徐玉強(qiáng)，楊尚玉，許可望，馬洪偉，王培永

(海洋石油工程股份有限公司，天津300452)

0 前言

20世紀(jì)60年代雙相不銹鋼由歐洲材料研究人員開(kāi)發(fā)，憑借著其兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)以及人類(lèi)對(duì)抵抗日益惡劣腐蝕環(huán)境材料的需求而迅速發(fā)展。雙相不銹鋼是指鐵素體和奧氏體各占50%，最小相含量也要達(dá)到30%的不銹鋼。雙相不銹鋼的發(fā)展歷經(jīng)了三個(gè)階段：①不含Mo低合金化的第一代雙相不銹鋼，以2304為典型代表，這類(lèi)不銹鋼具有一定的耐腐蝕性，但不能用于腐蝕性較強(qiáng)的環(huán)境下；②含Mo的標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼，以2205為典型代表，這類(lèi)雙相不銹鋼耐蝕性能比第一代雙相不銹鋼高很多，在工業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用；③超級(jí)雙相不銹鋼，由于Cr、Ni含量顯著高于標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼，通常稱(chēng)為超級(jí)雙相不銹鋼，其中2507是最為典型和工業(yè)界應(yīng)用較廣泛的超級(jí)雙相不銹鋼鋼種，耐腐蝕性能比標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼更高。

超級(jí)雙相不銹鋼化學(xué)成分中含有約25%的Cr、6%～7%的 Ni和 3%～4%的Mo，其 PRE值（抗點(diǎn)蝕當(dāng)量，Pitting Resistance Equivalent，PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%）一般大于40，具有極高的抗點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕（SCC）和均勻腐蝕的性能，能夠用于非常惡劣的腐蝕環(huán)境中。2507鋼化學(xué)成分中還含有約0.3%的N，其機(jī)械強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼也要高出許多。在非常惡劣腐蝕環(huán)境下，必須使用鎳基合金或鈦等昂貴的金屬材料，而2507的出現(xiàn)提供了一種相對(duì)低廉的選擇。

隨著石油天然氣工業(yè)的快速發(fā)展，腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失和安全問(wèn)題逐漸引起人們的關(guān)注。在石油天然氣開(kāi)采、輸送和煉化過(guò)程中，氯離子、CO2和H2S腐蝕是油氣田設(shè)備管線系統(tǒng)中普遍存在的嚴(yán)重問(wèn)題。在中海石油（中國(guó)）有限公司開(kāi)發(fā)的南海樂(lè)東22-1/15-1氣田工程項(xiàng)目中，為應(yīng)對(duì)天然氣中富含的氯離子、CO2和H2S腐蝕問(wèn)題，工藝設(shè)計(jì)人員選用了超級(jí)雙相不銹鋼2507作為海上平臺(tái)井口管匯系統(tǒng)的管線材料。為使焊接接頭滿足力學(xué)性能和設(shè)計(jì)要求的抗腐蝕性能，進(jìn)行了大量焊接試驗(yàn)，最終成功掌握了2507的焊接工藝。

1 超級(jí)雙相鋼2507的主要性能

1.1 化學(xué)成分和力學(xué)性能

雙相不銹鋼2507、2205和2304的力學(xué)性能見(jiàn)表1，化學(xué)成分見(jiàn)表2。由于鐵素體的存在，雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度明顯高于奧氏體不銹鋼，其中2507屈服強(qiáng)度Rp0.2達(dá)到了550 MPa以上，雙相鋼與常用奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度對(duì)比見(jiàn)圖1。此外，雙相不銹鋼的線膨脹系數(shù)顯著低于316L奧氏體不銹鋼，略高于碳鋼，這樣焊后殘余應(yīng)力和焊接變形相比奧氏體不銹鋼則更易控制，2507鋼與316L不銹鋼和碳鋼的線膨脹系數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖2。

表1 雙相不銹鋼主要力學(xué)性能

表2 雙相不銹鋼化學(xué)成分 %

圖1 雙相不銹鋼與常用奧氏體不銹鋼屈服強(qiáng)度對(duì)比

圖2 2507與316L和碳鋼線膨脹系數(shù)對(duì)比（20℃～100℃）

1.2 相比例

雙相不銹鋼最合適的比例是奧氏體和鐵素體各占約50%，但由于焊接及熱加工等原因，通常需要保證鐵素體含量介于35%～50%，以確保強(qiáng)度和抗腐蝕性能的最佳綜合性能，這一點(diǎn)同樣適用于2507鋼。奧氏體、鐵素體以及雙相不銹鋼典型的金相組織如圖3所示。

圖3 奧氏體、鐵素體和雙相鋼典型金相組織

1.3 抗腐蝕性能

（1）晶間腐蝕。由于2507的w(C)控制在0.030%以下，達(dá)到了超低碳水平，焊接和熱加工時(shí)碳化物析出的風(fēng)險(xiǎn)大大降低，這意味著2507具有很高的抗晶間腐蝕性能。

（2）點(diǎn)蝕。不銹鋼耐點(diǎn)蝕能力隨著鋼中Cr、Mo和N含量的增加而增強(qiáng)。由于含有較高的Cr、Mo和N，2507和2205雙相不銹鋼的PRE值高于常用的奧氏體不銹鋼。雙相不銹鋼與常用奧氏體不銹鋼的PRE值對(duì)比如圖4所示，其中2507雙相不銹鋼P(yáng)RE值一般高于42.5。

圖4 雙相不銹鋼與常用奧氏體不銹鋼最小PRE值對(duì)比

1.4 交貨狀態(tài)

雙相不銹鋼的交貨狀態(tài)一般為固溶退火。固溶處理時(shí)需要快速水冷，以避免脆性相的析出。固溶處理后還需進(jìn)行退火處理。雙相鋼的固溶處理溫度和介質(zhì)要求見(jiàn)表3。

表3 雙相不銹鋼的固溶處理

2 試驗(yàn)方法

選用φ273.1 mm×9.27 mm直縫焊管焊接試件3組，用于焊后的力學(xué)性能和腐蝕性能試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程和方法如下。

2.1 焊接方法和焊材選擇

2507鋼通常采用GTAW鎢極氬弧焊、SMAW手工電弧焊等方法焊接。為兼顧焊接質(zhì)量和效率，試驗(yàn)中采用GTAW＋SMAW的組合焊接方法。焊接材料選用瑞典Sandvik公司生產(chǎn)的25.10.4L實(shí)心TIG焊絲和25.10.4LR焊條。焊材的化學(xué)成分見(jiàn)表4，其中焊材中的Ni元素含量明顯高于鋼材，全焊縫金屬典型力學(xué)性能見(jiàn)表5。正面和背面保護(hù)氣體采用φ(Ar)98%＋φ(N2)2%混合氣體，保護(hù)氣體中加入N2主要有兩方面作用，一是N元素在焊縫凝固過(guò)程中有助于奧氏體的轉(zhuǎn)變從而控制兩相平衡，二是焊接過(guò)程中補(bǔ)充N(xiāo)元素的燒損，提高焊縫區(qū)域的抗腐蝕性能（提高PRE值）。

表4 2507焊材化學(xué)成分 %

表5 2507焊材全焊縫金屬典型力學(xué)性能

2.2 坡口和焊道設(shè)計(jì)

坡口型式見(jiàn)圖 5，開(kāi) 60°～70°坡口，留 1.0～1.5mm鈍邊，組對(duì)間隙2.5～3.5 mm，6G位置焊接。其中封底和第1道填充采用GTAW焊接，其余填充和蓋面采用SMAW焊接。

2.3 焊前準(zhǔn)備

采用機(jī)加工方式獲得坡口。焊前，管內(nèi)外側(cè)距離坡口面50 mm以?xún)?nèi)區(qū)域務(wù)必清理干凈，確保無(wú)油污、銹蝕或其他雜物存在（用丙酮清洗油污）。2507鋼和奧氏體不銹鋼一樣，焊前不需預(yù)熱。焊條需保存在70℃的保溫桶中隨用隨取。焊接過(guò)程中注意保持焊件和焊材的清潔，避免污染。

圖5 坡口設(shè)計(jì)

2.4 工藝參數(shù)

為保證焊縫區(qū)域的強(qiáng)度和抗腐蝕性能，焊接過(guò)程中要嚴(yán)格控制熱輸入和層間溫度。其中熱輸入量控制在1.5 kJ/mm以下，層間溫度控制在100℃以下。熱輸入量和層間溫度控制的主要目的是為了控制焊縫的冷卻速度，一方面確保適當(dāng)比例的奧氏體組織轉(zhuǎn)變形成，另一方面還能避免有害的σ相析出（冷卻速度過(guò)快，會(huì)形成高鐵素體含量的組織，冷卻速度過(guò)慢會(huì)形成σ相）。焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表6。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 力學(xué)試驗(yàn)

常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。焊縫接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 相比例分析

按照ASTM E562對(duì)焊接接頭鐵素體相比例進(jìn)行測(cè)量。在焊縫接頭部位7處位置選點(diǎn)測(cè)量，選點(diǎn)位置如圖6所示。沿試件焊道一周均勻取10個(gè)試樣截面，拋光刻蝕進(jìn)行相比例測(cè)量。試驗(yàn)?zāi)覆膮^(qū)、焊縫區(qū)和HAZ區(qū)金相網(wǎng)格如圖7～圖9所示。

圖6 相比例測(cè)量選點(diǎn)位置

表7 焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖8 焊縫區(qū)金相網(wǎng)格（×1000）

圖9 HAZ區(qū)金相網(wǎng)格（×400）

依據(jù)相比例網(wǎng)格圖分別測(cè)量母材區(qū)、焊縫區(qū)和HAZ區(qū)中鐵素體的含量，得出鐵素體測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表8。母材、焊縫和HAZ區(qū)的鐵素體含量介于35%～50%之間，滿足雙相不銹鋼焊接的相比例要求。

表8 鐵素體相比例測(cè)量結(jié)果 FN/%

3.3 腐蝕試驗(yàn)

3.3.1 氯離子點(diǎn)蝕試驗(yàn)

金屬材料在含氯離子鹽溶液中將發(fā)生電化學(xué)腐蝕，如316L在氯離子環(huán)境下服役經(jīng)一段時(shí)間即發(fā)生明顯點(diǎn)蝕，故316L不銹鋼一般不用于富含氯離子的場(chǎng)合。按設(shè)計(jì)要求，對(duì)2507鋼抗氯離子腐蝕性能進(jìn)行試驗(yàn)。按照ASTM A923試驗(yàn)方法C，試驗(yàn)后觀察試樣表面并測(cè)量失重。采用25 mm×50 mm的試樣，焊縫位于長(zhǎng)度方向的中間部位，通過(guò)機(jī)加工方式獲得，經(jīng)研磨和拋光處理使表面達(dá)到一致光潔度。將試樣放入配制好的PH值為1.3、濃度6%的FeCl3溶液中，40℃恒溫保持24 h，取出后清理、清洗、吹干、干燥和稱(chēng)重，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 2507鋼焊接接頭氯離子點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，氯離子腐蝕試驗(yàn)后試樣表面應(yīng)無(wú)點(diǎn)蝕蝕坑存在，腐蝕速率小于10 mdd，滿足設(shè)計(jì)要求。以上焊縫接頭在40℃富氯離子的環(huán)境下抗點(diǎn)蝕性能良好。

3.3.2 應(yīng)力腐蝕SCC試驗(yàn)

CO2的腐蝕機(jī)理是CO2溶于水生成碳酸在金屬表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)所導(dǎo)致的金屬腐蝕行為。H2S的腐蝕機(jī)理主要是酸性環(huán)境所導(dǎo)致的化學(xué)腐蝕。這類(lèi)腐蝕行為在應(yīng)力的誘導(dǎo)下會(huì)加劇，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕SCC。按照 ASTM G39取樣進(jìn)行CO2和 H2S兩種介質(zhì)下的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，采用四點(diǎn)彎加載形式，試樣加載如圖10所示。將試樣放入配制號(hào)的含10%NaCl和 0.5%CH3COOH，PH值為 4.5的溶液中，分別通入CO2和H2S氣體，分壓10 kPa，50℃恒溫保持168 h。H2S應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法與CO2應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)的不同在于H2S應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)要給試樣加上-850 mV的電位。

試驗(yàn)完成后將試樣取出，卸載。經(jīng)著色探傷，試樣表面未見(jiàn)裂紋。將試樣從中間截面處剖開(kāi)，在體式顯微鏡下觀察其截面情況，試樣截面未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋，如圖11所示。

CO2和H2S應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)后，通過(guò)著色探傷和體式顯微鏡觀察，試樣表面和截面上均未發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象，滿足設(shè)計(jì)要求。得出結(jié)論，以上焊縫接頭在50℃富CO2或H2S環(huán)境下抗應(yīng)力腐蝕性能良好。

4 結(jié)論

通過(guò)焊接試驗(yàn)，獲得了2507鋼的焊接工藝參數(shù)，掌握了該類(lèi)鋼的焊接技術(shù)，解決了生產(chǎn)中的技術(shù)難題。

（1）焊材選用瑞典Sandvik公司生產(chǎn)的25.7.4L氬弧焊絲和25.7.4LR焊條。

（2）合理控制熱輸入量和層間溫度，熱輸入量控制在1.5 kJ/mm以下，層間溫度控制在100℃以下，確保雙相組織中鐵素體含量介于35%～50%。

（3）采用φ(Ar)98%＋φ(N2)2%混合氣體對(duì)焊接區(qū)域正面和背面進(jìn)行嚴(yán)格保護(hù)，得到了力學(xué)性能和抗腐蝕性都能滿足要求的焊接接頭。

超級(jí)雙相不銹鋼2507將以其優(yōu)良的性能和相對(duì)低廉的價(jià)格，將在海洋石油天然氣工業(yè)中得到越 來(lái)越廣泛的應(yīng)用。