国产超级奥氏体不锈钢SB-690 N08367换热管与管板的焊接研究

张凯翔，张建晓，尤秀美，陶彦文，王丛元

(1.兰州兰石重型装备股份有限公司，兰州 730314；2.甘肃省压力容器特种材料焊接重点实验室，兰州 730314)

0 引言

随着我国能源市场需求量的激增，石油化工、电厂电站等行业的发展十分迅猛，石油化工中的油罐和管道、电厂电站中的烟气脱硫等腐蚀环境均需要大量耐腐蚀金属材料；同时由于装置的大型化，对设备的耐腐蚀要求和使用寿命都提出了更高的要求，普通的奥氏体不锈钢已无法满足工况的要求，因此采用Cr,Ni,Mo等合金含量更高的超级奥氏体不锈钢以适应各种酸性、碱性及其他苛刻环境显得尤为必要。

SB-690 N08367是低碳高纯氮超级奥氏体不锈钢，Cr,Ni,Mo含量较高，其中Mo含量达到6%～7%，使其具有优异的耐氯离子点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀性能，它的属性使其在酸或碱性环境下都表现出良好的性能[1-5]。

国产及进口SB-690 N08367换热管的化学成分、力学性能、晶粒度、腐蚀试验等对比分别如表1,2所示。从表1可以看出，SB-690 N08367钢中Cr,Ni,Mo含量明显高于GB/T 24511—2017《承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带》中的304L,316L和317L不锈钢[6]。与普通的18Cr-8Ni奥氏体不锈钢相比，SB-690 N08367增加了抗腐蚀元素的含量。从表2中可以看出，国产及进口SB-690 N08367换热管各方面性能基本相当。

表1 超级奥氏体不锈钢换热管SB-690 N08367的化学成分

表2 超级奥氏体不锈钢换热管SB-690 N08367的性能试验

1 超级奥氏体不锈钢的焊接特点

SB-690 N08367具有较好的韧性、塑性，焊接时不会发生淬火硬化，其线膨胀系数比碳钢大，焊接过程中有很大的塑性应力[7-8]，带来以下焊接性的问题：一是焊接热裂纹，这与超级奥氏体不锈钢的晶界特性和对某些微量杂质如S,P等敏感有关；二是焊接变形大。

因此，对于SB-690 N08367的焊接，应严格控制母材中的S,P等有害元素[10]，选用低S,P含量的焊材，为了获得与母材较为接近的腐蚀性能，需要选用高Mo合金的焊材，综合考虑，焊接材料选用NiCrMo-3和NiCrMo-4的镍基合金焊材[11]。

2 模拟管板堆焊试验

模拟管板选用Q345R分别堆焊ENiCrMo-3(试板1)和ENiCrMo-4(试板2)，规格350 mm×240 mm×δ40 mm，堆焊层厚度8 mm，其中2块进行力学性能检测、腐蚀试验[12]等；另外2块用于模拟管板(管板分别堆焊ENiCrMo-3和ENiCrMo-4)+国产换热管(规格∅25 mm×2.0 mm)的焊接试验。

2.1 焊接工艺参数

模拟管板堆焊的焊接工艺参数如表3所示。

表3 模拟管板堆焊参数

2.2 焊接试验过程

图1示出试板焊前打磨清理及预热处理，图2示出试板堆焊的情况。

图1 试板打磨清理及预热处理情况

图2 试板焊接现场

2.3 外观检查及无损检测

焊后对试板进行外观检查，表面堆焊焊道成形良好，焊道与焊道搭接处无咬边等缺陷，并按NB/T 47013—2015标准Ⅰ级要求对焊缝表面进行100%UT和100%PT检测，结果均合格。

2.4 热处理工艺及检测项目

试板堆焊后进行去应力退火，并对试板进行性能检测，具体见表4。

表4 热处理工艺及检测项目

2.5 堆焊试板理化性能检测

(1)堆焊层化学成分。

解决对策：在持续高温干旱季节除袋，尤其是供应双节市场的套袋苹果，有条件的可在除袋前后灌1次小水（渗灌），有利于减少日灼病和促进果实着色。无灌水条件的果园，每天傍晚5∶00—8∶00或间隔1天喷清水，喷时最好加益微1 500～2 000倍液或众望所归纳米水溶硅800～1 000倍液或天达2116或肽神800～1 000倍液，以利增加果面光洁度，除锈、上蜡、增色，二来降低温度，增加湿度，防日灼，保持比较稳定的土壤湿度和空气温度，加大昼夜温差，坚持5～7天，直到降温，或再结合涂干（探路先锋或CA2000果氨宝氨基酸+天达2116或海之宝），对防日灼和增加全红果比率有一定作用。

根据GB/T 14203—2016《火花放电原子发射光谱分析法》对堆焊层进行化学成分分析，见表5，结果符合标准要求。

表5 堆焊层化学成分

(2)力学性能检测。

按GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》对试板1，2取样进行力学性能检测，结果均合格，见表6。图3，4分别示出大、小侧弯试样。

表6 模拟管板的力学性能检测

图3 大、小侧弯试样(试板1)

图4 大、小侧弯试样(试板2)

(3)宏观检查。

试样经酸蚀后，检查所有受检面，均未发现裂纹、未熔合、夹渣等焊接缺陷，如图5，6所示。

图5 宏观检查试样(试板1)

图6 宏观检查试样(试板2)

(4)金相组织及硬度。

按GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》和GB/T 4340.1—2009《金属材料维氏硬度试验》对试板1，2取样进行金相组织及硬度检测，结果符合标准要求，具体见表7，金相组织照片如图7，8所示。

表7 模拟管板的金相组织及硬度

图7 堆焊层金相组织(试板1)

图8 堆焊层金相组织(试板2)

(5)腐蚀试验。

按ASTM G28—2002《锻制高镍铬轴承合金晶间腐蚀敏感性检测的标准试验方法》和GB/T 4334—2008《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》分别对试板1,2取样进行腐蚀试验，结果见表8，均满足要求。

表8 模拟管板的腐蚀试验

3 模拟管板与换热管焊接试验

3.1 试板制备

将上述堆焊完成的试板1(Q345R+ENiCrMo-3)、试板2(Q345R+ENiCrMo-4)作为模拟管板进行试验。换热管牌号：SB-690 N08367(规格为∅25 mm×2.0 mm)。

图9 管孔加工结构示意

将上述试板1，2堆焊层加工平整，保证堆焊层的厚度为8 mm，先按照图9所示加工成模拟管板，再按照图10进行换热管+管板的焊接。焊材分别选用国产 ERNiCrMo-3(∅2.0 mm)和ERNiCrMo-4(∅2.0 mm)，焊接工艺参数按表9执行。

图10 换热管与管板连接结构示意

表9 模拟换热管+管板的焊接工艺参数

3.2 外观检查及无损检测

焊后对试板进行外观检测，焊缝表面成形良好，焊道与焊道搭接处无咬边等缺陷，并按照NB/T 47013—2015标准Ⅰ级要求对焊缝表面进行100%PT检测，结论合格。

3.3 理化性能检测

(1)宏观检查。按NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》中的附录D对试板1，2取样进行宏观检查及角焊缝厚度测量，试样1，2经酸蚀后检查受检面，均未发现裂纹，未熔合等焊接缺陷，均满足要求，图11示出了宏观检查试样。

图11 试板1，2宏观检查

(2)硬度检测及角焊缝厚度测量。按GB/T 4340.1—2009和NB/T 47014—2011附录D对试板1，2取样进行硬度检测及角焊缝厚度测量，结果见表10，均满足要求。

表10 试件的硬度检测及角焊缝厚度测量结果

4 结语

(1)从进口超级奥氏体不锈钢换热管的ASME SB-690标准与国产超级奥氏体不锈钢换热管SB-690 N08367的技术条件上可以看出，两者之间化学成分、力学性能、晶粒度、硬度及晶间腐蚀基本相当，国产换热管可以代替进口换热管用于生产。

(2)SB-690 N08367换热管的焊材选用ENiCrMo-3和ENiCrMo-4均能满足技术条件要求。

(3)通过对国产超级奥氏体不锈钢SB-690 N08367焊接试板进行化学成分、力学性能、腐蚀性能等检测，结果表明，国产超级奥氏体不锈钢换热管SB-690 N08367的各项性能均满足标准和技术条件要求，证明所选用的焊接材料、焊接工艺正确合理，使得采用国产超级奥氏体不锈钢换热管代替进口超级奥氏体不锈钢、双相不锈钢、镍基合金等换热管的应用成为现实，降低了设备采购成本，最大限度地提高了设备使用的安全性和可靠性。

(4)该试验结果已应用于某公司炼化一体化项目上，设备已运行约两年，用户反馈运行状态良好。