超级双相不锈钢2507及其焊接工艺

徐玉强，杨尚玉，许可望，马洪伟，王培永

(海洋石油工程股份有限公司，天津300452)

0 前言

20世纪60年代双相不锈钢由欧洲材料研究人员开发，凭借着其兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点以及人类对抵抗日益恶劣腐蚀环境材料的需求而迅速发展。双相不锈钢是指铁素体和奥氏体各占50%，最小相含量也要达到30%的不锈钢。双相不锈钢的发展历经了三个阶段：①不含Mo低合金化的第一代双相不锈钢，以2304为典型代表，这类不锈钢具有一定的耐腐蚀性，但不能用于腐蚀性较强的环境下；②含Mo的标准双相不锈钢，以2205为典型代表，这类双相不锈钢耐蚀性能比第一代双相不锈钢高很多，在工业界得到了广泛应用；③超级双相不锈钢，由于Cr、Ni含量显著高于标准双相不锈钢，通常称为超级双相不锈钢，其中2507是最为典型和工业界应用较广泛的超级双相不锈钢钢种，耐腐蚀性能比标准双相不锈钢更高。

超级双相不锈钢化学成分中含有约25%的Cr、6%～7%的 Ni和 3%～4%的Mo，其 PRE值（抗点蚀当量，Pitting Resistance Equivalent，PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%）一般大于40，具有极高的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀（SCC）和均匀腐蚀的性能，能够用于非常恶劣的腐蚀环境中。2507钢化学成分中还含有约0.3%的N，其机械强度比标准双相不锈钢也要高出许多。在非常恶劣腐蚀环境下，必须使用镍基合金或钛等昂贵的金属材料，而2507的出现提供了一种相对低廉的选择。

随着石油天然气工业的快速发展，腐蚀造成的经济损失和安全问题逐渐引起人们的关注。在石油天然气开采、输送和炼化过程中，氯离子、CO2和H2S腐蚀是油气田设备管线系统中普遍存在的严重问题。在中海石油（中国）有限公司开发的南海乐东22-1/15-1气田工程项目中，为应对天然气中富含的氯离子、CO2和H2S腐蚀问题，工艺设计人员选用了超级双相不锈钢2507作为海上平台井口管汇系统的管线材料。为使焊接接头满足力学性能和设计要求的抗腐蚀性能，进行了大量焊接试验，最终成功掌握了2507的焊接工艺。

1 超级双相钢2507的主要性能

1.1 化学成分和力学性能

双相不锈钢2507、2205和2304的力学性能见表1，化学成分见表2。由于铁素体的存在，双相不锈钢的屈服强度明显高于奥氏体不锈钢，其中2507屈服强度Rp0.2达到了550 MPa以上，双相钢与常用奥氏体不锈钢的屈服强度对比见图1。此外，双相不锈钢的线膨胀系数显著低于316L奥氏体不锈钢，略高于碳钢，这样焊后残余应力和焊接变形相比奥氏体不锈钢则更易控制，2507钢与316L不锈钢和碳钢的线膨胀系数对比见图2。

表1 双相不锈钢主要力学性能

表2 双相不锈钢化学成分 %

图1 双相不锈钢与常用奥氏体不锈钢屈服强度对比

图2 2507与316L和碳钢线膨胀系数对比（20℃～100℃）

1.2 相比例

双相不锈钢最合适的比例是奥氏体和铁素体各占约50%，但由于焊接及热加工等原因，通常需要保证铁素体含量介于35%～50%，以确保强度和抗腐蚀性能的最佳综合性能，这一点同样适用于2507钢。奥氏体、铁素体以及双相不锈钢典型的金相组织如图3所示。

图3 奥氏体、铁素体和双相钢典型金相组织

1.3 抗腐蚀性能

（1）晶间腐蚀。由于2507的w(C)控制在0.030%以下，达到了超低碳水平，焊接和热加工时碳化物析出的风险大大降低，这意味着2507具有很高的抗晶间腐蚀性能。

（2）点蚀。不锈钢耐点蚀能力随着钢中Cr、Mo和N含量的增加而增强。由于含有较高的Cr、Mo和N，2507和2205双相不锈钢的PRE值高于常用的奥氏体不锈钢。双相不锈钢与常用奥氏体不锈钢的PRE值对比如图4所示，其中2507双相不锈钢PRE值一般高于42.5。

图4 双相不锈钢与常用奥氏体不锈钢最小PRE值对比

1.4 交货状态

双相不锈钢的交货状态一般为固溶退火。固溶处理时需要快速水冷，以避免脆性相的析出。固溶处理后还需进行退火处理。双相钢的固溶处理温度和介质要求见表3。

表3 双相不锈钢的固溶处理

2 试验方法

选用φ273.1 mm×9.27 mm直缝焊管焊接试件3组，用于焊后的力学性能和腐蚀性能试验，试验过程和方法如下。

2.1 焊接方法和焊材选择

2507钢通常采用GTAW钨极氩弧焊、SMAW手工电弧焊等方法焊接。为兼顾焊接质量和效率，试验中采用GTAW＋SMAW的组合焊接方法。焊接材料选用瑞典Sandvik公司生产的25.10.4L实心TIG焊丝和25.10.4LR焊条。焊材的化学成分见表4，其中焊材中的Ni元素含量明显高于钢材，全焊缝金属典型力学性能见表5。正面和背面保护气体采用φ(Ar)98%＋φ(N2)2%混合气体，保护气体中加入N2主要有两方面作用，一是N元素在焊缝凝固过程中有助于奥氏体的转变从而控制两相平衡，二是焊接过程中补充N元素的烧损，提高焊缝区域的抗腐蚀性能（提高PRE值）。

表4 2507焊材化学成分 %

表5 2507焊材全焊缝金属典型力学性能

2.2 坡口和焊道设计

坡口型式见图 5，开 60°～70°坡口，留 1.0～1.5mm钝边，组对间隙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，其余填充和盖面采用SMAW焊接。

2.3 焊前准备

采用机加工方式获得坡口。焊前，管内外侧距离坡口面50 mm以内区域务必清理干净，确保无油污、锈蚀或其他杂物存在（用丙酮清洗油污）。2507钢和奥氏体不锈钢一样，焊前不需预热。焊条需保存在70℃的保温桶中随用随取。焊接过程中注意保持焊件和焊材的清洁，避免污染。

图5 坡口设计

2.4 工艺参数

为保证焊缝区域的强度和抗腐蚀性能，焊接过程中要严格控制热输入和层间温度。其中热输入量控制在1.5 kJ/mm以下，层间温度控制在100℃以下。热输入量和层间温度控制的主要目的是为了控制焊缝的冷却速度，一方面确保适当比例的奥氏体组织转变形成，另一方面还能避免有害的σ相析出（冷却速度过快，会形成高铁素体含量的组织，冷却速度过慢会形成σ相）。焊接工艺参数见表6。

3 试验结果

3.1 力学试验

常规力学性能试验结果见表7。焊缝接头力学性能试验结果满足设计要求。

3.2 相比例分析

按照ASTM E562对焊接接头铁素体相比例进行测量。在焊缝接头部位7处位置选点测量，选点位置如图6所示。沿试件焊道一周均匀取10个试样截面，抛光刻蚀进行相比例测量。试验母材区、焊缝区和HAZ区金相网格如图7～图9所示。

图6 相比例测量选点位置

表7 焊接接头力学性能试验结果

图8 焊缝区金相网格（×1000）

图9 HAZ区金相网格（×400）

依据相比例网格图分别测量母材区、焊缝区和HAZ区中铁素体的含量，得出铁素体测量结果见表8。母材、焊缝和HAZ区的铁素体含量介于35%～50%之间，满足双相不锈钢焊接的相比例要求。

表8 铁素体相比例测量结果 FN/%

3.3 腐蚀试验

3.3.1 氯离子点蚀试验

金属材料在含氯离子盐溶液中将发生电化学腐蚀，如316L在氯离子环境下服役经一段时间即发生明显点蚀，故316L不锈钢一般不用于富含氯离子的场合。按设计要求，对2507钢抗氯离子腐蚀性能进行试验。按照ASTM A923试验方法C，试验后观察试样表面并测量失重。采用25 mm×50 mm的试样，焊缝位于长度方向的中间部位，通过机加工方式获得，经研磨和抛光处理使表面达到一致光洁度。将试样放入配制好的PH值为1.3、浓度6%的FeCl3溶液中，40℃恒温保持24 h，取出后清理、清洗、吹干、干燥和称重，试验结果见表9。

表9 2507钢焊接接头氯离子点蚀试验结果

根据试验结果，氯离子腐蚀试验后试样表面应无点蚀蚀坑存在，腐蚀速率小于10 mdd，满足设计要求。以上焊缝接头在40℃富氯离子的环境下抗点蚀性能良好。

3.3.2 应力腐蚀SCC试验

CO2的腐蚀机理是CO2溶于水生成碳酸在金属表面发生电化学反应所导致的金属腐蚀行为。H2S的腐蚀机理主要是酸性环境所导致的化学腐蚀。这类腐蚀行为在应力的诱导下会加剧，导致应力腐蚀SCC。按照 ASTM G39取样进行CO2和 H2S两种介质下的应力腐蚀试验，采用四点弯加载形式，试样加载如图10所示。将试样放入配制号的含10%NaCl和 0.5%CH3COOH，PH值为 4.5的溶液中，分别通入CO2和H2S气体，分压10 kPa，50℃恒温保持168 h。H2S应力腐蚀试验方法与CO2应力腐蚀试验的不同在于H2S应力腐蚀试验要给试样加上-850 mV的电位。

试验完成后将试样取出，卸载。经着色探伤，试样表面未见裂纹。将试样从中间截面处剖开，在体式显微镜下观察其截面情况，试样截面未发现应力腐蚀裂纹，如图11所示。

CO2和H2S应力腐蚀试验后，通过着色探伤和体式显微镜观察，试样表面和截面上均未发生应力腐蚀开裂现象，满足设计要求。得出结论，以上焊缝接头在50℃富CO2或H2S环境下抗应力腐蚀性能良好。

4 结论

通过焊接试验，获得了2507钢的焊接工艺参数，掌握了该类钢的焊接技术，解决了生产中的技术难题。

（1）焊材选用瑞典Sandvik公司生产的25.7.4L氩弧焊丝和25.7.4LR焊条。

（2）合理控制热输入量和层间温度，热输入量控制在1.5 kJ/mm以下，层间温度控制在100℃以下，确保双相组织中铁素体含量介于35%～50%。

（3）采用φ(Ar)98%＋φ(N2)2%混合气体对焊接区域正面和背面进行严格保护，得到了力学性能和抗腐蚀性都能满足要求的焊接接头。

超级双相不锈钢2507将以其优良的性能和相对低廉的价格，将在海洋石油天然气工业中得到越 来越广泛的应用。