壓力容器用不銹鋼及其焊接特點

所謂不銹鋼是指在鋼中加進(jìn)一定量的鉻元素后，使鋼處于鈍化狀態(tài)，具有不生銹的特性。為達(dá)到此目的，其鉻含量必須在12％以上。為進(jìn)步鋼的鈍化性，不銹鋼中還往往需加進(jìn)能使鋼鈍化的鎳、鉬等元素。一般所指的不銹鋼實際上是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。不銹鋼并不一定耐酸，而耐酸鋼一般均具有良好的不銹性能。

不銹鋼按其鋼的組織不同可分為四類，即奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。

1.奧氏體不銹鋼及其焊接特點

奧氏體不銹鋼是應(yīng)用廣泛的不銹鋼，以高Cr-Ni型普遍。目前奧氏體不銹鋼大致可分為Cr18-Ni8型、Cr25-Ni20型、Cr25-Ni35型。奧氏體不銹鋼有以下焊接特點：

① 焊接熱裂紋 奧氏體不銹鋼由于其熱傳導(dǎo)率小，線膨脹系數(shù)大，因此在焊接過程中，焊接接頭部位的高溫停留時間較長，焊縫易形成粗大的柱狀晶組織，在凝固結(jié)晶過程中，若硫、磷、錫、銻、鈮等雜質(zhì)元素含量較高，就會在晶間形成低熔點共晶，在焊接接頭承受較高的拉應(yīng)力時，就易在焊縫中形成凝固裂紋，在熱影響區(qū)形成液化裂紋，這都屬于焊接熱裂紋。防止熱裂紋有效的途徑是降低鋼及焊材中易產(chǎn)生低熔點共晶的雜質(zhì)元素和使鉻鎳奧氏體不銹鋼中含有4％～12％的鐵素體組織。

② 晶間腐蝕 根據(jù)貧鉻理論，在晶間上析出碳化鉻，造成晶界貧鉻是產(chǎn)生晶間腐蝕的主要原因。為此，選擇超低碳焊材或含有鈮、鈦等穩(wěn)定化元素的焊材是防止晶間腐蝕的主要措施。

③ 應(yīng)力腐蝕開裂 應(yīng)力腐蝕開裂通常表現(xiàn)為脆性破壞，且發(fā)生破壞的過程時間短，因此危害嚴(yán)重。造成奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的主要原因是焊接殘余應(yīng)力。焊接接頭的組織變化或應(yīng)力集中的存在，局部腐蝕介質(zhì)濃縮也是影響應(yīng)力腐蝕開裂的原因。

④ 焊接接頭的σ相脆化 σ相是一種脆硬的金屬間化合物，主要析集于柱狀晶的晶界。γ相和δ相都可發(fā)生σ相轉(zhuǎn)變。比如對于Cr25Ni20型焊縫在800℃ ~ 900℃加熱時，就會發(fā)生強(qiáng)烈的γ→δ轉(zhuǎn)變。對于鉻鎳型奧氏體不銹鋼，特別是鉻鎳鉬型不銹鋼，易發(fā)生δ→σ相轉(zhuǎn)變，這主要是由于鉻、鉬元素具有明顯的σ化作用，當(dāng)焊縫中δ鐵素體含量超過12％時，δ→σ的轉(zhuǎn)變非常明顯，造成焊縫金屬的明顯的脆化，這也就是為什么熱壁加氫反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊層將δ鐵素體含量控制在3％~10％的原因。

2. 鐵素體不銹鋼及其焊接特點

鐵素體不銹鋼分為普通鐵素體不銹鋼和超純鐵素體不銹鋼兩大類，其中普通鐵素體不銹鋼有Cr12～Cr14型，如00Cr12、0Cr13Al；Cr16～Cr18型，如1Cr17Mo；Cr25～30型。

由于普通鐵索體不銹鋼中的碳、氮含量較高，故加工成形及焊接都較困難，耐蝕性也難以保證，使用受到限制，在超純鐵素體不銹鋼中嚴(yán)格控制了鋼中的碳和氮總量，一般控制在0.035％～0.045％、0.030％、0.010％ ~0.015％三個層次，同時還加進(jìn)必要的合金元素以進(jìn)一步進(jìn)步鋼的耐腐蝕性和綜合性能。與普通鐵素體不銹鋼相比，超純高鉻鐵素體不銹鋼具有很好的耐均勻腐蝕、點蝕及應(yīng)力腐蝕性能，較多的應(yīng)用于石化設(shè)備中。鐵素體不銹鋼有以下焊接特點：

① 焊接高溫作用下，在加熱溫度達(dá)到1000℃以上的熱影響區(qū)特別在近縫區(qū)的晶粒會急劇長大，焊后即使快速冷卻，也無法避免因晶粒粗大化引起的韌性急劇下降及較高的晶間腐蝕傾向。

② 鐵素體鋼本身含鉻量較高，有害元素碳、氮、氧等也較多，脆性轉(zhuǎn)變溫度較高，缺口敏感性較強(qiáng)。因此，焊后脆化現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

③ 在400℃～600℃長時間加熱緩冷時，會出現(xiàn)475℃脆化，使常溫韌性嚴(yán)重下降。在550℃～820℃長時間加熱后，則輕易從鐵素體中析出σ相，也明顯降低其塑、韌性。

3. 馬氏體不銹鋼及其焊接特點

馬氏體不銹鋼可分為Cr13型馬氏體不銹鋼、低碳馬氏體不銹鋼和超級馬氏體不銹鋼。Cr13型具有一般抗腐蝕性能，從Cr12為基的馬氏體不銹鋼，因加進(jìn)鎳、鉬、鎢、釩等合金元素，除具有一定的耐腐蝕性能，還具有較高的高溫強(qiáng)度及抗高溫氧化性能。

馬氏體不銹鋼的焊接特點：Cr13型馬氏體不銹鋼焊縫和熱影響區(qū)的淬硬傾向特別大，焊接接頭在空冷條件下便可得到硬脆的馬氏體，在焊接拘束應(yīng)力和擴(kuò)散氫的作用下，很輕易出現(xiàn)焊接冷裂紋。當(dāng)冷卻速度較小時，近縫區(qū)及焊縫金屬會形成粗大鐵素體及沿晶析出碳化物，使接頭的塑、韌性明顯降低。

低碳及超級馬氏體不銹鋼的焊縫和熱影響區(qū)冷卻后，固然全部轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞捡R氏體，但沒有明顯的淬硬現(xiàn)象，具有良好的焊接性能。