尿素级不锈钢25Cr22Ni2MoN管道

1、尿素级不锈钢（ 25Cr22Ni2MoN）管道 焊接方法初探 安装二公司 李静国 摘要： 本文以海南化肥项目尿素装置的尿素级不锈钢（ 25Cr22Ni2MoN ）管道焊接施工为例，简要 介 绍了尿素级不锈钢材料的技术要求及选用、焊接特点及注意事项、焊接方法的选择及工艺参数的确 定等，并通过焊接工艺试验和评定，以及尿素装置焊接施工实践的结果，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 前言 中海石油海南化肥项目由 2700t/d 尿素和 1700t/d 合成氨两套装置组成，其中尿素装置中的 介质有甲胺液、尿液等强腐蚀性物质，这些物质对材料的腐蚀主要

2、表现为整体腐蚀和选择性腐蚀， 因此对母材和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%。设计选用材料 为尿素级不锈钢（ 25Cr22Ni2MoN，以下简称 25.22.2 ）。这就涉及到尿素级不锈钢的焊接，需要进行 焊接工艺试验和评定。 2 材料的技术要求及选用 2.1 母材技术要求及选用 2.1.1 材料必须能耐强腐蚀介质甲胺液、尿液的腐蚀要求，腐蚀能通过休氏试验进行评定； 2.1.2 实践证明 （1） ,材料在含碳量小于 0.030%时, 就可以防止因析出碳化铬而造成的晶间腐蚀；当含 钼（ Mo）2% 3%时，能比较明显地改善其在各类酸中的耐腐蚀性能；铬（Cr）的含量只有

3、在 12.0% 时才能有效抵抗腐蚀和提高材料在高温环境下的使用性能；而硫、磷（S、 P）的含量在 0.03%时， 可有效控制热裂纹。因此，材料的化学成分应限制在表 1 的规定值内： 表 1 母材化学成分的限定范围 元素 C Cr Ni Mo S P 其他 含量（%） 0.030 12.0 17.0 2.0 0.030 0.030 0.20 2.1.3 其中奥氏体形成元素（ 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，使得铁素体含量0.6%。 第1 页共8 页 2.1.4 根据强腐蚀性介质甲胺液、尿液的使用要求，设计选用 25.22.2 作为母材

4、。此次焊接工艺试 验及评定选用的母材尺寸为： ?219.1 12.7 ，其化学成分见表 2： 表 2 25Cr22Ni2MoN 钢化学成分 元素 C Cr Ni Mo Si Mn S P N 含量% 0.011 24.69 22.19 2.1 0.35 1.69 0.001 0.013 0.123 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

5、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几率降低。所以我们选择与母材合金含量相应的焊材，焊丝选用 25.22.2LMN ， 焊条选用 25.22.2LMNB。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 Cu Co P N 含量% 0.01 24.9 21.86 2.04 0.1 4.41 0.0009 0.044 0.019 0.011 0.125 表4 焊条 25.22.2LMN化B学成分 元素 C Cr Ni Mo Si Mn S Cu Co P N 含量% 0.01 24.8 21.9 2

6、.06 0.1 4.2 0.001 0.046 0.02 0.01 0.13 3 焊接性分析 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 度时，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Cr 23C6，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，从而降低了抗腐蚀性。 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，采用丙酮去油污。焊接过程中，必 须用专用的碳化硅砂轮片进行打磨。 3.2 防止焊接热裂

7、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，因为它们易在熔池中形成低熔点共晶。硫和镍形成 Ni 3S2，熔点为 645，共晶的熔点只有 625。因此，必须严格控制焊件及焊材中硫、磷等的含量。 选用合格的焊丝和焊条，注意保证其清洁度是有效控制硫、磷含量的办法。 第2 页共8 页 3.3 控制铁素体含量 对于甲胺液、 尿液等强腐蚀介质来说， 一旦母材选定， 其主要表现应是选择性腐蚀了，而铁素 体组织的存在有利于选择性腐蚀的发展，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

8、素级不锈钢焊件、 焊材与碳钢接触； 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，并控制层间温度不得超过149；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。 经实验， 焊接线能量一般应小于 25KJ/cm。（2）这主要是根据奥氏体连续冷却C-曲线与奥氏体等 温转变 C-曲线相交而判定的。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， 从上图可以看出，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，在 奥氏体连续冷却 C- 曲线未与奥氏体等温转变C

9、-曲线相交之前，焊缝熔敷金属最终为全部奥氏体组 织。继续增大焊接线能量，奥氏体连续转变C-曲线继续右移，当奥氏体连续转变C-曲线碰到奥氏体 等温转变 C-曲线时，焊缝熔敷金属最终组织就有铁素体组织。 4 焊接工艺 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， 所以与介质接触的一侧应采用惰性气体保护的 TIG 焊接 方法。因为氩弧的温度高，热量集中，而且有氩气流的保护作用，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。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

10、厚壁材料，为了能同时获得较高的生产效率和经济效益，采用氩弧焊打底、电焊盖面的焊接方法。 4.2 坡口制作 第3 页共8 页 2.4mm 的母材。坡 用镗床或车床等机械方法制备坡口， 如果使用了切削油， 用干净的布和丙酮或类似的不含卤素 的清洁剂进行擦干。当现场组对可以使用等离子电弧，需要通过打磨去除切口处 口形式符合 KBR规范的要求，参见图 2。 相同厚度管道对接口 4.3 焊前准备 4.3.1 焊前尿素级不锈钢管道应保持清洁、 干燥，没有机油、 油脂和灰尘等。 清理坡口及其内外 100mm 范围内的油污、油脂、水质等污物，并用丙酮清洗干净；焊丝也同样的方法清洗干净。施工中应确 保避免与碳钢

11、接触。 4.3.2 清理坡口、修磨焊缝等应用不锈钢丝刷、碳化硅砂轮片等不锈钢专用工具，焊条应摆放在专 用烘干箱中烘干。 4.3.3 管子支架、定位装置及焊接工作台应用木头或其他覆盖物，当必须与管内壁接触时，要采用 25.22.2 材质材料，以最大限度减少铁素体污染。 4.3.4 在尿素管道预制区域附近不允许进行涂漆、喷砂以及保温工作。 第4 页共8 页 4.3.5 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 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， 会使铁素体含量增加，最终使焊接接头抗腐蚀性能降低，直接影响产

12、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，确保背面熔敷金属不被氧化，背面用氩气始终保护，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，应采用窄焊道、短弧焊、快速焊的方法。焊接工艺参数见表5。 表 5 焊接工艺参数 焊接层 次 焊接方 法 焊材牌号、规格 电源 极性 焊接 电流（A） 焊接 电压（V） 焊接速度 （cm/min） 氩气流量 （L/min） 1-2 GTAW 25.22.2LMN ?2.4 DC EN. 90-110 12-14 5-7 10-12 3 SMAW 25.22.2LMNB?3.2 DC EP.

13、 70-90 18-22 6-8 / 4-5 SMAW 25.22.2LMNB?3.2 DC EP. 70-90 23-26 6-8 / 6 SMAW 25.22.2LMNB?3.2 DC EP. 65-75 21-24 7-9 / 5 一般焊接要求 5.1 禁止在母材上引弧；最大限度地减少弧长，除最后一层焊道外，禁止焊条横向摆动；氩弧焊焊 接设备应包括一台高频装置和电流遥控器。气体流速要尽可能的小。焊接时使用2%的钍钨电极。只 能用碳化硅砂轮磨尖钨极。 5.2 用做背面保护气的胶带不得含氯。使用氩气纯度在99.95%以上，氩弧打底前应提前通氩，焊接 过程中填充焊丝不可从氩气保护区域移开。如果

14、焊丝从保护区域移开，并使其在空气中冷却，那么 继续焊接前，受影响的端部应切掉。 5.3 打磨和刷除用的砂轮和不锈钢钢丝刷必须专用，其只能使用于尿素级不锈钢材料上，而且以前 未在其他材料上使用过。在打磨过程中尽量减少热能量，设法不使母材变色。 5.4 下雨时，若无有保护措施，不可进行焊接；对SMAW而言，风速超过 3.1m/s ，对 GTAW超 过 1 英 里/ 小时，不可进行焊接。 6 焊接检验 6.1 外观检查、液体渗透检查、铁素体检查和射线检测应分别在 2 遍打底焊和盖面焊完成后进行。 管道内壁氧化程度检验应按下列程序进行：根部焊道焊接时，在直径相对的两个地方，留下6mm长 不焊。用 1

15、个直径 3mm的小灯从每个孔塞入，通过对面的孔从内部进行外观检查。检验后应按要求 将预留孔焊好。 6.2RT 检测时，大于 0.8mm的机械缺陷则评为不合格。 第5 页共8 页 6.3 铁素体含量检查结果应小于 0.6%。 20 倍的情况下做宏观试验。试件不得显示 6.4 焊工考试时应对环焊缝试件做抛光和蚀刻，并在放大 有裂纹、未焊透、未熔合或气孔等缺陷。 7 试样制取 7.1 侧弯试样、拉伸试样的制取按 KBR规范 P类- 管道技术规范的有关规定进行。 7.2 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。 图 3 金相试样图 7.3 休氏

16、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。试样的预加工应用锯、剪的方法，然后用机械刨或铣；而磨光是不允许的。预加工应使加 工后的变形尽可能小，所以切削量为小于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 1mm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，切削速率为 410m/min 。试样表面积为 2030cm2，休氏试样的制取见图 4。 0 图

17、 4 休氏试样图 第6 页共8 页 8 评定结果 8.1 焊接接头经 100%RT检测， AB级照相质量， II 级缺陷标准检验合格。 8.2 焊接工艺评定力学性能试验按 KBR规范 P类 -管道技术规范的有关规定进行，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 项目 b（ Mpa） 断裂位置 结果 拉伸试样 660 断焊缝 合格 675 断焊缝 侧弯试样 / / 合格 8.3 金相组织试验评定结果如下： 1）母材组织为单相奥氏体组织， 沿轧制方向呈带状分布。 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，

18、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。 8.4 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 试验结果 母材 0.6% 合格 热影响区 0.6% 合格 焊缝 0.6% 合格 8.5 休氏试验结果 经过五个周期，每周期 48h 的沸腾硝酸腐蚀试验（休氏试验） ，试验结果，各种性能均合格， 详见表 8。 表 8 沸腾硝酸腐蚀试验（休氏试验）结果 每周期腐蚀速率 m/48h 周期 1 2 3 4 5 平均 标准 1 1 1 1 1 1 实测 0.081 0.053 0.057 0.045 0.057 0.059 表 9 选择性腐蚀试验结果（各边最大腐蚀深度 m） 第7 页共8 页 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， 6、8 为沿着母材轧制方向的部位， 2、4 为焊缝。 9 结论 9.1 尿素级不锈钢 25Cr22Ni2MoN 焊接时，选用