及低温机械性能。

舍夫勒（Schaeffler）图是估算δ相的常用方法，它以铬当量"Creq"及镍当量"Nieq"作为横纵坐标，其中：

Creq=Cr%+Mo%+1.5xSi%+0.5xNb%

Nieq=Ni%+30xC%+0.5xMn%+0.33xCu%

它反映了化学成分对组织的影响。因此借助于舍夫勒图，首先对备选取焊接材料的焊缝组织于行预测。

根据JB4708-92及GB50236-98推荐，0Cr18Ni10Ti手工电弧焊可以选择E347-16（A123）或E347-150（A137）焊条，钨极氩弧焊可以选择H0Cr18Ni10Ti或H00Cr2Ni10焊丝。推荐焊条、焊丝以及母材成分和相应的计算预测结果见表1~表2。

3 力学性能试验结果及分析

对以上四种焊接材料分别进行力学性能对比试验，试验结果见表3。试验结果均为6个试验件的平均值。

焊缝的性能与组织密切相关，一方面为防止形成焊接热裂纹，应使焊缝中形成A+δ-F双相组织。另一方面随着δ-F含量的增加，会造成σ相脆化和δ相选择性腐蚀，导致焊缝金属的韧性降低；而且有资料表明，为保证焊缝的低温韧性，最好不采取双相组织，而应取得单相奥氏体组织。由于使用A137焊条焊接的焊缝金属中的δ-F含量低于A123焊条焊接的焊缝金属，奥氏体组织含量高，而且A137焊条属于喊性焊条其焊缝中的扩散氢含量也较A123焊条低，因此其焊缝金属的低温韧性将高于A123焊条。

使用H00Cr2Ni10焊丝焊接可有效地防止焊缝中产生晶间腐蚀及热裂纹。由于H00Cr2Ni10焊丝属于超低碳焊接材料，在晶界处不易形成Cr23C6，同时可以改善的低温韧性，因此，较H0Cr18Ni10Ti焊丝更能防止产生晶间腐蚀。

对于焊缝成形式良、连头固定焊口的焊接一次合格率不高、以及时焊接热影响区的晶间腐蚀问题，可以能过焊接工艺来加以解决。采用钨极氩弧焊打底、较小的焊接线能量，来控制热影响区处于敏化温度区间的范围。

4 结论

根据对0Cr18Ni10Ti不锈钢管道焊接材料的焊接性分析，运用舍夫勒图进行计算选择及力学性能试验对比，选择手工电弧焊采用A137焊条，钨极氩弧焊采用H00Cr2Ni10焊丝作为工程焊接材料，采用钨极氩弧焊打底，手工电弧焊填充盖面焊接方式取得了良好的效果。

将上述所选材料和工艺顺序应用于实践，工程中共焊接焊口3200道，X射线探伤一次合格率达90%，管道内壁的清洁度，大大减少了工艺管道的吹扫时间，而且充分保证了不锈钢管道焊缝的低温力学性能。