310S奥氏体不锈钢管子管板焊接.pdf

西部特种设备第 7 卷 第 1 期2024 年 2 月Vol.7 No.1Feb.2024WESTERN SPECIAL EQUIPMENT310S 奥氏体不锈钢管子管板焊接刘玉祥叶旭东徐健巴斯夫（中国）有限公司 上海 200023摘 要：本文介绍了 310S 奥氏体不锈钢管子管板 GTAW 焊接试验，通过采用低应力结构的焊接接头、小电流焊接、严格控制层间温度等措施，避免焊接热裂纹的产生。焊后对管头进行 PT、RT 检测，检测结果合格；对管头进行宏观金相试验、微观金相试验、金属和合金的腐蚀 奥氏体及铁素体奥氏体（双相）不锈钢晶间腐蚀试验方法（GB/T 43342020）标准中的 C 法晶间腐蚀试验，试验结果满足标准的要求。关键词：310S 奥氏体不锈钢；管子管板；焊接；晶间腐蚀中图分类号：TG44 文献标志码：B 文章编号：2096-4765（2024）01-056-008310S Austenitic Stainless Steel Tube to Tube-sheet WeldingLiu Yuxiang Ye Xudong Xu JianBASF(China)Co.,LTD,Shanghai,200023Abstract:The GTAW welding test of 310S austenitic stainless steel tube to tube-sheet is introduced in this paper.The welding joints with low stress structure,small current welding and strict control of inter-pass temperature are adopted to avoid the occurrence of welding hot cracks.After welding,the tube to tube-sheet joint was tested by PT and RT,and the test results were qualified.Macroscopic and microscopic metallographic tests andCorrosion of metals and alloysTest methods for intergranular corrosion of austenitic and ferriticaustenitic(duplex)stainless steels(GB/T 43342020)standard C method intergranular corrosion test were carried out on the tube to tube-sheet joint,and the test results met the requirements of the standard.Keywords:310S austenitic stainless steel;Tube to tube-sheet;Welding;Intergranular corrosion收稿日期：2023-11-9 作者简介：刘玉祥（1988），男，国际焊接工程师，主要从事压力容器焊接热处理工艺工作。引言某装置中的尾气预热器原设计采用 304L 不锈钢，设备运行两年后，在管板处发生严重的腐蚀。经过分析，该设备运行时，左侧管箱中的高温 NOx气体通过换热管冷却的过程中，会形成少量的 HNO3液体。HNO3液体从右侧管箱的管孔流出后，再次受右侧管箱的高温作用，致使 HNO3液体发生沸腾，严重腐蚀右侧管箱的管板面。第 7 卷 第 1 期57刘玉祥，等：310S 奥氏体不锈钢管子管板焊接为了提高管子管板对沸腾 HNO3的耐腐蚀性能，后期对尾气预热器进行选材改进，管子管板采用耐腐蚀性能更好的 310S 奥氏体不锈钢材料制作。310S 奥氏体不锈钢具有严重的热裂纹倾向，为了保证管子管板的焊接质量以及在沸腾 HNO3工况下的耐腐蚀性能，对管子管板进行焊接工艺性试验，并通过无损检测、金相试验、腐蚀试验对焊接接头的性能进行验证。1 310S 奥氏体不锈钢介绍1.1 化学成分及力学性能310S 奥氏体不锈钢（后简称 310S 不锈钢）是耐热型不锈钢的一种，具有很好的抗氧化性、耐腐蚀性，特别是具有良好的耐高温性能，最高使用温度可以达到 1 200。310S 不锈钢被广泛应用于锅炉、汽轮机、石化压力容器的制造1。310S 不锈钢标准型号为 S31008，板材满足承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带（GB/T 245112017）标准的要求，换热管满足锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管（GB/T 132962013）标准的要求，S31008 板材及换热管的化学成分与力学性能如表 1、表 2 所示。1.2 焊接热裂纹奥氏体不锈钢对焊接热裂纹具有一定的敏感性，相对于 304（L）、316（L）牌号的不锈钢，310S 不锈钢对热裂纹的敏感性更加严重。与304（L）、316（L）不锈钢相匹配的焊接材料ER308（L）、ER316（L）的熔敷金属中含有一定的铁素体组织，铁素体组织对 S、P 等杂质元素的溶解度高，降低了 S、P 元素与 Ni、Fe 元素形成低熔点共晶体的倾向，同时也减小了杂质元素发生偏析的可能。与 310S 不锈钢相匹配的焊接材料为 ER310，310S 材料中的 Ni 元素含量高，且焊缝熔敷金属为单相奥氏体组织，不含有铁素体组织，因此更容易产生焊接热裂纹。焊接热裂纹分为结晶裂纹和液化裂纹，310S不锈钢焊接时焊缝金属容易产生结晶裂纹，热影响区容易产生液化裂纹。结晶裂纹产生的主要原因是:在焊缝金属凝固过程中，S、P 杂质元素与Ni、Fe 形成的低熔点共晶体富集于晶界，焊缝金属已经凝固成固态，低熔点共晶体还处于液态，表 1S31008 不锈钢化学成分（质量分数,%）表 2S31008 不锈钢力学性能名称C,maxSi,maxMn,maxP,maxS,maxCrNiMoNGB/T 24511 S310080.081.502.000.0350.01524.026.0 19.022.0-GB/T 13296 S310080.081.502.000.0350.03024.026.0 19.022.0-试验管板材料成分0.0140.110.910.0100.00125.321.20.060.06试验换热管材料成分0.0160.101.740.0170.00224.1720.140.060.02标准数字代号 规定塑性延伸强度 Rp 0.2/MPa抗拉强度 Rm/MPa断后延伸率 A/%硬度值/HVGB/T 24511S31008 205 515 40 220GB/T 13296S31008 205 520 35 200582024 年 2 月西 部 特 种 设 备在焊接拉应力的作用下形成裂纹2。液化裂纹多发生于焊接热影响区，液化裂纹形成的原因与结晶裂纹相接近，焊接过程中母材中的低熔点共晶体被液化，在焊缝金属收缩时所产生的拉应力作用下发生开裂3。根据上述焊接热裂纹形成原因的分析，降低310S 不锈钢热裂纹倾向应从四个方面着手：一是降低原材料中的 S、P 杂质元素的含量；二是减小焊接接头的焊接应力；三是采用小电流进行焊接；四是采用锰元素含量高的焊材，通过锰进行脱硫，降低焊接热裂纹的产生。2 晶间腐蚀分析奥氏体不锈钢在 300950的温度范围内可能在晶界处析出碳化铬以及其他含铬金属间化合物。碳化铬、含铬金属间化合物的析出消耗了晶界大量的铬，形成了贫铬区。当加热过程较短时，晶粒本体的铬原子来不及向贫铬区扩散补充，温度下降后，贫铬区得以保存。当接触到某些晶间腐蚀介质时，贫铬区会产生晶间腐蚀4。焊接过程中，受焊接热循环的作用，不可避免会析出碳化铬。为了降低碳化铬的析出，提高抗晶间腐蚀的能力，需要降低 310S 不锈钢母材及焊材中的碳含量。另外，焊接电流不能过大，焊接层间温度不宜过高，避免焊接接头在敏化温度区间停留时间过长，生成更多的碳化铬，降低耐腐蚀性。3 管子管板接头设计将换热管管束穿入管板孔，然后在管板正面焊接，是换热器管子管板最常用的一种结构形式5。在该结构形式下，管子管板焊接接头又可细分为三种结构形式，即外伸结构形式、平齐结构形式、内缩结构形式，这三种结构形式如图 1 所示。三种结构形式的焊接接头焊后应力状态存在一定的差异，内缩结构形式的管子管板焊接后，焊接接头的轴向及径向应力低于外伸结构以及平齐结构6。310S 不锈钢对焊接热裂纹敏感，热裂纹产生的因素之一是焊接应力的作用，为了减小310S 不锈钢的热裂纹倾向，选择内缩结构形式的焊接接头更为合理。管子管板的焊接坡口形式通常有 V 形和 J 形两种。相比 V 形坡口，J 形坡口根部平缓，焊接过程中的液态金属更容易铺开，便于坡口根部的焊透7。根据上述管子管板不同结构的接头应力分析以及焊接坡口的形式分析，此次项目的管子管板结构形式及坡口形式设计成管子内缩 J 形坡口，如图 2 所示。图 2 管子管板结构形式及坡口形式图 1 管子管板焊接接头结构形式（a）外伸结构（b）平齐结构（c）内缩结构31.75 mm2.11 mm3R3225 第 7 卷 第 1 期59图 3 管孔布置32.10+0.1232.10+0.1260 60 47单位：mm474 焊接试验4.1 试验材料管子管板试验的材料与正式产品所使用的材料完全相同，管板材料满足 GB/T 24511 标准的要求，换热管材料满足 GB/T 13296 标准的要求。为了保证管子管板焊接后的耐晶间腐蚀性，管子管板材料的含碳量控制在一个较低的水准，相当于超低碳不锈钢材料的含碳量，材料的具体化学成分如表 1 所示。与 310S 不锈钢相匹配的焊接材料为 ER310 焊丝，然而 ER310 焊丝化学成分中碳含量的上限过高，不利于耐晶间腐蚀。因此，对管子管板的焊接采用含碳量更低的 ER310L 焊丝焊接，ER310L 焊丝化学成分如表 3 所示。表 3 中的ER310L 焊丝化学成分中的 S、P 元素含量远低于标准要求，且具有较高的 Mn/S 比，可见该焊丝具有较好的抗热裂纹开裂的能力。4.2 管子管板焊接焊接试验管孔布置如图 3 所示，坡口按图 2进行加工，换热管规格为 31.75 mm2.11 mm，共焊接 14 个管孔：左侧布置的 4 个管孔，其中 2个管孔作为焊接参数调试使用，余下的 2 个管孔作为晶间腐蚀试验取样管孔；右侧 10 个管孔作为宏观金相及微观金相检验管孔。管子管板焊接前，采用丙酮对管孔、坡口、管板焊接区域以及换热管进行擦拭，保证表面无油污，防止焊接过程中产生气孔和裂纹。管子管板焊接采用手工 GTAW 焊接方法，管子管板按照图 2 进行组对并采用加丝点焊，正式焊接采用多层多道焊的工艺。为了不让焊接铁水向下流淌，表 3ER310L 焊丝化学成分（质量分数,%）C,maxSi,maxMn,maxP,maxS,maxCrNiMo,maxCu,maxNNbCo标准值0.030.651.02.50.030.0325282022.50.750.75-实测值0.0110.111.780.0130.00125.6320.520.080.020.0520.010.06刘玉祥，等：310S 奥氏体不锈钢管子管板焊接602024 年 2 月西 部 特 种 设 备影响焊缝根部的焊接质量，焊接方向为立向上焊，焊接过程中层间温度均不超过 50，具体的焊接层数及参数如表 4 所示，管子管板接头焊后成形状态如图 4 所示。表 4管子管板焊接参数图 4管子管板焊接接头焊后成形图 5管子管板焊后 PT 检测焊接层数焊接方法焊接材料及规格焊接电流/A 电弧电压/V焊接速度保护气体气体流量点焊GTAWER310L/1.6100 13 99.999%Ar18 L/min第 1 层GTAWER310L/1.6100 135 cm/min99.999%Ar18 L/min第 2 层GTAWER310L/1.6100 135 cm/min99.999%Ar18 L/min第 3 层GTAWER310L/1.6110 145 cm/min99.999%Ar18 L/min第 4 层GTAWER310L/1.6110 145 cm/min99.999%Ar18 L/min4.3 焊后无损检测管子管板焊后按照承压设备无损检测 第 5部分：渗透检测（NB/T 47013.52015）标准对焊接接头进行 100%PT-I 级检测，焊接接头无表面裂纹及其他缺陷，PT 检测结果如图 5 所示。RT 检测采用棒阳极作为射线源，按照承压设备无损检测 第 2 部分：射线检测（NB/T 47013.22015）标准中的附录 A 进行 100%RT-B-II 级检测。RT 检测后，RT 底片无裂纹、气孔、未熔合、未焊透、夹钨等缺陷，表明接头的焊接质量良好。第 7 卷 第 1 期61图 7宏观金相图 10焊缝微观5 理化及腐蚀试验5.1 宏观金相试验对右侧 10 个管子管板焊接接头按照金属材料焊缝破坏性试验 焊缝宏观和微观检验（GB/T 269552011）标准进行宏观金相试验，试板先采用锯床沿厚度方向切薄至 10 mm 后，再采用线切割的方法按 0与 90的方向进行切割，切割后的状态如图 6 所示。图 6 线切割后的试样试样线切割后，对试样切口处抛光打磨，去除切口的氧化物后，采用 5%的王水溶液进行浸蚀，直至区分出焊缝与母材，最后将试样取出清洗后进行宏观金相试验。对 10 个管口的所有剖面在放大镜下 10 倍放大观察，焊缝及热影响区未发现焊接裂纹、根部未焊透、气孔、未熔合等缺陷，宏观金相结果满足承压设备焊接工艺评定（NB/T470142011）标准附录 D 的要求，宏观金相照片如图 7 所示。按照热交换器（GB/T 1512014）标准的要求，对焊接接头的 L值进行测量，检测结果均大于 3 mm，满足标准的要求，L 值检测结果如图 8 所示。参考金属材料焊接工艺规程及评定焊接工艺评定试验 第 8 部分：管子及管板接头的焊接（ISO 15614-82016）标准对焊接接头进行最小泄漏通道 r 值检测，检测结果均大于 0.9 倍的管壁厚，检测结果如图 9 所示。图 8 L 值检测结果 图 9 最小泄漏通道 r 值检测结果5.2 微观金相试验按照金属材料焊缝破坏性试验 焊缝宏观和微观检验（GB/T 269552011）标准对焊缝及热影响区进行微观金相试验，试样经抛光、草酸溶液电解后，在金相显微镜下 200 倍放大观察，焊缝及热影响区未发现显微裂纹缺陷，微观金相刘玉祥，等：310S 奥氏体不锈钢管子管板焊接622024 年 2 月西 部 特 种 设 备如图 10、图 11 所示。焊缝微观组织为奥氏体柱状晶和胞状晶组织，热影响区微观组织为奥氏体组织，并存在奥氏体孪晶相。图 11 热影响区微观5.3 晶间腐蚀试验晶间腐蚀试验按照金属和合金的腐蚀 奥氏体及铁素体奥氏体（双相）不锈钢晶间腐蚀试验方法（GB/T 43342020）标准中的试验方法C 进行 65%硝酸腐蚀试验，腐蚀试样需要包括焊缝金属、换热管母材、管板母材，腐蚀试样规格为 43 mm43 mm，以管板面为基准，试样厚度为1 mm，共进行两个晶间腐蚀试验，腐蚀试样如图12 所示。图 12 腐蚀试样GB/T 4334 标准的试验方法 C 规定的试验周期为 5 个周期，310S 不锈钢的耐腐蚀性优异于大多数不锈钢，为了进一步验证其耐腐蚀性能，此次晶间腐蚀试验进行了 15 个周期的试验。腐蚀试样在 65%硝酸溶液中连续煮沸 48 h 为一个周期，每个周期后取出试样，在流水中用软刷子刷掉表面的腐蚀产物，洗净、干燥、称重，如此进行 15 次后，其腐蚀试验结果如表 5 所示。两个腐蚀试样经过 15 个周期的腐蚀后，平均腐蚀率为试样编号腐蚀率/（mma-1）平均腐蚀率/（mma-1）1#第一周期第二周期第三周期第四周期第五周期0.070.080.060.080.070.05第六周期第七周期第八周期第九周期第十周期0.070.070.080.060.07第十一周期第十二周期第十三周期第十四周期第十五周期0.060.070.080.060.082#第一周期第二周期第三周期第四周期第五周期0.070.100.070.070.070.07第六周期第七周期第八周期第九周期第十周期0.060.060.070.070.06第十一周期第十二周期第十三周期第十四周期第十五周期0.070.060.070.070.07表 5晶间腐蚀试验结果第 7 卷 第 1 期630.07 mm/a，远低于不锈钢压力容器晶间腐蚀敏感性检验（GB/T 214332008）标准中的0.30 mm/a 合格指标的要求，表现出了优异的抗晶间腐蚀的能力。试样经过晶间腐蚀试验后，在试样表面腐蚀最严重的位置截取截面试样，截面试样经磨制抛光后，在金相显微镜下检测表面的最大腐蚀深度，1#试样腐蚀深度为 7 m，2#试样腐蚀深度为10 m，腐蚀深度检测结果如图 13、图 14 所示。图 13 1#试样腐蚀深度图 14 2#试样腐蚀深度6 结语通过对 310S 不锈钢的性能介绍以及焊接热裂纹敏感性、晶间腐蚀的原因分析和上述的管子管板焊接试验，可得到以下结论：（1）对310S不锈钢焊接热裂纹敏感性分析，通过对母材及焊材 S、P 杂质元素的控制以及管子管板焊接接头设计成低应力的结构形式，焊接过程中采用小电流焊接，并严格控制层间温度，避免了焊接热裂纹的产生。（2）310S 不锈钢管子管板采用手工 GTAW焊接方法焊接，采用多层多道焊工艺，焊接方向为立向上焊接，试板经 PT、RT 无损检测以及宏观金相试验的检测，管子管板焊接接头无焊接裂纹、焊缝根部未焊透、气孔、未熔合等缺陷。管子管板焊接接头 L 值以及最小泄漏通道 r 值等尺寸的检测结果满足相关标准的要求。（3）对管子管板焊接接头进行微观金相试验，未发现焊缝及焊接热影响区存在显微裂纹缺陷，管子管板的焊接质量良好。（4）通过控制 310S 不锈钢母材、焊材的含碳量，采用小电流焊接，焊接过程中严格控制层间温度，管子管板焊接接头按照 GB/T 4334 标准的试验方法 C 进行 15 个周期腐蚀试验后，其平均腐蚀率为 7 mm/a，最大腐蚀深度仅 10 m，表明焊接接头具有优异的抗晶间腐蚀的能力。参考文献赵虎.310S 耐热不锈钢的焊接性及焊接技术 J.干燥技术与设备，2011（2）：3.刘玉祥.S31254 不锈钢埋弧焊焊接工艺研究 J.化工设备与管道，2021.American Welding society.AWS G2.3,Guide for the joining of solid solution austenitic stainless steelsS,3rd edition,2012.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.不锈钢压力容器晶间腐蚀敏感性检验：GB/T 214332008.S.北京:中国标准出版社.2008.梁鸿义.关于改变管壳式换热器管子与管板焊接结构形式的探讨 J.中国锅炉压力容器安全，2003.蒋文春，巩建鸣，陈虎，等.换热器管子与管板焊接接头残余应力数值模拟 J.焊接学报，2006，27（12）：4.刘玉祥.钛管子管板自动钨极氩弧焊工艺 J.化工设备与管道，2021（058-006）.1 234567刘玉祥，等：310S 奥氏体不锈钢管子管板焊接20 m20 m