双相不锈钢焊接工艺分析Word格式.docx
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图1-1双相显微组织..........................................................6
图3-1不锈钢结晶裂纹敏感性与Creq/Nieq之间关系的曲线.......................14
图5-8坡口形式.............................................................26
图5-13MIG焊焊接线能量对焊缝金属冲击韧度的影响............................29
图5-152205双相不锈钢焊接接头腐蚀速率和低温韧性随线能量的..................30
图5-16不同连续冷却时间2205双相不锈钢模拟焊接热影响区的组织................30
图5-17不同两相冷却时间2205双相不锈钢模拟.................................31
图5-17不同连续冷却时间2205双相不锈钢模拟焊接热影响区显微硬度显微硬度.....31
图5-19不同连续冷却时间2205双相不锈钢模拟焊接热影响区一次热循环冲击韧度....31
图5-20不同连续冷却时间2205双相不锈钢模拟焊接热影响区多次热循环冲击韧度....32
表格清单
表1-1常用双相不锈钢各国牌号近似对照表......................................8
表1-2常用双相不锈钢材料化学成分............................................9
表2-1常用双相不锈钢材料机械性能...........................................11
表2-2钢铁双相不锈钢产品采用的相关标准.....................................12
表2-3双相不锈钢(DSS)代表牌号的主要化学成分和耐点蚀当量值(PREN)............12
表3-2四种双相不锈钢焊接接头室温横向拉伸及弯曲试验结果.....................16
表3-3四种双相不锈钢焊接接头室温冲击试验结果...............................17
表4-1含氮双相不锈钢焊缝金属中的δ铁素体含量、化学成分和力学性能............18
表4-2各类双相不锈钢焊接材料的选用.........................................19
表4-3三种典型的双相不锈钢推荐的最佳焊接线能量和层间温度...................21
表4-4保护气中N2含量对焊缝金属中的N含量和奥氏体含量的影响................21
表5-1熔敷金属化学成分.....................................................25
表5-2熔敷金属力学性能.....................................................25
表5-3焊条电弧焊焊接参数...................................................25
表5-4AVESTA2205/AVESTA805熔敷金属化学成分...............................26
表5-5AVESTA2205/AVESTA805熔敷力学性能...................................26
表5-62205双相不锈钢SAW焊焊接.............................................26
表5-7焊接参数焊接试板的焊缝和HAZ的冲击吸收功、铁素体含量、耐腐蚀性能.....27
表5-9焊缝金属及HAZ的冲击吸收功、铁素体含量、耐腐蚀性能.....................27
表5-10熔敷金属化学成分....................................................28
表5-11焊丝熔敷力学性能....................................................28
表5-12TIG焊焊接参数.......................................................29
表5-14MIG焊焊接线能量对焊缝金属和热影响区最大晶粒尺寸,铁素体含量最高硬度平均值的影响.................................................................29
第一章双相不锈钢的介绍
1.1双相不锈钢的诞生发展
双相不锈钢是组织中铁素体、奥氏体含量约各占一半,其中量少相的含量也要达到30%以上的不锈钢,如图1-1所示为双相显微组织。
若C含量较低,Cr的含量应在18%~28%,Ni的含量在3%~10%。
另外也存在Mo、Cu、Nb、Ti、N等合金元素。
双相不锈钢兼具有奥氏体、铁素体不锈钢的性能特点。
它的韧、比铁素体相都要高。
且无室温脆性,因此可以用于厚板。
此外它还有很好的耐晶间腐蚀性能和焊接性能。
同时还具有铁素体不锈钢的较高的导热系数和475℃脆性,超塑性等。
与它比奥氏体不锈钢含Ni量低,比强度高,价格便宜。
而且其耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀也有明显增强。
双相不锈钢还拥有良好的耐孔蚀性能。
双相不锈钢与铁素体和奥氏体不锈钢的不同之处是在热处理过程中有相的转变,即改变了两相之间比例关系。
双相不锈钢的自20世纪30年代以来已经历三代。
第一代双相不锈钢为AISI329钢,它含钼、铬,都很高,耐局部腐蚀性能好,含碳量较高(≤0.1%)。
为了满足在氯化物环境下的耐应力腐蚀断裂性能特别研制了3RE60双相不锈钢钢;
虽然它具有很好的性能,但在焊接性不是很好。
焊缝的热影响区由于铁素体过多韧性降低,而且它的耐腐蚀性也明显的比基体金属低,因此它只在一些特殊的非焊接状态下使用。
氩氧脱碳的精炼工艺的发明催生了第二代双相不锈钢。
此类钢基本都属超低碳型,并含有铜、钼或硅等耐蚀性的元素,其重要特点是加入了适量的氮从而形成了第二代新型含氮双相不锈钢,包括18Gr型、22Gr(SAF2205)型及25Gr型。
第三代双相不锈钢(SuperDSS)以AF2507、UR52N+、及Zeron100为代表。
这类钢的特点是含碳量低(ωc0.01%~0.02%)、高钼(约ωMo4%)、高氮(约ωN0.3%),铁素体含量为40%~45%,其耐点蚀系数大于40。
图1-1双相显微组织
双相不锈钢的屈服强度可达到400~550MPa,是普通不锈钢的两倍。
因此能够降低成本,节约材料。
且它有很强的抗腐蚀能力,可在比较恶劣环境下使用,如海水、氯离子含量较高的环境中,双相不锈钢的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性和普通奥氏体不锈钢相比已有很大的增强,其性能可与高合金奥氏体不锈钢相比。
现如今,双相不锈钢已被广泛应用于油气、化学工业,此外双相不锈钢在新能源工业,建筑业和沿海城建等领域也会有应用。
新型的双相不锈钢产品也依然在的研发及拓展中。
1991年确定了双相不锈钢钢种2205的化学成分、应用领域。
现如今,在一些对耐腐性要求比较苛刻的环境中2205一般都是作为标准钢种使用。
在诸多应用领域,双相不锈钢成功地取代了昂贵的316Mo、317L(M)(N)、904(L)(N)等钢种。
双相不锈钢也正向着过去使用316Mo薄板产品的领域渗透。
双相不锈钢易清洗、更清洁。
如何用更经济的新钢种取代双相不锈钢2205成为现在双相不锈钢研发拓展的一个新的趋势,实际上在某些市场,经济型双相不锈钢2304已经取代了2205地位。
现代产业也特别设计了超高级双相不锈钢,来应对更为苛刻的应用环境。
超高级双相不锈钢主要应用于无缝管的制造。
另外还有些专门为化肥厂等特殊应用领域而设计的超高级双相不锈钢产品。
未来,新型钢种的研发有望在更低温度下得以应用(甚至焊接组织可以在-100℃下应用),并可以在更宽的热输入条件下进行焊接。
近年来,随着绿色能源的发展和可持续发展概念的提出对双相不锈钢产品的推广具有积极意义。
未来发展对双相不锈钢设计研发的要求主要着手于提高生产效率,降低成本。
1.2双相不锈钢的分类及常见牌号
目前最常用的双相不锈钢是铬镍型,可分为四类,
第一类为低合金型,其代表牌号是UNSS32304(23Cr4Ni0.1N),不含钼。
PREN(=ωCr%+ωMo3.3%ωN16%)值为24~25,其耐应力腐蚀可与AISI304及AISI316相媲美使PREN=ωCr%+ωMo3.3%+ωN16%。
第二类为中合金型,其代表牌号是UNSS31803(22Cr5Ni3Mo0.15N)。
PREN值为32~33,其耐腐蚀性能介于可替代及含6MoN的奥氏体不锈钢和AISI316之间。
第三类为高合金型,此类钢一般含Cr为ωCr25%,还含有Cu和W。
代表牌号是UNSS32550(22Cr6Ni3Mo2Cu0.2N)。
PREN值为38~39,其耐腐蚀性高于含Cr为ωCr22%双相不锈钢。
第四类为超级双相不锈钢型,含高Mo和N。
有的还含有Cu和W。
代表牌号是UNSS32750(25Cr7Ni3.7Mo2Cu0.3N)。
PREN值为大于40,有良好的耐腐蚀性及综合力学性能可相比于超级奥氏体不锈钢。
表1-1及表1-2所示给出了典型双相不锈钢的几个主要国家的双相不锈钢的牌号和主要化学成分及各国主要双相不锈钢的牌号近似对照,
表1-1常用双相不锈钢各国牌号近似对照表
国家
型号
中国
美国
瑞典
德国
法国
日本
低合金型
00Cr23Ni4N
UNSS32304
SS2327(ASF2304)
W.Nr.1.4362
UR35N
DP11
中合金型
00Cr18Ni5Mo3Si2
UNSS31500
SS2376(3RE60)
W.Nr.1.4417
UR45N
DP1
00Cr22Ni5Mo3N
UNSS31803/S32205
SS2377(ASF2205)
W.Nr.1.4462
DP8
高合金型
00Cr25Ni5Mo2
UNSS32900
SS2324(10RE51)
W.Nr.1.4460
329J1
00Cr25Ni7Mo3WCuN
UNSS31260
W.Nr.1.4501
329J21
超级双相钢
00Cr25Ni7Mo4N
UNSS32750
SS2328(SAF2507)
W.Nr.1.4410
UR47N+
00Cr25Ni6Mo3WCuN
UNSS32550
W.Nr.1.4507
UR52N+
表1-2常用双相不锈钢材料化学成分
钢号
C≤
Mn≤
Si≤
S≤
P≤
Cr
Ni
Mo
Cu≤
N
S32750(SAF2507)
0.03
1.2
0.80
0.02
0.035
24.0/26.0
6.0/
8.0
3.0/5.0
0.5
0.24/0.32
S31803/S32205
(SAF2205)
00Cr22Ni5Mo3N
2.00
1.0
0.030
21.0/23.0
4.50/6.50
2.50/3.50
0.08/0.20
S31500(3RE60)
1.2/
1.4/2.00
18.0/19.0
2.50/3.00
0.05/0.10
1.3双相不锈钢的应用
双相不锈钢的应用实例
1.、炼油工业
原油脱盐装置中管道和热交换器。
加氢裂化装置。
催化吸收解吸塔塔盘板、衬里、管等。
汽油再热器。
催化裂化装置。
空泠器,水泠器的热交换器,脱硫反应器。
2、石化工业(中性氯化物)
聚氯乙稀(PVC)热交换器和汽提塔。
羰基合成醇管道式环形反应器。
氯乙烯装置中的氯乙烯再沸器、盘管式氧氯化反应器。
甲醇合成反应器的催化剂管束、中压闪蒸罐顶冷凝器、物料流出物热交换器。
醋酸等有机酸(甲酸、甲醛)的管道和生产装置。
3、海上、陆上油气工业(酸性油井管线和井管)
输送集气管和管道。
海上石油平台的稳水系统,喷水系统,供水系统,消防系统,热交换器、水处理。
4、制盐,造纸等轻工业
间歇式蒸煮装置或连续式硫酸蒸煮。
如:
木屑预热器、蒸煮器、冷凝器、漂白设备等。
盐硝联产和真空制盐装置,
5、化肥工业
尿素工业。
CO2压缩机冷却器管线。
气提塔的气提管,高压分解塔的分解管及输送管道,高压冷凝器的冷凝管。
甲铵泵泵体。
磷肥工业。
料浆输送管线、料浆循环及反应槽。
6、高强度结构件
平台上钻井架的海底管道、张拉系统。
蒸汽透过的驳船、平叶片、槽车等。
第二章双相不锈钢的基本性能及应用特点
2.1双相不锈钢的基本性能
双相不锈钢的性能综合了奥氏体和铁素体组织性能。
它结合了奥氏体不锈钢优良的韧性和焊接性与铁素体不锈钢的耐氯化物应力腐蚀性和高强度。
与含铬量超过ωCr18%的铬铁素体不锈钢相比较,普通的铬镍奥氏体不锈钢在氯化物介质中的抵抗应力腐蚀裂纹的能力有限。
但是铬铁素体不锈钢的焊接性很差。
这是因为,一方面在焊缝金属,特别是在焊接热影响区中,铁素体组织有严重的晶粒长大的倾向;
另一方面,铬铁素体不锈钢中碳含量超过ωC0.01%,就会形成马氏体。
这两方面,均降低焊接接头的韧性,使冷裂敏感性增加、因对晶界腐蚀敏感,所以,碳含量为ωC0.1%~0.2%的奥氏体-铁素体双相不锈钢,不能满足冲击韧度和耐腐蚀敏感性的要求。
表2-1常用双相不锈钢材料机械性能
项目
热处理制度℃
Rm(Mpa)≥
Rp(Mpa)≥
A(%)≥
硬度≤
布氏
洛氏
1025-1125水淬
800
550
15
310
32
1020-1100水淬
620
450
25
290
30.5
980-1040水淬
630
440
30
为了解决上述问题,开发了一种低碳及氮合金化的奥氏体-铁素体Cr-Ni-Mo合金的双相不锈钢。
它不仅具有良好的抗晶间腐蚀、缝隙腐蚀、点腐蚀及耐应力腐蚀裂纹的能力,而且焊接性也很好。
与常用的Cr-Ni-Mo系奥氏体不锈钢相比较,只要焊接工艺合理,低碳双相不锈钢焊接接头就有更强的抗腐蚀能力,而且有更强的抗腐蚀能力,更高的抗拉强度、屈服强度及良好的韧性。
这种钢中的奥氏体组织和铁素体组织含量基本相当。
还有另一类型的双相不锈钢,Cr-Ni-N型双相不锈钢,但工程上用得比较多的还是Cr-Ni-Mo合金系的双相不锈钢。
双相不锈钢除了具有一般不锈钢性能外,也有其自身的特性,所以,不锈钢的选用过程中除了考虑一般不锈钢的性能要求,还需要考虑双相不锈钢自身的性能特点。
表2-1给出一些常见双相不锈钢的产品标准及性能表2-2所示为ASTM标准双相不锈钢的牌号和主要化学成分,表2-3给出了双相不锈钢分类的PREN值的对比。
表2-2钢铁双相不锈钢产品采用的相关标准
材料
名称
无缝和焊接钢管
棒材
板材、带材
锻件(法兰)
铸件
焊丝、焊条
双
相
不
锈
钢
ASTMA789
ASTMA790
ASTMA1016
ASTMA999
ASTMA928
GB/T14976
GB/T14975
GB/T13296
ASTMA276
ASTMA479
ASTMA484
GB1220
ASTMA240
ASTMA182
ASTMA788
ASTM815
ASTMA351
ASTMA995
ASME/AWSA5.4
ASME/AWSA5.9
表2-3双相不锈钢(DSS)代表牌号的主要化学成分和耐点蚀当量值(PREN)
类别
标准
商业牌号
C
N
Cu
W
PREN
PREW
低合
金型
SAF2304
23
4
0.1
0.2
-
24
W·
Nrl·
4362
SS2327
中合
UNSS31803
22
5
2.8
0.15
32/33
4462
UR45N+
22.8
6
3.3
0.18
35/36
UNWS31500
3RE60
18.5
2.7
29
4417
A903
10RE51
0.08
4.5
1.5
4460
SS2324
AISI329
UR50
0.06
21
7.5
2.5
UNSS32950
Carp7Mo+
27
4.8
1.75
0.25
35
高合
Ferralium
0.05
3
1.8
37
38
255
UNSS31250
DP3
7
0.16
0.3
UR47N
6.5
0.22
38/39
4507
UR52N
0.17
VS25
超级
DSS
UNSS32760
Zeron100
3.5
0.24
0.7
40
41.5
4501
SAF2507
3.8
0.28
41
441
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