尿素级不锈钢（316Ｌmod）的焊接
邱武汉
镇海炼化检安公司
摘要：镇海炼化尿素装置大检修涉及到尿素级不锈钢的焊接问题。本文详细介绍了尿素级不锈钢的材料技术要求及选用；焊接特点及注意事项；焊接方法的选择及工艺参数确定等，通过对尿素级不锈钢的焊接工艺试验和评定，以及尿素装置大检修结果，证明此次尿素级不锈钢的焊接是成功的。
关键词：尿素级不锈钢 铁素体 焊接 休氏试验
1 概述
镇海炼化公司化肥厂尿素装置9201-C、9202-C、9201-D、9203-C经多年运转，已存在不少问题，1999年化肥大检修决定整体更换或检修。此次更换或检修涉及到尿素级不锈钢(316Lmod)的焊接问题，其介质为甲胺液、尿液等高腐蚀性物质，这些介质对材料的腐蚀主要为整体腐蚀和选择性侵蚀，因此对焊缝质量及焊缝铁素体的含量控制要求很高，要求铁素体含量≤0.6%。尿素级不锈钢（316Lmod）的焊接在我公司属首次，故我们在大检修之前进行了尿素级不锈钢（316Lmod）的焊接工艺试验及评定。
从此次化肥尿素装置大检修结果来看，尿素级不锈钢（316Lmod）的焊接是成功的。焊缝进行100%射线探伤及铁素体含量测定均一次通过。尿素装置检修后运行至今，尿素级不锈钢的焊接接头未出现过问题。 2 材料技术要求及选用 2.1 母材技术要求及选用
2.1.1 材料必须能耐高腐蚀介质甲胺液、尿液的腐蚀要求。腐蚀性能通过休氏试验进行评定。 2.1.2 材料的化学成份应在表1的规定值内。
表1：母材的化学成分 元 素 C Cr Ni Mo N 含量(%) ≤0.030 ≥17.0 ≥13.0 ≥2.2 ≤0.20 2.1.3 奥氏体形成元素（Ni、C、N、Mn）和铁素体形成元素（Cr、Mo、Si）的平衡应最终为全部奥氏体组织。可按Schaeffler（舍夫勒）图进行计算。
2.1.4 根据高腐蚀介质甲胺液、尿液的使用要求，所有与其接触的材料铁素体含量均不超过0.6%。
根据以上要求并从经济效益考虑， 选用316L改良型材料316Lmod作为母材。此次焊接工艺试验及评定母材尺寸：Φ168.3×16 。 316Lmod的化学成分见表2 。 表2：316Lmod 化学成分 元素 C Cr Ni Mo Si Mn S P N 含量 0.030 17.30 13.60 2.53 0.45 1.78 0.001 0.022 0.19 2.2 焊材的技术要求及选用
2.2.1 焊材的熔敷金属应满足母材的所有技术要求。
根据以上要求，并考虑焊接时合金元素的烧损以及焊缝冷却方式的复杂性，为了控制焊后焊缝熔敷金属的铁素体含量， 必须使奥氏体等温转变C-曲线右移。由于合金元素含量越高，特别是Ni含量的提高，可使奥氏体等温转变C-曲线右移，使奥氏体组织更加稳定，在焊缝冷却过程中，奥氏体组织转变成铁素体组织的机率降低。所以我们选择了比母材合金含量更高的焊材，焊丝选用25.22.2LMN，焊条选用BM310MoL。其化学成分见表3、表4。
表3：焊丝25.22.2LMN化学成分 元素 C Cr Ni Mo Si Mn S P N 含量 0.014 24.99 21.69 2. 0.17 4.43 0.001 0.012 0.13 表4：焊条BM310MoL化学成分
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元素 C Cr Ni Mo Si Mn S P N 含量 0.030 24.54 21.02 2.32 0.45 4.43 0.004 0.02 0.12 3 焊接特点
3.1 防止渗碳而降低抗腐蚀性
室温下碳元素在奥氏体中的溶解度约为0.02%～0.03%，当奥氏体碳含量超过它在室温的溶解度后，碳就不断地向奥氏体晶粒边界扩散，并和铬结合，析出碳化铬Cr23C6,造成奥氏体边界贫铬，在腐蚀介质作用下，即可能产生晶间腐蚀，从而降底了抗腐蚀性。
因此，必须严格控制碳的来源。焊接时，由于高温作用，焊件及焊材表面的油污均可能产生大量的碳而渗入到焊缝中，故焊前必须进行严格的除油污工作，常用丙酮去油污。焊接过程中，必须用专用的刚玉砂轮片打磨焊缝。 3.2 防止焊接热裂纹
热裂纹是奥氏体不锈钢焊接时比较容易产生的一种缺陷，特别是单相奥氏体不锈钢更易产生。奥氏体产生热裂纹的倾向要比低碳钢大得多。
因此，必须严格控制焊件及焊材中硫、 磷等的含量，因为它们易在熔池中形成低熔点共晶。硫与镍形成Ni3S2,熔点为5℃，而Ni-Ni3S2共晶的熔点只有625℃。 3.3 控制铁素体含量
由于甲胺液、尿液的腐蚀特性主要是整体腐蚀和选择性侵蚀，而铁素体组织的存在有利于选择性侵蚀的发展，所以纯奥氏体组织抗甲胺液、尿液的腐蚀性能最好，故应严格控制铁素体含量。
因此应严禁将尿素级不锈钢焊件、焊材与碳钢材料接触；使用专用的不锈钢刚玉砂轮片；由于不锈钢材料的电阻较大，焊接时应采用较小的焊接线能量，并控制层间温度不超过60℃，减少焊接过程高温停留时间，避免奥氏体连续冷却C-曲线与奥氏体等温转变C-曲线相交，保证焊缝熔敷金属最终为全部的均匀的奥氏体组织。
在尿素装置大检修中，9201-D尿素合成塔新增塔盘的焊接过程中曾因焊接线能量过大而引起铁素体含量偏高的现象（经实验，焊接线能量一般应＜25KJ/cm）。这主要是由于奥氏体连续冷却C-曲线与奥氏体等温转变C-曲线相交而引起的。图1中，奥氏体连续冷却C-曲线1为较小焊接线能量所获得的曲线，而奥氏体连续冷却C-曲线2为过大焊接线能
量所获得的曲线。从图1可以看出，当焊接线能量加大 时，焊缝冷却时间加长，奥氏体连续冷却C-曲线右移， 连续冷却C-曲线2在奥氏体连续冷却C-曲线未与奥氏体等温转变C-曲线相 温度交之前，焊缝熔敷金属最终为全部的奥氏体组织。继续 等温转变C-曲线增大焊接线能量，奥氏体连续转变C-曲线继续右移， 奥氏体区当奥氏体连续转变C-曲线碰到奥氏体等温转变C-曲线 铁素体区时，焊缝熔敷金属最终组织就有铁素体组织。根据铁素 连续冷却C-曲线1体形成原理，我们在之后的9201-D尿素合成塔塔盘的 焊接中及时控制了焊接线能量，铁素体测定合格。 4 焊接工艺 时间4.1 焊接方法的选择
由于尿素级不锈钢合金元素含量较高，所以与介质 图1 奥氏体转变C-曲线图 接触的一侧应尽可能采取惰性气体保护的TIG焊焊接方法。因为氩弧的温度高，热量集中，而且有氩气流的冷却作用，所以焊缝的冷却速度较快，热影响区小，应力小，合金元素的烧损也较少，故能避免奥氏体连续冷却C-曲线与奥氏体等温转变C-曲线相交，最终焊缝熔敷金属为全部的奥氏体组织。采用电弧焊时，只要选择合适的焊接工艺参数，也能获得全部的奥氏体组织。所以对于厚壁材料，为了能同时获得较高的生产效率、经济效益，采用氩弧焊打底、电焊盖面的焊接方法。 4.2 坡口制作
用镗床或坡口机等机械方法制备坡口，坡口形式见图2 4.3 焊前准备
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4.3.1 焊前清理坡口及其内外30mm范围内的油污、油脂、水质等污物，并用 丙酮清洗干净；焊丝也用同样的方法清洗干净。
4.3.2 清理坡口、修磨焊缝等应用不锈钢丝刷、刚玉砂轮片等不锈钢专用工具。 4.3.3 焊工应穿戴干净的劳保服、焊工手套等，以防止污染。 4.4 焊接参数选择
4.4.1焊接时，采用较大的线能量焊接时，晶粒易粗大，残余应力较大, 同时奥氏体连续冷却C-曲线右移，会导至铁素体含量的增加，最终使焊 图2 坡口制作图 接接头抗腐蚀性能降低，直接影响产品抗甲胺液、尿液的腐蚀性能，故电流选择应偏下限。
4.4.2 焊接时，为了保证焊接质量，确保反面熔敷金属不被氧化，反面用氩气始终保护，打底层及第2层的焊接均采用氩弧焊焊接方法。
4.4.3 焊接过程中，应确保层间温度不超过60℃，并采用短弧焊、快速焊。 焊接工艺参数见表5及图2。
表5：焊接工艺参数 焊接 焊接方焊接电流焊接电压焊接速度氩气流量焊材牌号、规格 电源极性 层次 法 （A） （V） （mm/s） (L/Min.) 正:8～121～2 GTAW 25.22.2LMN Φ1.6 DC SP. 90～110 12～14 1.0～1.2 背:10～15 3 SMAW BM310MoL Φ2.5 DC RP. 65～75 21～24 1.0～1.2 / 4～5 SMAW BM310MoL Φ4.0 DC RP. 110～130 23～26 1.7～1.9 / 6 SMAW BM310MoL Φ2.5 DC RP. 65～75 21～24 1.0～1.2 / 备注：盖面焊条选用Φ2.5而非Φ4.0，是由于Φ4.0焊条盖面成型较差，而Φ3.2焊条当时没有。 5 试样制取 5.1侧弯试样、拉伸试样的制取按JB4708《钢制压力容器焊接工艺评定》的有关规定进行。 5.2金相试样（铁素体测定试样）制取 金相试样应包括焊缝、热影响区、母材三个区域。 金相试样的制取见图3。 5.3休氏试样制取 由于采用了两种焊接方法，即氩弧焊打底、电焊 盖面，故制取试样时试样应包括两种焊接方法的熔敷 金属，另外，休氏试样应从与介质接触一侧取起，故 管子应从内壁取起，这样更能检验它的耐腐蚀性能。 试样的予加工应用锯、剪的方法从材料中取出，然后 用机械刨或铣，磨光是不允许的。予加工应使加工后 图3 金相试样图 的变形尽可能小，所以切削量为<2mm, 走刀量为0.1～0.3mm。试样的精加工应保证切削工具材质为高速钢，试样最后一毫米的加工量应该分别为0.6mm、0.3mm和0.1mm的刨削深度，走刀量应为0.05～0.1mm，切削2速率为4～10m/分。试样表面积为20～30cm, 休氏试样的制取见图4。 6 评定结果 6.1焊接接头经100%RT Ⅱ级标准检验合格。 6.2焊接工艺评定力学性能试验按JB4708-92 《钢制压力容器焊接工艺评定》的有关规定进行， 检验结果均符合要求，详见表6。 表6：焊接接头机械性能试验结果 图4 休氏试样图 项目 σb(MPa) 断裂位置 结果 650 断焊缝 拉伸试样 合格 670 断焊缝 侧弯试样 / / 合格 6.3金相组织试验评定结果如下： 3 ① 母材组织为单相奥氏体组织，沿轧向呈带状分布。晶粒均匀、细小，局部呈孪晶状态，晶粒度7～8级。 ② 焊缝组织为奥氏体基体+少量树枝状铁素体，经测定，铁素体含量小于0.6%。 ③ 热影响区组织与母材相同，略有长大。 结论：各处均无不良组织，评定结果合格。 6.4铁素体测定结果见表7。 表7：铁素体测定结果 试验部位 标 准 实测结果 母 材 ≤0.6% 合 格 热影响区 ≤0.6% 合 格 焊 缝 ≤0.6% 合 格 6.5休氏试验结果
经过五个周期，每个周期为48小时的沸腾腐蚀试验（休氏试验），试验结果，各种性能均合格，详见表8。
表8：沸腾腐蚀试验（休氏试验）结果 每周期腐蚀速率μm/48小时 周 期 1 2 3 4 5 平均 标 准 <3 <3 <3 <3 <3 <3 实 测 2.28 1.83 1.44 1.24 1.14 1.59 选择性腐蚀试验结果（各边最大腐蚀深度μm） 位 置 1 2 3 4 5 6 7 8 标 准 <70 <200 <70 <200 <70 <200 <70 <200 实 测 <40 <40 <40 <40 <40 <40 <40 <40 备注：1、3、5、7为垂直于母材轧制方向的部位， 4、8为沿着母材轧制方向的部位，2、4为焊缝。
7 结论
①尿素级不锈钢316Lmod 焊接时，选用25.22.2LMN焊丝、BM310MoL焊条，采用氩弧焊打底，电焊盖
面的焊接方法，在工艺上是可行的。
②经尿素装置大检修的实际证明，尿素级不锈钢的焊接效果良好--所有焊缝经100%RT及铁素体含量测
定均一次通过。尿素装置检修后运行至今，尿素级不锈钢的焊接接头未出现过问题。
参考资料：
1．《1740吨/日尿素装置设计采构说明书工程标准》 2．《尿素高压设备制造检验方法》 3．《焊接冶金与金属焊接性》 4.《金属学与热处理》
5．JB4708《钢制压力容器焊接工艺评定》
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