双相钢换热管与奥氏体管板焊接材料选择分析

双相钢换热管与奥氏体管板焊接材料选择分析

王洪涛

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摘要：对双相不锈钢与奥氏体不锈钢进行了焊材的选用，并对其使用情况作了简单的描述，同时对母材与焊材的特性及焊材的选用进行了详细的分析，以期对这类装置的选用及焊材的选用有所帮助。

关键词：双相钢；奥氏体不锈钢；管头焊接

1应用概况

在化学工程中，双相不锈钢的使用通常是因为它兼具了奥氏体和铁素体两种优异的特性，为了使分析更加有针对性，我们将着重对比如下两种典型的使用条件：

适用条件1：采用固定的管板反应器，过程中使用的液体通过管道输送，没有腐蚀，但与碳钢材的接触会使产品质量下降；冷却水流流经壳内，不会受到腐蚀[1]。

使用条件2：采用固定的管-板换热，过程中的媒质走壳，高温，没有腐蚀；循环水采用壳式处理，循环水氯盐含量低，不会产生其它的腐蚀作用[2]。

第一种情况下的传热管要求采用高于不锈钢等级的材质，为提升其经济性，一般在壳程筒体中采用低碳钢，而在反应端高温下，为了平衡传热管与壳程之间的热膨胀，必须采用具有与壳程相似的双相不锈钢。在第二种情况下，为了避免氯盐引起的 SCC，通常选用双相不锈钢作为换热管道[3]。

为了对以上两种情况下的传热管进行具体的设计，选用了S22053双相钢作为传热管，S31603不锈钢作为传热管的传热管。

2材料分析

2.1 S31603不锈钢

S31603是18~8型奥氏体不锈钢的衍生物，由于其优良的抗腐蚀性能而被广泛用于化学工业中。S31603不锈钢具有良好的耐结晶腐蚀性能，耐高温，易于加工等特点，是一种非常重要的耐腐蚀材料。S31603不锈钢之所以具有极高的抗腐蚀性能，是因为其主要成分是镁，而镁是18-8型奥氏体不锈钢中的镁含量为2%，从而使该钢具有较高的抗氧化性能，并具有较高的抗氧化性能[4]。对各种有机酸，无机酸，碱，盐，海水等均具有较好的抗腐蚀性能，尤其是在弱酸环境下，抗腐蚀性能明显好于S30408,S30403。

2.2 S22053型复相钢

自1940年代在美国出现后，双相不锈钢已发展至第3代。其最大的特征是具有比一般的不锈钢高2倍的高屈曲强度，从而达到节省材料和减少设备生产费用的目的[5]。在耐腐蚀领域，尤其是在较为苛刻的工作介质（例如，高氯化物浓度）下，其抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等特性均显著高于一般的奥氏体不锈钢，并可与高合金化的奥氏体不锈钢相媲美。S22053是一种以超低碳和含氮为特征的二代双相不锈钢[6]。S22053相对于一代双相不锈钢， N元素的含量有所增加，其在高氯离子环境下的抗刻蚀和抗点蚀能力得到了显著提升[5]。作为一种较强的奥氏体形成成分，在不明显损害钢材塑性的情况下，可增加钢材的强度，并可有效地阻止碳化物的沉淀，延迟 sigma相形貌的形成。

S22053是一种既保持了铁素体不锈钢的高热传导率，低线膨胀系数，耐点蚀，抗缝隙，抗氯化物应力腐蚀等特性，也保持了奥氏体不锈钢的良好韧性，脆性转变温度较低，抗晶间腐蚀，良好的力学性能和焊接性能。

3焊接工艺

根据生产厂家的焊接技术要求，选用不同的焊接方法及材料。具体的焊接步骤为：打磨，清除坡口上的油污和铁锈；采用组合式热交换器及管板式焊接安装；介绍了一种新型的钨极氩弧焊方法[7]。对焊接面进行检验，不得出现裂纹，气孔，夹渣，咬边等不良现象；根据 NB/T47013.5-2005标准，对焊缝的 PT值进行100%的检验，一级为合格。

两种类型的焊接（采用的是各种材料），在经过焊后的检查后，有以下的结果：

1) PT测试结果符合 I类标准；

2)根据扫描电镜观察结果，没有裂纹，没有夹渣，没有气孔，没有熔化，没有焊接完全。可以看出，双相钢焊接后，焊缝区和S32205侧面的热影响区都出现了铁素体-奥氏体复合的现象。

3)焊缝机械特性研究。因为没有做过接头的机械特性测试，所以可以参照S31603和S22053两个生产厂家所用的机械特性来进行比较[8]。研究表明：与S316L焊料相比，S2209焊料具有更高的总强度（平均高出80-100 MPa）和更低的延伸率（平均降低10%-15%）。

4)根据 GB/T4334-2020中的 E方法，对焊接接头、管板和换热管等部位的材料进行了晶间侵蚀实验，没有出现晶体侵蚀裂缝。

5)从S316L和S2209的焊接性能来看，两者的焊接性能都很好，并且不容易出现诸如裂缝之类的缺陷。但是，这两种材料还是存在着一些差异。使用S2209焊材，以制造单位的经验来看，它对环境温度有一些要求[9]。当施焊环境温度在5℃以下时，就必须进行预热，通常情况下，这种情况下，不能超过20℃，不然的话，会因为冷却速度过快，导致焊接接头的整个铁素体含量会超标。与此同时，焊接斜口和周边的清洁程度也要高一些，不然就会出现氢气孔洞的问题。S316 L焊接材料的适应性较S2209焊接材料好。

4方案选择

在焊接过程中，采用S31603和S316L两种方式，可以确保S32205的焊接效果。

从焊接的观点来看，可以选择奥氏体焊材，因为它的镍含量比较高，所以它的焊接难度比较低，而且焊接的质量也比较好控制。假如只是从可焊性的观点来看，那么，作为制造单位，可以选择奥氏体焊材来进行焊接。但是，鉴于工况1属于反应类换热器，因为反应热有可能会出现波动的情况，所以管、壳程的热膨胀与设计工况之间，有可能会有一定的偏差。因此，从操作的适用性方面来看，在确保焊接质量的情况下，选用双相钢焊材，可以更好地提升管头的可靠性。

该装置为纯热交换装置，无反应特征，且其管端处于循环水环境，循环水水温通常为32°-42° C，在此范围内，通常情况下，该装置不会发生 SCC。利用这种材料，可以更好地适应工作环境，也可以更好地控制焊接质量。

5结论

焊接材料的选用要根据金属的化学成分，机械性能，焊接性能，并与装置的结构特点，使用条件，焊接方式等相联系，并根据装置的可焊性，使用条件，以及装置的焊接性能进行选取，这样才能保证装置的“安，稳，长，满，优”运行。

参考文献

[1] 丰涵,周晓玉,刘虎,等.特超级双相不锈钢的发展现状 及趋势[J].钢铁研究学报,2015,27(4):1-5.

[2] 吴玖.双相不锈钢[M].北京:冶金工业出版社,1999.

[3] 王刚,郭幼丹,郭雷,等.双相不锈钢的特点、发展及其 应用[J].科技与创新,2015,07:91-92.

[4] 康利梅.双相不锈钢的发展及应用综述[J].科技广 场,2010,08:165-168.

[5] 李冬毓.张永明.双相不锈钢焊接技术研究[J].石油化 工设备技术，2017,38（1），56-58.

[6] 国家能源局． 承压设备焊接工艺评定：NB/T47014-2011 [S]． 北京：中国标准出版社，2011．

[7] 国家能源局． 压力容器焊接规程：NB/T47015-2011[S]． 北京：中国标准出版社，2011.

[8] 国家能源局． 承压设备永焊接材料订货技术要求：NB/T47018-2011[S]． 北京： 中 国 标 准 出 版 社，2011．

[9] 中华人民共和国工业和信息化部． 焊接用不锈钢丝：YB/T5092-2016[S]． 北京：中国标准出版社，2016．