超级奥氏体不锈钢N08367爆炸复合板开发应用

摘 要：通过试验和检测，对N08367合金的力学性能、焊接性能、爆炸焊接性能以及所采用的热处理工艺对消除爆炸焊接应力和复层N08367耐腐蚀性能的影响进行了分析。结果表明，N08367合金具有良好的焊接、爆炸焊接和耐腐蚀性能，能广泛应用于各种酸性、碱性等腐蚀环境中。

关键词：N08367合金；焊接；爆炸焊接；热处理

随着能源市场的需求量激增，石油化工、电厂电站等行业的发展十分迅猛，而石油化工中的油罐和管道，电厂电站中的烟气脱硫等腐蚀环境均需要大量的耐腐蚀金属材料。随着装置设备的大型化用户对设备的耐腐蚀要求和使用寿命都提出了更高的要求，因此制造设备用的普通奥氏体不锈钢已经远远无法达到用户的要求，而采用Cr、Mo、Ni含量更高的超级奥氏体不锈钢N08367[1] 制造设备因为具有更高的合金含量所以适合各种酸性、碱性等耐腐蚀环境。但N08367合金属于贵金属材料，若直接使用其制造设备，成本太高。随着国内工业科技进步，金属爆炸焊接复合材料技术得到了快速的发展，将N08367作为复层与某种基层材料爆炸复合制成复合材料成为最佳选择。对于以N08367为复层的复合材料，复层材料N08367可以耐腐蚀，基层材料可以承受压力。

文中介绍超级奥氏体不锈钢N08367与Q345R爆炸焊接复合材料的试验情况及各项性能。

1 超级奥氏体不锈钢N08367合金介绍

N08367合金是低碳、高纯氮系超级奥氏体不锈钢，较高水平的Cr、Mo、Ni，其中Mo的含量达到6～7%使得它对氯离子的点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀有优异的抵抗力，它本身的属性使其在酸或碱性环境下都表现出良好的性能。它主要的应用场合如下所示：

1、化工储罐和管道；

2、海洋油气田平台；

3、海水冷凝器、热交换器和管道；原油管道；

4、纸浆漂白过程中的洗滤器、桶和压力辊；

5、电站烟气冲刷环境；

6、脱盐设备和泵；

7、核电站给水管道系统；

8、海洋环境下的变压器外壳；

9、高纯药品生产设备；

N08367合金的化学成分、力学性能分别见表1和表2。

2 超级奥氏体不锈钢N08367合金焊接试验

2.1 焊接试验的目地

通常所有的腐蚀都是从最薄弱的焊缝处开始发生的，这是由于焊接区域的金属相当于一个铸体结构，抗腐蚀能力不如变形体的母材好，尤其是在腐蚀较强的地方，这种差距就更为明显了，所以，焊接质量也是设备使用性能的关键。N08367合金含有较高的Cr、Mo、Ni等合金元素且受温度变化腐蚀敏感性极强，所以焊接过程中应严格控制焊接线能量以避免过热造成腐蚀性能下降。

焊接试验的焊接试板材质为N08367合金，试板尺寸400mm×150mm×6mm-2件，拼接成400mm×300mm×6mm-1件。焊接试验模拟产品正常焊接过程，在保证工艺参数正确的情况下，通过焊接试板检验焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能，为产品正常焊接提供正确的工艺参数。

2.2 焊接试验和焊接参数

N08367合金的焊接采用钨极惰性气体保护焊，选用625焊丝作为填充材料。N08367合金对铜污染开裂敏感。为避免这一点焊接坡口及邻近区域应避免接触高铜合金或者黄铜夹具等工具。为了保证N08367合金的焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能除了认真做好焊接前清理工作，尽量避免铁、铜离子污染外，还要严格控制焊接过程的热输入量。

焊接试验前打磨抛光焊缝两边50mm范围内的正反两面，并用丙酮擦洗。填充焊丝为625，焊丝直径φ2.0mm，采用GTAW手工焊接，焊接电流120～150A，焊接电压12～18V，99.99%氩气正反面保护。

2.3 焊缝检验

（1）射线（RT）检测 按照JB/T4730.2-2005《承压设备无损检测》规定[3]，I级合格。

（2）渗透（PT）检测 按照JB/T4730.5-2005《承压设备无损检测》规定，I级合格。

（3）力学性能检测。按GB/T228-2002《金属材料拉伸试验》标准试验，结果见表3。

从表3的检查结果来看，各项指标均满足标准要求。

（4）耐腐蚀试验检测。对焊缝区域和母材区域分别取样做耐腐蚀试验检测，检测结果见4。

焊缝区域各种耐腐蚀检测方法、结果与母材相当，故以上焊接试验能够满足要求。

3 Q345R+N08367合金爆炸焊接试验

3.1 爆炸焊接方案

N08367合金爆炸焊接试验基材选用Q345R，试样尺寸为500mm×350mm×50mm。复层材料为N08367，试样尺寸为550mm×400mm×6mm。尺寸均为：长×宽×厚。

爆炸焊接前基层、复层待结合面进行打磨抛光去除氧化皮处理，要求粗糙度不大于1.0um。

爆炸焊接后分别进行贴合率检测、力学性能检测及热处理试验。

由于N08367合金材料强度较高，塑性也较好，从理论上分析爆炸焊接参数窗口较宽，为避免复合板在校平、卷制、冲压等后续加工工序出现问题，故宜采用较小的爆炸复合参数配比，结合面状态为细波纹结合[5] [6]。

3.2结合率检测

爆炸焊接后现场观察表面良好，四周切边均匀。按照JB/T4730.3-2005《承压设备无损检测》UT规定进行超声波贴合率检测，检测结果除引爆点φ20mm外100%贴合。贴合率符合NB/T47002.1-2009《压力容器用爆炸焊接复合板》[4]标准规定。

3.3宏观金相分析

为了检测材料在爆炸焊接后结合区附近是否受到破坏，对爆炸后的复合板取样进行了宏观金相分析（见图一），结果显示基层、复层以后结合区材料均未收到任何破坏。

3.4 热处理试验

N08367合金的热处理温度为1107～1232℃，加热后快速冷却。ASME中规定“用于ASME锅炉压力容器结构的N08367合金，最终热处理温度不得低于1100℃”。N08367合金在540～1040℃之间加热有中间相析出，合金中很高的含钼量（6.5%Mo），显著影响该钢“σ”相析出的速度和数量。“σ”相属脆性相，微量（2～3%Mo）存在，便显著影响钢的力学性能，特别是韧性和耐腐蚀性能。

N08367+Q345R复合板的热处理，要考虑复板N08367合金的耐腐蚀性能，还要考虑基板Q345R承受高压或高温下的力学性能。N08367合金在980℃以上仍有二次相缓慢析出，超过980℃，Q345R将产生过热或过烧的魏氏组织，晶粒长大、性能变坏，高温显然不行。故在低温区，根据不同资料介绍析出中间相的温度选择了520℃、600℃和析出高峰920℃及不热处理作评价基准，进行了晶间腐蚀检查，按ASTM.G28-A法（25gFe2（SO4）3+50%H2SO4，沸腾24h），用ASTM.G48-A法（6%FeCl372h）检查点腐蚀性能。不同热处理温度的复层N08367合金晶间腐蚀和点腐蚀结果见表5：

表5中可见N08367合金晶间腐蚀的腐蚀率对热处理温度异常的敏感，920℃×2 h析出了大量中间相，使晶间腐蚀性能下降到24h完全溶解掉的地步，600℃×4h的低温晶间腐蚀的腐蚀率达44g/m2.h的水平。520℃×4 h方案，晶间腐蚀的腐蚀率与未热处理的原材料所差无几，是可以接受的。点腐蚀的腐蚀率与热处理温度不敏感，试验结果符合N08367合金，ASTM G48-A法<0.01mm/a的要求。

为满足复层的耐腐蚀性能选用方案2作为此次Q345R+N08367复合板热处理试验最终热处理制度，表6中各项力学性能数据显示：复合板抗拉强度（Rm），屈服强度（Rel），延伸率（A%）和基层冲击功（AKV）均符合NB/T47002.1-2009《压力容器用爆炸焊接复合板》标准规定。同时复层N08367合金金相组织也基本恢复到与母材一致（图二）

3.5 力学性能检测

热处理后各项复合板力学性能见表6，且热处理后按照JB/T4730.3-2005《承压设备无损检测》UT规定进行超声波贴合率复检，未见有脱层缺陷，贴合率符合NB/T47002.1-2009《压力容器用爆炸焊接复合板》标准规定。

通过试验后对试板各项性能（包括贴合率、抗拉强度，屈服强度，贴合强度，冲击功和弯曲性能）的综合检测，均能满足NB/T47002.1-2009《压力容器用爆炸焊接复合板》标准规定。因此可以认定N08367合金与Q345R可以实现良好的爆炸焊接。

4 结论

N08367合金的焊接，N08367合金+Q345R爆炸焊接及热处理试验的各项性能指标表明，N08367合金和Q345R爆炸焊接复合板性能优越，能够达到标准要求。根据文中所述的各项试验结果能够制定完整的N08367爆炸焊接复合板的制作工艺规范。

N08367合金爆炸焊接复合板开发至今我公司按照此工艺规范已经批量生产千余平方米的复合板供客户使用。根据客户用N08367合金爆炸焊接复合板制作的设备（反应器，塔器，热交换器等）在苛刻的工况下较长时间运行后的情况反馈表明，此种复合钢板各项性能均能满足标准及用户的要求。N08367合金爆炸焊接复合材料的使用避免了其他材料使用时发生的诸多问题，可大量的降低成本，提高性价比。

参考文献

[1] ASME锅炉及压力容器委员会材料分委员会. ASME SB688铬-镍-钼-铁合金板材、薄板和带材[S]. ASME锅炉及压力容器规范国际性规范 II 材料 B篇，2014.

[2] 美国材料实验协会. ASTM G28-2002 锻件、富镍以及含铬合金的晶间腐蚀敏感检测[S]. ASTM美国材料实验协会标准，2002.

[3] 寿比南，沈刚，袁榕，等. JB/T4730-2005承压设备无损检测[S]. 承压设备无损检测标准，2005.

[4] 寿比南，秦晓钟，陈培新，等. NB/T47002-2009 压力容器用爆炸焊接复合板[S]. 压力容器用爆炸焊接复合板标准，2005.

[5] 郑远谋. 爆炸焊接和爆炸复合材料的原理及应用[M]. 湖南：中南大学出版社，2007

[6] 史长根，王耀华，李子全，等.爆炸焊接界面成波机理[J].爆破器材，2004，33（5）：25-28

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