超级奥氏体不锈钢管道UNS N08367焊接工艺研究

■ 贺诚

超级奥氏体不锈钢指高合金、高性能的奥氏体不锈钢，还具有超低碳、超高洁净度和超高均匀性的特点，其耐孔腐蚀当量PREN≥40。与300系列（304L、316L、317L）奥氏体不锈钢相比，具有更高的强度和耐腐蚀性能，特别是Cl-的酸性腐蚀环境下具有较强抗点腐蚀能力、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀的能力。UNS N08367是美国Allegheny Ludlum公司研发的超级奥氏体不锈钢材料，其Cr、Ni、Mo三种元素的总含量超过50%，PREN≥40，广泛应用于海水脱盐淡化设备、海水管道系统、海水飞溅区的支撑和烟气脱硫装置等，在欧美国家常常被用于替代铜合金。

1.UNS N08367材料性能

（1）化学成分和力学性能 UNS N08367材料是通过氩氧脱碳法（AOD）或真空脱碳炉（VOD）精练技术对杂质元素进行了严格的净化处理，从而提高了材料的耐蚀性能。其化学成分和力学性能如表1、表2所示。

与300系列奥氏体不锈钢相比，N08367的Ni、Mo含量都有显著的提高，其合金含量超过50%。因此，N08367比300系列奥氏体不锈钢具有更高的抗拉强度和更优良的塑性。

（2）焊接性分析 U N S N08367超级奥氏体不锈钢是纯奥氏体组织，在焊态下有较好的塑性和韧性，焊接性与普通奥氏体不锈钢类似。另外，其合金元素的增加，使得熔化金属的流动性变得更差，焊接性比普通奥氏体不锈钢稍差。其主要问题是焊接热裂纹和接头的耐腐蚀性能。

焊接热裂纹：奥氏体不锈钢具有较高的热裂纹敏感性，热裂纹主要产生在焊缝及近缝区域。要防止N08367焊缝热裂纹的产生，应严格控制焊缝中的S、P、Si等杂质元素的含量，选用纯度较高的优质焊接材料。在焊接工艺上，尽可能的采用小的焊接参数，焊前严格清理坡口，保持坡口高清洁度，有合理的焊接顺序，减少焊接应力水平。

表1 UNS N08367 化学成分（质量分数） （%）

表2 UNS N08367 力学性能

焊接接头的耐腐蚀性能：N08367超级奥氏体不锈钢优良的耐腐蚀性能，决定了焊接接头需要有与母材一样的耐腐蚀性能。根据贫铬理论，在晶界上析出碳化铬造成的晶界贫铬是晶间腐蚀的主要原因。因此，选择超低碳焊接材料保证焊缝金属是超低碳的不锈钢，且焊接时应使用小的焊接参数。

2.焊接方法及焊接材料选择

（1）焊接方法 常用的奥氏体不锈钢的焊接方法均适用于N08367超级奥氏体不锈钢的焊接。对于管道材料，为保证根部焊接质量，易于单面焊双面成形，一般选用GTAW或GTAW+SMAW组合的焊接方法。对于管径小、管壁薄的选用GTAW焊接，对于直径大、壁厚厚的管道使用GTAW打底、SMAW填充盖面的方法。

（2）焊接材料选择 根据N08367超级奥氏体不锈钢的化学成分、力学性能以及焊接性的特点，在焊接材料的选择时需要保证其焊缝金属力学性能，同时要保证焊接接头的耐腐蚀性能与母材相当，焊缝金属的抗点腐蚀当量指数PREN≥40。焊接Mo含量为6%的超级奥氏体不锈钢，遵循“高匹配”原则，采用Mo含量达到9%的Ni-Cr-Mo系列镍基合金材料，以确保焊缝金属的耐腐蚀性能，例如NiCrMo合金系列焊接材料。同时，在焊接材料选择时还需要考虑焊接材料的经济性原则。

根据上述焊接材料的选用原则，AWS A5.14，AWS A5.11标准中材料的用途，以及管道焊接需要全位置焊接的工艺要求，NiCrMo-3，NiCrMo-10、NiCrMo-12系列焊接材料均适用于N03867超级奥氏体不锈钢的焊接。母材与焊条熔敷金属的化学成分、力学性能对比如表3、表4所示。

从表3焊条熔敷金属化学成分，可以计算出焊缝抗腐蚀当量指数如下：①ENiCrMo-3的P R E N=4 7～6 0.5。②E N i C r M o-1 0的P R E N=61.85～74.85。③ENiCrMo-12的PREN=49.64～60。

从经济性和焊接材料使用的广泛性考虑，NiCrMo-3型焊接材料可以满足N03867超级奥氏体不锈钢管道的焊接，即GTAW焊丝选用ERNiCrMo-3，SMAW焊条选用ENiCrMo-3。

此外，镍合金焊缝金属对气孔比较敏感，这是因为镍合金的固液相温度间距较少，而且液态金属的流动性比较差，若熔池中的气体来不及逸出，就可能被凝固在焊缝中形成气孔。因此，焊接过程中要注意坡口的清理和熔池保护、尽量减少气体元素来源，同时在操作过程中要使得熔池中气体有足够的时间逸出。

3.焊接工艺试验

（1）焊接试件准备 ①试件规格尺寸： NUS N08367，168.3mm×7.11mm管，长度：200mm 、2段，坡口形式为V形、坡口角度60°±5°、钝边1～2mm。②焊接材料：GTAW：E R N i C r M o-3、φ2.0m m，S M A W：E N i C r M o-3、φ3.2mm。③保护气体： 99.99%Ar。④组对要求：间隙2～5mm，错边量≤0.5mm，焊接位置5G。

表3 母材与焊条熔敷金属化学成分对比（质量分数） （%）

表4 母材与焊条熔敷金属力学性能对比

（2）焊接参数 试件焊接参数如表5所示。

（3）焊接技术措施 第一，控制错边量≤0.5mm，焊接前使用不锈钢专用砂轮片打磨清理坡口及两侧，并用丙酮进行清理，确保坡口及两侧50mm范围内清洁无污物。

第二，采用GTAW焊坡口内点焊的方式进行定位焊，在管3点、9点、12点位置进行定位焊，长度为5～8mm 。

第三，严格控制保护气体纯度和保护质量，可采用测氧仪进行测量，背面充气至少5mm厚度以上方可停止充气保护，以防止背面氧化。

第四，严格控制热输入，起弧点应在焊接方向前方，收弧时应填满弧坑，避免产生弧坑裂纹。

焊条电弧焊采用短弧焊接，直线或小幅度摆动，每层应清理干净焊缝表面药皮。

4.试件检验及结果

根据标准规范及产品设计技术要求，对试验试件焊接接头进行无损检测、力学性能检测、金相检测和腐蚀试验结果如下。

（1）试件无损检测 试件焊缝表面呈现银白色或金黄色，表面无裂纹、咬边、未熔合的缺陷，焊缝余高未超过1～3mm，根部全焊透。按照ASME B31.1要求进行射线检测合格。

（2）力学性能检测 试件按照ASME IX卷要求进行取样和力学性能试验，取样位置如图1所示，各项检测结果如表6～表9所示。

第一，焊接接头横向拉伸试验。焊接接头横向拉伸试验按照AWS，焊接接头抗拉强度如表6所示，抗拉强度大于母材抗拉强度655MPa，结果合格。

第二，焊接接头弯曲试验。焊接接头横向拉伸试验ASME IX卷，弯曲直径4D。试验数据如表7所示，受拉面无裂纹缺陷，结果合格。

第三，冲击韧性试验分析。按照ASTM 923 对试件焊缝和热影响区进行夏比V型（Charpy V）冲击试验，试样尺寸为55mm×10mm×5mm，缺口位置分别为焊缝，熔合线+1mm、熔合线+3mm、熔合线+5mm， 4组冲击试样。冲击温度为-46℃，合格指标为冲击值≥54J。试验数据如表8所示，结果满足要求。

以GTAW+SMAW工艺评定试件为例，在400倍金相显微镜下观察组织（见表5～表7）。发现熔合线及熔合线+1mm、熔合线+3mm、熔合线+5mm的热影响区附近由于焊接热的作用使奥氏体晶粒重组晶粒变细，组织均匀。

（3）焊接接头金相检测 焊接接头金相检测如图2所示，组织为奥氏体组织，分布均匀，无杂质和非金属夹杂物。

（4）焊接接头腐蚀试验 主要是检测焊接接头抗点腐蚀能力，根据各种腐蚀试验的特点，试验方法按照ASTM G48 A法进行试验。腐蚀溶液为10%F e Cl3溶液，试样尺寸50mm×25mm×3mm，使用高精密电子天平进行称试样重，精确到0.001g。试样在50℃恒温水浴锅中进行腐蚀，腐蚀时间为72h。验收标准为计算腐蚀速率≤10mdd（毫克/(平方分米·日)），20×放大镜下观察试样表面不得出现明显点蚀。

表5 焊接参数

表6 焊接接头横向拉伸拉伸试验数据

表7 焊接接头面弯和背弯试验数据

表8 焊接接头冲击试验数据

试验测量数据如表9所示，试样表面未见明显点蚀，腐蚀速率4.35mdd，＜10mdd（要求值）。

5.产品焊接

根据上述试验结果制定产品焊接工艺，完成了φ6 0.3 m m×5.5 4 m m、φ1 6 8.3 m m×7.1 1 m m、φ508mm×9.53mm等规格的管道焊接，合计焊接200余道焊口，未出现热裂纹的情况，RT一次检测合格率达到98.6%。其中φ60.3m m×5.54m m的管接头使用全氩弧焊接，φ508mm×9.53mm大管采取两人对称焊接，减少应力和变形。

6.结语

（1）通过对超级奥氏体不锈钢UNS N08367材料焊接性分析，该材料焊接过程中易产生热裂纹的缺陷，特别是应力较大定位焊位置，以及根部焊道、弧坑等位置。选择合适的焊接材料、焊前严格清理坡口及合理的焊接顺序以减少接头应力，严格控制热输入及娴热的操作技巧，可以避免焊接过程中热裂纹的产生。

表9 G48 A腐蚀试验测量及计算数据

图1 焊接接头理化性能试验取样位置

图2 焊接接头微观金相（400×）

（2）超级奥氏体不锈钢UNS N08367焊接接头的抗腐蚀性能是焊接工艺控制的重点。选择超合金化的焊接材料，遵循“高匹配”的原则，选择Mo含量达到9%的NiCrMo合金，在保证焊接接头强度的同时，提高焊接接头的抗腐蚀性能。

（3）ERNiCrMo-3氩弧焊丝、ENiCrMo-3焊条与其他系列焊材相比，在经济性、可操作性方面有一定的优势，是焊接UNS N08367超级奥氏体不锈钢接头的较为理想的焊接材料。

（4）可以在标准规范要求指标下，在焊接材料采购时，可进一步降低C含量以及S、P、Si等杂质元素的含量，以降低产生热裂纹的倾向，提高操作性；提高Al、Ti元素的含量，达到细化晶粒、提高焊缝金属的塑性。