淺談不銹鋼堆焊層鐵素體測算方法

1、淺談不銹鋼堆焊層鐵素體測算方法The Researches of the Gauging & Calculating Methods Of Ferrite Content in Stainless Build-up Weld大連東北核工業(yè)設備無損檢測有限公司 范業(yè)軍內(nèi)容摘要 本文對加氫反應器制造工程技術條件中奧氏體不銹鋼堆焊層鐵素體含量測算方法做一簡介，通過分析對比以及試驗研究提出粗淺看法，僅做參考。Based on analysiss, compares, tests and researches, this paper introduces the gauging and calculat

2、ing methods of ferrite content in stainless build-up weld provided by specifications for producing the hydro-processing reactors.1 引子隨著我國石化行業(yè)大型成套裝置國產(chǎn)化進程的加快，我廠承接高溫高壓臨氫設備和耐腐蝕設備的品種數(shù)量也在增加。以臨氫設備為例，我廠制造過的材質(zhì)有以1Cr-0.5Mo鋼、鋼、2.25Cr-1Mo為基體，其上堆焊雙復層不銹鋼。設備的設計溫度大多在300550，屬熱壁加氫反應器。這類設備制造技術條件有多種，我們接觸的具有代表性的有如下版本：（1）

3、中石化北京設計院的15CrMo(1Cr-0.5Mo)鋼板制臨氫設備制造技術條件(簡稱“A”)。（2）中石化北京設計院的XXX煉油廠催化重整-柴油加氫聯(lián)合裝置加氫反應器說明書(簡稱“B”)。（3）中石化洛陽石化工程公司的 XXX煉油廠改擴建工程加氫精制反應器技術要求(簡稱“C”)。（4）雪佛龍技術開發(fā)公司(Chevron Research and Technology Company)的Cr-Mo低合金鋼制加氫反應器技術條件(簡稱“D”)。上述版本的技術條件均適用于煉廠中的加氫精制、催化重整等裝置中以Cr-Mo鋼為基材的加氫反應器。都要求有一定厚度（66.5mm）的雙復層堆焊（309+347型或

4、309L+347L型）（D版本還規(guī)定，可以雙復層，也可單復層只堆焊347型）。其耐腐蝕層的厚度均規(guī)定為3mm或按圖樣，且耐蝕層的鐵素體含量要控制在一定范圍（311%）。但在鐵素體測算方法上，存在明顯差異，本文對此做出評論。2 對堆焊層化學成分及鐵素體含量的要求2.1鐵素體含量的控制焊縫中有一定量鐵素體能降低焊縫金屬的熱裂傾向，提高耐晶間腐蝕性能。文獻1指出：焊縫中的相可以打亂單一奧氏體柱狀晶的方向性，避免貧鉻層貫穿于晶粒之間構(gòu)成腐蝕介質(zhì)的集中通道；敏化加熱時，富鉻碳化物最易于在兩相界面相一側(cè)形核，從而大大減少了沿奧氏體晶界碳化物的析出。但鐵素體含量高，不僅在某些介質(zhì)中會引起選擇性腐蝕2，而且會

5、造成相脆化。加氫反應器制造過程中往往經(jīng)過多次650以上的熱處理，累計時間可達到20多小時，且設備長期在高溫下運行，可能使堆焊層的鐵素體發(fā)生相的轉(zhuǎn)變，造成堆焊層的脆化。因此，對鐵素體含量必須予以控制。文獻3指出：相含量應不超過9%；文獻2推薦控制在412%。上述版本對鐵素體含量控制范圍以及測算方法不同，其中版本B提出了兩套要求：對于工藝評定，相按Schaeffler圖計算，410%合格；對于產(chǎn)品焊接，既要求按Schaeffler圖計算，310%合格，又要求用磁性儀測量，此時要求顯示數(shù)據(jù)13%為合格(超過時允許用Schaeffler圖驗證，不合格必須返修)。各版本對鐵素體含量及測算方法的規(guī)定詳見表

6、1。表1 對鐵素體的要求版本含量測算方法A410%磁性儀，Schaeffler圖作參考B410%Schaeffler圖C310%Delong圖D311FN磁性儀1.2化學成分的控制焊縫金屬的耐蝕性和鐵素體含量，很大程度上取決于于化學成分。上述版本對C,Cr,Ni,Nb四種元素均有規(guī)定，對其他元素的要求有差異，詳見表2。表2 對化學成分的要求 ，%版本CSiMnCrNiSPCuNbMoA0.04/18.020.08.013.0/10C/B0.050.901.02.518.021.09.011.00.030.040.208C1.00.5C0.050.901.02.518.021.09.011.00

7、.030.040.58C1.00.5D0.080.300.52.518.021.09.011.00.030.040.758C1.00.75備注:除表中規(guī)定元素外，還應分析出Si、S、Mn的含量提供給用戶。 其中包含Ta元素。版本A,B,C要求耐蝕層有效厚度3mm，并規(guī)定在表面以下某個位置取樣；版本D規(guī)定按圖紙要求取樣。3 鐵素體的測算方法3.1 Schaeffler圖（見圖1）Schaeffler圖 ，是利用鐵素體形成元素和奧氏體形成元素的比例，通過鉻當量（Creq）和鎳當量（Nieq）的計算來確定堆焊層中鐵素體的含量。由于它比較簡便，人們很早就將其用于工程實踐，并被納入ASME規(guī)范（95版以

8、前）。3.2 Delong圖（見圖2）Delong圖是chaeffler圖的改進型，主要是考慮了氮元素的強烈影響，同時引入美國焊接科學研究委員會（WRC）的鐵素體數(shù)（FN）的計量方法（即該圖中同時有百分數(shù)和鐵素體數(shù)兩種計量方法），它被認為是對Schaeffler圖最有價值的改進4。因此，1995版的ASME第卷C篇中它已經(jīng)取代了Schaeffler圖。3.3 WRC-1998圖（見圖3）用于測算以鐵素體數(shù)（FN）為單位的鐵素體含量（取消了百分數(shù)計量方法）。WRC焊接分委員會和國際焊接學會（IIW）第委員會的研究工作表明： 圖1 Schaeffler圖2 圖2 Delong圖4圖3 WRC-19

9、98圖4采用這張圖比Delong圖，鐵素體的測定值與計算值之間有更好的對應關系。因此，1998年版以后的ASME第卷C篇中Delong圖又被WRC圖取代。引用Delong圖或WRC 圖，是否考慮氮元素的影響，對鐵素體含量計算結(jié)果影響很大。目前洛陽院標準雖然引用Delong圖，但對N含量未做限制，制造廠往往忽略了其計算，從而造成失誤。比如PQR No. 2Y54，按Delong圖計算，是否計入氮，結(jié)果如下表3，可見差異是明顯的。表3 是否計入氮元素對計算結(jié)果的影響計算時Ni當量，%相含量，%備 注不計入氮11.77.1與Schaeffler圖相同計入氮13.53.0注：Cr當量相同。3.4鐵素體

10、磁性儀Chevron標準中使用的是鐵素體磁性儀，使用前要按AWSA4.2測定奧氏體和奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼焊縫金屬中相鐵素體含量的方法和磁性測定儀的標定標準方法進行校準。目前，ASME、JIS、BS、ISO 等許多標準都采用這種方法。4 試驗研究多年來我廠制造的加氫設備中，上述方法都用過，也獲得了大量的數(shù)據(jù)。本文著重介紹采用埋弧帶極堆焊（鋼帶接正極）的三項試驗。4.1試驗條件和結(jié)果試驗的焊接材料均采用日本神鋼（KOBE）鋼帶/焊劑，這是我廠經(jīng)過多年實踐選定的堆焊材料，性能比較穩(wěn)定，且能夠滿足加氫反應器的要求。焊接時采用相同的電流密度、電壓和焊接速度。試驗條件見表4，試驗結(jié)果見表5和表6。表4

11、 焊接工藝評定試驗條件PQR編號鋼帶規(guī)格mm焊接材料焊接電流A電壓V焊速cm/min過渡層耐蝕層2Y3325X0.4USB-309L/PFB-1USB-347LD/PFB-1FK30032026142Y5450X0.460065012142Y5575X0.41000110014表5 堆焊層的化學成分及厚度PQR編號化學成分，%堆焊層厚度mmCSiMnCrNiSPMoNbN2Y330.0320.521.3719.1010.160.0070.0220.150.3950.0067.388.282Y540.0350.501.3818.4010.00.0050.0260.130.280.0068.28.

12、52Y550.0320.6251.5219.1510.610.0050.0200.140.520.00689注：按標準Delong圖的說明，N元素雖未分析，以0.006%計入。表6 堆焊層的鐵素體含量PQR編號Schaeffler圖法Delong圖法WRC圖法磁性儀,%Creq,%Nieq,%,%Creq,%Nieq,%,%Creq,%Nieq,%,FN2Y3320.211.87.520.213.65.719.512.55.14.25.02Y5419.411.77.119.413.53.018.712.43.04.04.52Y5520.512.37.020.514.16.019.712.94.

13、54.05.04.2試驗結(jié)果分析（1）焊接規(guī)范的影響本次試驗的化學成分分析結(jié)果差異不大，焊道厚度大致相當，證明三項試驗焊道稀釋率比較穩(wěn)定，從而排除了稀釋率影響相含量的可能性。我們曾進行過大量的實驗，研究電流密度、電壓、焊接速度與焊道稀釋率、焊道厚度、焊道寬度之間的關系5 ，結(jié)果表明：前三者對后三者有明顯的影響，基本上呈線性關系。（2）鐵素體測算方法的影響Delong圖、WRC圖以及磁性儀的測量結(jié)果比較接近，誤差大約在0.31.3%之間，且WRC圖與磁性儀的測量結(jié)果更吻合。同樣的試驗數(shù)據(jù)，比如PQR No.2Y54，按Schaeffler圖計算，相含量7.1%，是合格的；而按Delong圖計算，

14、相含量3.0%，是不合格的，盡管用磁性儀的測量結(jié)果（相含量4.04.5%）證實是合格的。根據(jù)我們多年的實踐，體會到圖示法存在如下缺欠： (a)工程技術條件給出很多個位置，要求分析。制造廠磨鉆表面堆焊層取樣化驗。我們的許多試驗證明，被取樣破壞的表面不僅有效耐蝕厚度減少，而且耐蝕性有不同程度的降低。(b)反復化驗，反復用人工對比圖驗證，測量誤差加上圖本身的誤差，往往不能反映實際產(chǎn)品的相含量。而磁性儀測定不會破壞金屬表面，其儀器的精度已經(jīng)能夠滿足工程需要，這方面哈焊所作了許多有益的工作，他們制造的F-1型磁性儀精度已經(jīng)達到滿量程的5%6。4.建議由于不銹鋼堆焊層中鐵素體含量對設備的安全運行至關重要，因此成為設計和制造質(zhì)量控制的重要指標。目前國內(nèi)的設計院各自引用測算方法，對制造廠來說，同樣的工作（比如焊接工藝評定），需要重復進行。即使同樣的數(shù)據(jù)，由于測算方法不同，造成鐵素體含量差異很大，往往還成為設備是否判廢的焦點，因此我們建議：4.1以磁性儀的測量為基礎，輔以圖示法作對照。各制造廠可進一步積累數(shù)據(jù)，以校核磁性法與圖示法之間的關聯(lián)。4.2如果堅持用