浅谈不锈钢堆焊层铁素体测算方法

1浅谈不锈钢堆焊层铁素体测算方法TheResearchesoftheGauging&CalculatingMethodsOfFerriteContentinStainlessBuild-upWeld大连东北核工业设备无损检测有限公司范业军内容摘要本文对加氢反应器制造工程技术条件中奥氏体不锈钢堆焊层铁素体含量测算方法做一简介，通过分析对比以及试验研究提出粗浅看法，仅做参考。Basedonanalysis's,compares,testsandresearches,thispaperintroducesthegaugingandcalculatingmethodsofferritecontentinstainlessbuild-upweldprovidedbyspecificationsforproducingthehydro-processingreactors.1引子随着我国石化行业大型成套装置国产化进程的加快，我厂承接高温高压临氢设备和耐腐蚀设备的品种数量也在增加。以临氢设备为例，我厂制造过的材质有以1Cr-0.5Mo钢、1.25Cr-0.5Mo钢、2.25Cr-1Mo为基体，其上堆焊双复层不锈钢。设备的设计温度大多在300～550℃，属热壁加氢反应器。这类设备制造技术条件有多种，我们接触的具有代表性的有如下版本：（1）中石化北京设计院的《15CrMo(1Cr-0.5Mo)钢板制临氢设备制造技术条件》(简称“A”)。（2）中石化北京设计院的《XXX炼油厂催化重整-柴油加氢联合装置加氢反应器说明书》(简称“B”)。（3）中石化洛阳石化工程公司的《XXX炼油厂改扩建工程加氢精制反应器技术要求》(简称“C”)。（4）雪佛龙技术开发公司(ChevronResearchandTechnologyCompany)的《Cr-Mo低合金钢制加氢反应器技术条件》(简称“D”)。上述版本的技术条件均适用于炼厂中的加氢精制、催化重整等装置中以Cr-Mo钢为基材的加氢反应器。都要求有一定厚度（6~6.5mm）的双复层堆焊（309+347型或309L+347L型）（D版本还规定，可以双复层，也可单复层只堆焊347型）。其耐腐蚀层的厚度均规定为3mm或按图样，且耐蚀层的铁素体含量要控制在一定范围（3～11%）。但在铁素体测算方法上，存在明显差异，本文对此做出评论。2对堆焊层化学成分及铁素体含量的要求2.1铁素体含量的控制焊缝中有一定量铁素体能降低焊缝金属的热裂倾向，提高耐晶间腐蚀性能。文献[1]指出：焊缝中的δ相可以打乱单一奥氏体柱状晶的方向性，避免贫铬层贯穿于晶粒之间构成腐蚀介质的集中通道；敏化加热时，富铬碳化物最易2于在两相界面δ相一侧形核，从而大大减少了沿奥氏体晶界碳化物的析出。但铁素体含量高，不仅在某些介质中会引起选择性腐蚀[2]，而且会造成σ相脆化。加氢反应器制造过程中往往经过多次650℃以上的热处理，累计时间可达到20多小时，且设备长期在高温下运行，可能使堆焊层的铁素体发生δ→σ相的转变，造成堆焊层的脆化。因此，对铁素体含量必须予以控制。文献[3]指出：δ相含量应不超过9%；文献[2]推荐控制在4～12%。上述版本对铁素体含量控制范围以及测算方法不同，其中版本B提出了两套要求：对于工艺评定，δ相按Schaeffler图计算，4～10%合格；对于产品焊接，既要求按Schaeffler图计算，3～10%合格，又要求用磁性仪测量，此时要求显示数据≤13%为合格(超过时允许用Schaeffler图验证，不合格必须返修)。各版本对铁素体含量及测算方法的规定详见表1。表1对铁素体的要求版本含量测算方法A4~10%磁性仪，Schaeffler图作参考B4~10%Schaeffler图C3~10%Delong图D3~11FN磁性仪1.2化学成分的控制焊缝金属的耐蚀性和铁素体含量，很大程度上取决于于化学成分。上述版本对C,Cr,Ni,Nb四种元素均有规定，对其他元素的要求有差异，详见表2。表2对化学成分的要求○3，%版本CSiMnCrNiSPCuNbMoA0.04/○1/○118.0~20.08.0~13.0/○1//≥10C/B0.050.901.0~2.518.0~21.09.0~11.00.030.040.208C~1.00.5C0.050.901.0~2.518.0~21.09.0~11.00.030.040.58C~1.0○20.5D0.080.300.5~2.518.0~21.09.0~11.00.030.040.758C~1.0○20.75备注:①除表中规定元素外，还应分析出Si、S、Mn的含量提供给用户。②其中包含Ta元素。○3版本A,B,C要求耐蚀层有效厚度3mm，并规定在表面以下某个位置取样；版本D规定按图纸要求取样。3铁素体的测算方法3.1Schaeffler图（见图1）Schaeffler图，是利用铁素体形成元素和奥氏体形成元素的比例，通过铬当量（Creq）和镍当量（Nieq）的计算来确定堆焊层中铁素体的含量。由于它比较简便，人们很早就将其用于工程实践，并被纳入ASME规范（95版以前）。3.2Delong图（见图2）Delong图是chaeffler图的改进型，主要是考虑了氮元素的强烈影响，同时引入美国焊接科学研究委员会（WRC）的铁素体数（FN）的计量方法（即该图中同时有百分数和铁素体数两种计量方法），它被认为是对Schaeffler图最有价值的改进[4]。因此，1995版的ASME第Ⅱ卷C篇中它已经取代了Schaeffler图。3.3WRC-1998图（见图3）用于测算以铁素体数（FN）为单位的铁素体含量（取消了百分数计量方3法）。WRC焊接分委员会和国际焊接学会（IIW）第Ⅱ委员会的研究工作表明：图1Schaeffler图[2]图2Delong图[4]采用这张图比Delong图，铁素体的测定值与计算值之间有更好的对应关系。因此，1998年版以后的ASME第Ⅱ卷C篇中Delong图又被WRC图取代。引用Delong图或WRC图，是否考虑氮元素的影响，对铁素体含量计算结果影响很大。目前洛阳院标准虽然引用Delong图，但对N含量未做限制，制造厂往往忽略了其计算，从而造成失误。比如PQRNo.2Y54，按Delong图计算，是否计入氮，结果如下表3，可见差异是明显的。表3是否计入氮元素对计算结果的影响计算时Ni当量，%δ相含量，%备注不计入氮11.7~7.1与Schaeffler图相同计入氮13.5~3.0注：Cr当量相同。3.4铁素体磁性仪Chevron标准中使用的是铁素体磁性仪，使用前要按AWSA4.2《测定奥氏体和奥氏体-铁素体双相不锈钢焊缝金属中δ相铁素体含量的方法和磁性测定仪的标定标准方法》进行校准。目前，ASME、JIS、BS、ISO等许多标准都采用这种方法。4试验研究多年来我厂制造的加氢设备中，上述方法都用过，也获得了大量的数据。本文着重介绍采用埋弧带极堆焊（钢带接正极）的三项试验。4.1试验条件和结果试验的焊接材料均采用日本神钢（KOBE）钢带/焊剂，这是我厂经过多年实践选定的堆焊材料，性能比较稳图3WRC-1998图[4]4定，且能够满足加氢反应器的要求。焊接时采用相同的电流密度、电压和焊接速度。试验条件见表4，试验结果见表5和表6。表4焊接工艺评定试验条件PQR编号钢带规格mm焊接材料焊接电流A电压V焊速cm/min过渡层耐蚀层2Y3325X0.4USB-309L/PFB-1USB-347LD/PFB-1FK300~32026142Y5450X0.4600~65012~142Y5575X0.41000~110014表5堆焊层的化学成分及厚度PQR编号化学成分，%堆焊层厚度mmCSiMnCrNiSPMoNbN○12Y330.0320.521.3719.1010.160.0070.0220.150.3950.0067.38~8.282Y540.0350.501.3818.4010.00.0050.0260.130.280.0068.2~8.52Y550.0320.6251.5219.1510.610.0050.0200.140.520.0068~9注○1：按标准Delong图的说明，N元素虽未分析，以0.006%计入。表6堆焊层的铁素体含量PQR编号Schaeffler图法Delong图法WRC图法磁性仪δ,%Creq,%Nieq,%δ,%Creq,%Nieq,%δ,%Creq,%Nieq,%δ,FN2Y3320.211.8~7.520.213.6~5.719.512.5~5.14.2~5.02Y5419.411.7~7.119.413.5~3.018.712.4~3.04.0~4.52Y5520.512.3~7.020.514.1~6.019.712.9~4.54.0~5.04.2试验结果分析（1）焊接规范的影响本次试验的化学成分分析结果差异不大，焊道厚度大致相当，证明三项试验焊道稀释率比较稳定，从而排除了稀释率影响δ相含量的可能性。我们曾进行过大量的实验，研究电流密度、电压、焊接速度与焊道稀释率、焊道厚度、焊道宽度之间的关系[5]，结果表明：前三者对后三者有明显的影响，基本上呈线性关系。（2）铁素体测算方法的影响○1Delong图、WRC图以及磁性仪的测量结果比较接近，误差大约在0.3~1.3%之间，且WRC图与磁性仪的测量结果更吻合。○2同样的试验数据，比如PQRNo.2Y54，按Schaeffler图计算，δ相含量~7.1%，是合格的；而按Delong图计算，δ相含量~3.0%，是不合格的，尽管用磁性仪的测量结果（δ相含量4.0~4.5%）证实是合格的。○3根据我们多年的实践，体会到图示法存在如下缺欠：(a)工程技术条件给出很多个位置，要求分析。制造厂磨钻表面堆焊层5取样化验。我们的许多试验证明，被取样破坏的表面不仅有效耐蚀厚度减少，而且耐蚀性有不同程度的降低。(b)反复化验，反复用人工对比图验证，测量误差加上图本身的误差，往往不能反映实际产品的δ相含量。而磁性仪测定不会破坏金属表面，其仪器的精度已经能够满足工程需要，这方面哈焊所作了许多有益的工作，他们制造的F-1型磁性仪精度已经达到满量程的±5%[6]。4.建议由于不锈钢堆焊层中铁素体含量对设备的安全运行至关重要，因此成为设计和制造质量控制的重要指标。目前国内的设计院各自引用测算方法，对制造厂来说，同样的工作（比如焊接工艺评定），需要重复进行。即使同样的数据，由于测算方法不同，造成铁素体含量差异很大，往往还成为设备是否判废的焦点，因此我们建议：4.1以磁性仪的测量为基础，辅以图示法作对照。各制造厂可进一步积累数据，以校核磁性法与图示法之间的关联。4.2如果坚持用图示法，建议采用先进的WRC图，并采用铁素体数（FN）计量单位取代百分数（FG）计量单位，以便与国际先进标准接轨。参考文献1中国不锈钢腐蚀手册冈毅民主编冶金工业出版社1992年6月2焊接冶金与金属焊接性张文钺周振丰主编机械工业出版社3热壁加氢反应器技术文集中石化总公司规划设备处编1987年10月，P504ASMESec.IIDiv.C,1998.ed5表面带极堆焊金重科技1998年6月版6焊接2000年第1期，P25