大口径超级奥氏体UNS N08367不锈钢焊管的研发

结合大口径超级奥氏体不锈钢UNS N08367焊管的技术标准和要求，从制管工艺、检验及性能评估等方面对自动连续成型焊接管的研制情况进行介绍，通过采用超声波板材探伤，柔性空弯+排辊成型技术，等离子弧焊+钨极氩弧焊复合焊接工艺以及自主化连续自动成型焊接工艺集成等工艺优化控制，结合后续的热处理工艺，保证焊管的力学性能、耐腐蚀性能等达到ASTM B804标准及与用户协议的要求。

超级奥氏体不锈钢焊管(UNS N08367)由于超低碳和高Cr(20.5%)、高Ni(24%)、高Mo(6.3%)、含氮、含铜的成分设计，与普通奥氏体不锈钢焊管相比，具有更高的强度，更高的耐氯化物点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂的耐腐蚀性能;在多种高腐蚀环境中尤其是在含Cl－腐蚀环境中或与H2S同时存在的情况下都具有优良的表现，且其价格远远低于镍基耐蚀合金。常用于核电海水管道系统、各种换热设备、海水飞溅区的支撑结构、海上钻井平台、海水脱盐淡化、海洋油气开采设备等。

由于UNS N08367超级奥氏体不锈钢中Cr，Ni，Mo三种元素的总含量超过了50%，结合添加N，Cu微量元素，使其组织具有较好的稳定性，能显著提高管材在Cl－，H2S等苛刻介质中的耐点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀的性能，被国内沿海某先进三代压水堆核电工程选用于第二回路海水冷却管路系统;本文以国内AP1000三代核电项目向某企业采购的一批PL03非核级超级奥氏体不锈钢UNS N08367焊管为例，对其生产工艺、产品组织性能进行研究分析。

1产品概况

该合同焊管产品采用材质为UNS N08367，外径为Φ508mm，壁厚为9. 53mm，生产标准为ASTM B804-02(2007)。产品检验方法:水压试验，执行ASTM B804-02(2007)，ASTM A450《碳素钢、铁素体和奥氏体合金钢管的一般要求》;产品的射线检测，执行《锅炉和压力容器用钢板》第Ⅷ卷UW-51焊缝射线探伤，第Ⅷ卷UW-52焊缝局部射线探伤;

2制造工艺介绍

2. 1工艺流程

超级奥氏体不锈钢焊管工艺流程:原料检验→刨边→板材超声波探伤→自动成型→焊接(焊缝激光跟踪)→定径→定尺切断→固溶热处理→矫直→管端加工→焊缝射线检验→管端渗透检验→水压试验→酸洗钝化→理化试验→标记→包装入库。

2. 2主要工艺特点

2. 2. 1成型

在直缝钢管的生产中，在板材边缘施加足够的弯矩是保证边缘成型的关键。而且超级奥氏体不锈钢的屈服强度比常规不锈钢增加25%左右，其成型难度较大。

采用不锈钢自动成型焊接机组，通过柔性空弯+排辊成型技术，完成板材两端边缘部分和中间部分的开口成型，尤其是边缘通过柔性空弯模具，最大限度地将弯矩施加到板材的边部;这种开口成型法具有成型质量好、生产效率高的优点，是目前国内外广泛使用的单一的FFX成型或排辊成型方法无法做到的。闭口成型采用具有等刚性的机架，这种机架在各成型辊方向的刚性相等，使板材在各轧辊受力后变形/位移更均匀，闭口成型效果更好。

2. 2. 2焊接

由于UNS N08367具有热裂纹敏感性、热膨胀度较大且其熔点高于所用焊接材料EＲNiCrMo-4的熔点，焊接时为保证母材与焊接材料很好地熔合，避免焊缝处出现热裂现象，应采用较低的线能量进行焊接，主要体现在控制焊接电流，可有效地避免高Ni合金材料中Ni易与S和P形成低熔点共晶以及单项奥氏体柱状晶体组织的焊丝容易产生杂质偏析及晶间液态薄膜，还由于焊接过程的不均匀受热过程使焊缝金属在凝固期间产生拉应力，而被拉开的缝隙没有足够的液态金属来填充，进而产生弧坑裂纹等不利因素。

UNS N08367焊管采用等离子弧焊(PAW)和钨极氩弧焊(GTAW)复合焊接工艺。首先，采用等离子弧焊打底，使钝边接口处穿透熔合，使其达到单面焊接、双面成型的效果，焊接时采用小电流快速焊，使线能量控制≤16 kJ/cm;之后采用钨极氩弧焊进行焊道填充和盖面，层间温度小于100℃，焊接采用纯氩气保护。为控制热输入，制管送进速度控制在30～35cm/min。

焊接工序仍采用等刚性机架，具有“焊缝数字显示”功能，可有效控制焊接质量。还配备有“焊缝激光跟踪防偏装置”，可有效地保证管缝与焊机的自动对中。

2. 2. 3固溶热处理

固溶热处理是决定UNS N08367焊管性能的关键工序之一，除能达到消除板材弯曲变形、焊接应力的作用之外，还直接影响焊管的强度、耐腐蚀性能、微观组织等综合性能。采用天然气台车间歇式厢式炉窑，温度控制在1120±10℃，在常规不锈钢固溶热处理制度的基础上，适当延长保温时间，使得固溶效果更充分，然后通过与炉窑联控的快速下水装置，将焊管浸泡到循环水池内快速冷却，使其快速通过敏化区间，避免晶间腐蚀倾向，从而形成均匀、单一的奥氏体组织。

2. 2. 4机组自主集成

不锈钢自动成型焊管机组是由卷板调平/平板送进、板材超声波探伤、自动连续卷管、焊接、感应加热、定径、定尺切断等组成的柔性成型工艺集成，生产线配有多通道超声波板材自动探伤、多阴极氩弧焊/等离子弧焊、焊缝激光跟踪、感应加热和冷却装置、自动定尺切割等整套电脑控制自动化装备，该生产线采用工控机、PLC以及组态软件操作系统，自动控制采用分布式设计，对设备进行实时控制，大大提高了焊接精度和速度;同时，配有天然气固溶热处理设备、离线X射线探伤设备、超声波焊缝/管体探伤一体机、水压试验机等离线设备。

3检测结果与性能分析

3. 1化学成分

NUS N08367超级奥氏体板材由日本某企业提供，按ASTM B688 UNS N08367-96(2009)《铬-镍-钼-铁合金(UNS N08367和UNS N08366)板材、薄板和带材》标准中关于UNS N08367的规定，对板材进行入厂复验。管材管体和焊缝按ASTM B804和ASTM B688等相关产品标准检测，化学成分Cr，Mo，Ni，N，Cu合金元素均满足标准要求，同时，C，P，S，Si等有害元素均低于ASTM B804标准值，焊管材料具有较高的纯净度。

3. 2拉伸试验

从成品焊管中取样分别对产品的母材横向、纵向、焊缝横向进行室温拉伸试验，执行ASTM A370-2010《钢制品力学性能试验方法和定义》标准。焊缝和母材的力学性能如表2所示。

3. 3弯曲试验

从成品焊管焊缝处取样，按ASTM A370-2014《钢产品力学性能试验方法和定义》标准中7.2条款规定，用WE-600C液压万能试验机进行弯曲试验，焊缝处的正弯和反弯试验均未发现裂纹，说明管材焊接处导向弯曲满足标准要求。

3. 4耐晶间腐蚀性能

按ASTMA262-11《奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感性检测的标准方法》A，E法进行，A法试验时，在电流密度为1 A/cm2的10%草酸溶液中进行为时90s的电解腐蚀，用光学显微镜检查其为台阶状结构，晶粒边界处无沟槽，如图1所示;E法试验时，试样经650℃基础/1 h敏化，除去氧化皮后，采用硫酸-硫酸铜溶液(6%CuSO4;16%H2SO4)试验方法，在微沸的溶液中，连续浸蚀16h，洗净、干燥并进行180°弯曲，弯曲后用光学显微镜检查，试样表面未发现因晶间腐蚀而产生龟裂和裂纹，如图2～6所示。

3. 5耐点腐蚀性能

点腐蚀试验根据ASTM G48-11《使用三氯化铁溶液做不锈钢及其合金的耐麻点腐蚀和抗裂口腐蚀性试验的标准方法》E法和用户具体要求进行，采用三氯化铁溶液(6%FeCl3;1%HCl)倒入恒温浴槽的试样浸没试验方法，在50℃温度下连续浸蚀72h;30倍放大镜对试样表面进行微观评定观察，试样表面未出现点腐蚀坑，如图7所示，且所有批次产品进行点腐蚀试验，表面麻点腐蚀坑深度均≤0. 025mm(0.001in)。点腐蚀试验符合标准要求。

3. 6耐缝隙腐蚀性能

缝隙腐蚀试验根据ASTM G48-11《使用三氯化铁溶液做不锈钢及其合金的耐麻点腐蚀和抗裂口腐蚀性试验的标准方法》F法进行，采用三氯化铁溶液(6%FeCl3;1%HCl)倒入恒温浴槽的试样浸没试验方法，对所有批次产品进行缝隙腐蚀试验。从焊管内壁取样，在30℃温度下连续浸蚀72h，试样上的局部腐蚀最大深度0.03mm，平均值为0.017mm，满足要求(用户提出标准值≤0. 04mm(0.0015in)，如图8所示。

4结束语

采用柔性空弯+排辊成型和等离子弧焊+钨极氩弧焊复合焊接技术的不锈钢自动成型焊管工艺，成功地开发了Φ508mm×9. 53mm大口径超级奥氏体不锈钢焊管，焊管的力学性能、抗腐蚀性能等性能优异，符合ASTM B804等产品标准和用户协议要求，在国内先进三代AP1000核电项目成功推广应用。