商业牌号是2205CodePlusTow,已纳入ASTM和ASME的A240和A480中,UNS编号为S32205,属于第二代双相不锈钢。2205CodePlusTow与UNS编号为S31803的同种双相不锈钢2205有所不同,它提高了氮含量的下限,并通过有害金属相析出测试。2205CodePlusTow具有更高的强度、耐蚀性和焊后冶金稳定性,焊接接头易于获得平衡的两相组织,高氮含量更有效抑制有害金属相的析出,这对焊接是非常有利的。

1　材料特性

1.1　成分特点

        第二代双相不锈钢一般称为标准双相不锈钢,成分特点是超低碳、含氮,其典型成分为22%Cr+5%Ni+0.17%N(见表1)。与{dy}代双相不锈钢相比,2205进一步提高氮含量,增强在氯离子浓度较高的酸性介质中的耐应力腐蚀和抗点蚀性能。氮是强烈的奥氏体形成元素,加入到双相不锈钢中,既提高钢的强度且不显著损伤钢的塑韧性,又能抑制碳化物析出和延缓σ相形成。

1.2　组织特点

        双相不锈钢在室温下固溶体中奥氏体和铁素体约各占半数(双相不锈钢2205铁素体含量应为30%～55%,典型值是45%左右),兼有两相组织特征,见图1。它保留了铁素体不锈钢导热系数大、线膨胀系数小、耐点蚀、缝隙及氯化物应力腐蚀的特点;又具有奥氏体不锈钢韧性好、脆性转变温度较低、抗晶间腐蚀、力学性能和焊接性能好的优点。

图1 　2205DSS 板材典型显微组织

1.3　性能特点

        在性能上的突出表现是屈服强度高和耐应力腐蚀。

        双相不锈钢比奥氏体不锈钢的屈服强度高近1倍,同样的压力等级条件下,可以节约材料。比奥氏体不锈钢的线性热膨胀系数低,与低碳钢接近。使得双相不锈钢与碳钢的连接较为合适,这有很大的工程意义。锻压及冷冲成型性不如奥氏体不锈钢。双相不锈钢2205的机械性能见表2。

2　焊接性[1]

        双相不锈钢2205具有良好的焊接性,焊接冷裂纹和热裂纹的敏感性都较小。通常焊前不预热,焊后不热处理。由于有较高的氮含量,热影响区的单相铁素体化倾向较小,当焊接材料选择合理,焊接线能量控制适当时,焊接接头具有良好的综合性能。

2.1　热裂纹

        热裂纹的敏感性比奥氏体不锈钢小得多。这是由于含镍量不高,易形成低熔点共晶的杂质极少,不易产生低熔点液膜。另外,晶粒在高温下没有急剧长大的危险。

2.2　热影响区脆化

        双相不锈钢焊接的主要问题不在焊缝,而在热影响区。因为在焊接热循环作用下,热影响区处于快冷非平衡态,冷却后总是保留更多的铁素体,从而增大了腐蚀倾向和氢致裂纹(脆化)的敏感性。

2.3　铁素体475℃脆化

        双相不锈钢含有50%左右的铁素体,同样也存在475℃脆性,但不如铁素体不锈钢那样敏感。

3　焊接冶金[2]

        双相不锈钢焊接过程中,在热循环的作用下,焊缝金属和热影响区的组织发生着一系列的变化。在高温下,所有的双相不锈钢的金相组织全部由铁素体组成,奥氏体是在冷却过程中析出的。奥氏体析出的多少受诸多因素的影响。

3.1　相比例要求

        双相不锈钢焊接接头的力学性能和耐蚀性能取决于焊接接头能否保持适当的相比例,因此,焊接是围绕如何保证其双相组织进行的。当铁素体和奥氏体量各接近50%时,性能较好,接近母材的性能。改变这个比例关系,将使双相不锈钢焊接接头的耐蚀性能和力学性能(尤其是韧性)下降。双相不锈钢2205铁素体含量的{zj0}值是45%。过低的铁素体含量(<25%)将导致强度和抗应力腐蚀开裂能力下降;过高的铁素体含量(>75%)也会有损于耐蚀性和降低冲击韧性。

3.2　相比例影响因素

        焊接接头中铁素体和奥氏体的平衡关系既受到钢中合金元素含量的影响,又受到填充金属、焊接热循环、保护气体的影响。

3.2.1　合金元素的影响

        根据研究和大量试验发现,母材中含氮是非常重要的。氮在保证焊缝金属和焊后热影响区内形成足够量的奥氏体方面具有重要作用。氮和镍一样是形成奥氏体和扩大奥氏体元素,但是,氮的能力远远大于镍。在高温下,氮稳定奥氏体的能力也比镍大,可防止焊后出现单相铁素体,并能阻止有害金属相的析出。

        由于焊接热循环的作用,自熔焊或填充金属成分与母材相同时,焊缝金属的铁素体量急剧增加,甚至出现纯铁素体组织。为了抑制焊缝中铁素体的过量增加,采用奥氏体占优势的焊缝金属是双相不锈钢的焊接趋势。一般采取在焊接材料中提高镍或是加氮这两条途径。通常镍的含量比母材高出2%～4%,例如,2205填充金属的镍含量就高达8%～10%。用含氮的填充材料比只提高镍的填充材料效果更好,两种元素都可以增加奥氏体相的比例并使其稳定,但加氮不仅能延缓金属间相的析出,而且还可提高焊缝金属的强度和耐蚀性能。

        目前,填充材料一般都是在提高镍的基础上,再加入与母材含量相当的氮。

        对于双相不锈钢2205,钨极氩弧焊选用Sandvik22.8.3.L(ER2209)焊丝,焊条

2.3　工艺参数的影响

        焊接工艺参数即焊接线能量对双相组织的平衡也起着关键的作用。由于双相不锈钢在高温下是{bfb}的铁素体,若线能量过小,热影响区冷却速度快,奥氏体来不及析出,过量的铁素体就会在室温下过冷保持下来。若线能量过大,冷却速度太慢,尽管可以获得足量的奥氏体,但也会引起热影响区的铁素体晶粒长大以及σ相等有害金属相的析出,造成接头脆化。

为了避免上述情况的发生,{zj0}的措施是控制焊接线能量和层间温度,并使用填充金属。

3.2.4　保护气体的影响

        钨极氩弧焊时,可在氩气中加入2%氮气,防止焊缝表面因扩散而损失氮,有助于铁素体与奥氏体的平衡。

4　焊接工艺

        焊接工艺通常应规定出焊接线能量范围和{zg}的层间温度。Avesta公司建议线能量为110～215kJ/mm,层间温度控制在150℃以下。鉴于此,焊接工艺评定采用的焊接工艺参数见表3。

对接坡口加工形式及焊接层次如图2所示,第1层是钨极氩弧焊,2～4层是焊条电弧焊。

5　性能评定

5.1　焊接工艺评定

        按JB4708—2000进行焊接工艺评定,平均抗拉强度高达782MPa,塑性断裂在热影响区;4支侧弯试样无裂纹出现。

5.2　相比例评定

        金相法观察到的组织形貌是白色奥氏体基体上分布有浅灰色

2205双相不锈钢设备主要制造技术

1. 2205双相不锈钢设备的制造、检验、验收应符合《压力容器安全技术监察规程》、GB150-98《钢制压力容器》的规定，且应满足本规定和施工图的要求。
2. 材料：2205双相不锈钢的材料（包括复合板材料）应满足《2205双相不锈钢采购技术要求》的规定。
3.冷成型：成型后变形率超过10％的封头以及拼板后成型的封头，成型后应对封头进行固溶处理，固溶处理的温度委1090℃。
       注：变形率ε＝（1.5σ/2Rf）×（1－Rf/ R0）×{bfb}
       式中：ε…钢板变形率，％；
       σ…钢板名义厚度，mm；
       Rf…钢板弯曲后的中线半径，mm；
       R0…钢板弯曲前的中线半径，mm；对于平板R0＝∝，mm；
4.  热成型：所有热成型加工，在成型后均应进行固溶处理。
注：对于复合板设备，其热处理要求应根据基层材料的厚度，按ASME要求进行xx应力热处理。
5.  固溶液处理后试板的检验要求：
5.1 冲击试验；
5.2 微组织检验；
5.3 硬度及铁素成分检验；
5.4 腐蚀试验；
5.5 所有上述试验的结果应满足第9条的规定。
6. 切割
       热切割方法xx于使用等离子弧切割，切割后用机加工方法或精磨去除所有的热影响材料的方法。
7.  焊接
7.1 推荐使用钨极惰性气体保护焊（TIG），焊接材料如下：
    钨极惰性气体保护焊（TIG）——Sandvik 22.8L，Avesta 2205或者Metrode ER329N填充焊丝。
    注：对于复合板设备，其基层之间的焊接材料按施工图。
       在确保焊接工艺可行和进行焊接工艺评定后，其他焊接工艺可以使用，任何情况下，焊接材料都应符合《2205双相不锈钢采购技术要求》中关于化学成分的要求。
7.2 当采用外坡接口时，焊缝应使用钨极惰性气体保护焊的方法打底。打底的最小高度为5mm。
    当采用内坡接口时，焊缝{zh1}一道应使用钨极惰性气体保护焊其最小高度为5mm。
7.3 所有的内部角焊缝应使用钨极惰性气体保护焊。
7.4 采用钨极惰性气体保护焊时，根据材料厚度，输入热量应控制在0.8－1.5KJ/mm，层间温度{zd0}为150摄氏度。焊接过程中输入热量和层间温度应被监测和记录。制造厂应在确认控制这些变量的方法能够满足这些要求时，才能进行焊接制造。
       对于多层焊缝，填充焊道的电弧能量不得高于打底时的能量。其目的是使头道焊缝中得到的最多的奥氏体组分和组分之间的平衡。同时在后续焊道的再加热下，尽可能少地二次结晶或二次奥氏体化。
7.5 双相不锈钢焊接不需要预热或焊后热处理（对复合板设备，应根据基层材料的厚度，按有关标准规范要求进行预热或焊后热处理）。
7.6 不允许使用氧炔焊。
7.7 环缝引弧应在焊道内进行，纵缝引弧和息弧均必须在引弧板和息弧板上进行。
7.8 应避免过多的焊条横向摆动和过宽的熔化池，以避免过大的电流输入和较高的残余应力。
7.9 钨极惰性气体保护焊推荐的保护气是氩气加2.5%氮气。背面保护气应为99.9％的纯氩气。保护气应确保氧气和水份的含量不超过5ppm。保护气和背面保护气的正常流量大致为0.4－0.7m3/h。
7.10 钨电极惰性气体保护焊可以手工操作或使用机器。使用稳定电流的电源，推荐引弧时使用高频线圈和与电源相适应的延时器。钨极惰性气体保护焊的焊炬为直流的正极，电极为负极。当使用半自动焊时，焊丝的输入速度应恒定。
7.11 使用钨电极惰性气体保护焊时，对于非消耗电极应满足AWS Specification 5.12 Classification EWTH(1-2% thoriated tungsten electrode)的要求。
7.12 使用钨极惰性气体保护焊时，惰性气体的紊流会导致空气混入，可以通过调节焊炬上的gas diffuser screen lens减至{zd1}。使用电弧前开始充气，电弧熄灭后，继续充气至少五秒。
7.13 不论使用何种接头形式，使用钨电极惰性气体保护焊的背面保护气是必须的。由于保护气的密度比空气小，保护气应由底部进入，顶部排出。
7.14 在使用氩弧焊时，应按照合适的长度和间隔进行定位焊。
    根部焊道不应从定位焊点起焊，为了避免由于定位焊点导致根部焊道出现裂纹，焊工应在定位点前中断根部焊道，在xx打磨掉该定位点后，继续根部焊道。
7.15 在定位焊和打底时，使用非铜垫板应保证其背面的保护氩气所xx保护起来。
7.16 当使用钨电极惰性气体保护焊时，焊炬应与工件保持垂直，尽可能地避免空气混入保护气中。
7.17 焊接金属包括焊丝和电极应在任何时候保持干燥并存放在有盖的容器内。
7.18
（i）使用双相不锈钢的容器，内件应直接焊在覆层上。
（ii）在焊接内件前，受影响的覆层区域应进行100％的超声波探伤，检查是否存在分层的缺陷。受影响的覆层区域为沿内件的轮廓线往外扩展100mm。在沓接内件之后，受影响的覆层区域应再进行100％的超声波探伤。受影响的覆层区域内分层缺陷是不允许出现的。
（iii）为了方便在焊基层材料而去除覆层材料的区域应使用硫酸铜溶液检查，确定没有不锈钢残存在表面上。在焊接前，硫酸铜溶液应被xx清楚。
8.  清洗
       焊接后，按照不锈钢的清洗方法清洗焊缝。对于能够清洗的所有与介质接触的焊缝表面在焊接之后都应该使用Sandvik/Avesta酸洗膏或其他经过验证的酸洗剂浸泡最少二十分钟，然后用水清洗掉酸洗膏或酸洗剂。在这个过程中，应该xx所有的氧化物、锈蚀、氧化膜和表面污垢。换热管的焊缝不进行酸洗。
       当接触介质的焊缝表面不能清洗时，如接管的对焊缝，必须使用吹扫气体{zd0}限度地xx保护焊缝背面用气体。吹扫气体中氧气和水份的含量不超过25ppm，以求在不去除氧化物的前提下焊缝的{zd0}抗汽蚀性。
9. 焊接工艺评定，焊工资格认证和产品试板
9.1 焊前应进行焊接工艺评定，焊工应持证上岗。
       产品试板应该在制造过程中制备。下列焊缝必须制备制备至少一块产品试板：
（a）每条纵环向主要焊缝
（b）由成型的瓣片和顶圆拼接制成的球形封存头需要最少一条径向焊缝 和一块试板。
（c）碟型封头的每条拼接焊缝
9.2 焊接工艺评定、焊工资格认可和对接焊缝的产品试板试验都应遵守以下几点：
（i）拉伸试验
       两个十字接头试件的拉伸试验是在常温下进行的。最终的抗拉强度应大于620MPa（对于2205合金）和700MPa（对于2507合金）。
（ii） 弯曲试验
       两个横向弯曲试件应进行180度弯曲试验，一个试件焊缝根部受拉伸，另一个试件焊缝根部受压缩，在试验结束后不应出 现任何裂纹或开口等缺陷。
（iii）冲击试验
       对于板材，夏比V表缺口试件应包括焊缝和热影响区，按ASTM A239方法B进行冲击试验，V形缺口应开在焊缝根部、表面和横截面上。在－40℃时，最小的冲击值应为54J。
       10×7mm  ：44J    －40℃ 
       10×6mm  ：40J    －40℃ 
       10×5mm  ：36J    －40℃
（iv）晶间腐蚀试验
       一个试件的两个表面（分别是最终板材、管材厚度的两个表面，尺寸大致为25mm×50mm），都应按A923方法C进行晶料间腐蚀性试验。
       在进行试验前，所有试件表面都应认可的酸洗膏的基础上，用硝酸、氢氟酸清洗，大约20分钟，直至氧化残留物去除后，再用清水冲洗。对于2205合金，试件应全部浸泡在6％（质量比）的三氟化铁溶液中，控制温度为40℃。试验溶液的体积应是标准的，试件在溶液中浸泡24小时后取出，经过清水冲洗后在进行干燥。腐蚀程度将用目测和单位面积岳量损失量来评定。评定结果应满足目测没有发现腐蚀和部位面积质量损失小于0.1mg/cm。
（v） 微观断面检查，硬度测定和铁素体成分测定
       焊接工艺评定。焊工资格认可和产品试板都应包括对一个样品焊缝隙、热影响区和母材断面进行的检验和测定。
这个断面应采用微观检查，应显示一个平衡的结构，没有有害的晶粒边界沉淀或两相物存在。铁素体成分应控制在30％～60％范围内。
       该断面承受沿平行于内表面、外表面2mm直线和中心线进行10kg维氏硬度试验。
       这个缺口应尽可能告警影响区和熔合区。
       {zd0}允许硬度值高水平为320HV10。
9.3 对于填角焊缝和堆焊层的焊接工艺评定。焊工资格认可也应包括上述的耐蚀性试验。
9.4 换热管与管板连接应采用在管板上表面进行强度焊。
       焊接应采取全自动或半自动钨极惰性气体保护焊，焊两层。
       试件应进行拉脱试验和焊缝耐蚀性试验（见9.2（iv））。
       耐蚀性试验的试件断表面应包括两根相邻换热管，厚度方向取平行于管板表面6mm厚。
       保护气体应按第7节中要求。
10. 裂纹检查
10.1所有主焊缝、接管与筒体的连接焊缝和所有与受压元件相焊附件的沓缝全长都需要采用一种认可的着色检查方法进行检查。
10.2所有接管与筒体的连接焊缝和主要焊缝的T形接头在水压试验结束后还需要进行焊缝裂纹检查。
11. 在双相不锈钢设备内工作时的要求
       在双相不锈钢设备的每个人都应有一个干净的区域，需要铺设木制或塑料地毯。
       人孔应用一个临时的非金属衬垫保护，防止人孔和法兰面破坏。
       当需要在实体或复便双相不锈钢容器内设置脚手架时，应采用铝合金手架，并用合适的橡胶垫包住支架根部，防止脚手架的支架接触和点荷载作用于容器表面。
       应使用周围没有金属加强条的木板，或用布或其他非金属材料将周边金属包住，防止与容器表面接触。
       进入容器内部的人员应该穿软鞋袜或套鞋，目的是为了保持不携带外来金属进入容器内部。当从容器出来时，应立即脱去这些鞋袜。帆布鞋或橡胶鞋是要使用的。应事先考虑到穿这些鞋袜在容器内部工作的安全性。在任何时候都应保证穿戴整洁。
       在工作中应采取各种措施防止这些设备免受铁、钢或其他金属工具的破坏，包括不锈钢、铜合金和铝合金设备。
钢制工具在保证工具表面在良好的使用状况如没有发生形变或夹带金属时，也可以使用。
12. 双相不锈钢设备的操作总体要求
       在操作中的起吊绳索可以采用县委或者涤纶绳，但必须特别注意避免撞击或磕碰。
       运输采用常规设备但应避免过载，个别线圈应安全固定在容器上，避免在运输中移动。
       双相不锈钢应放置在一个独立区域，不与其他金属材料接触，如地面铺不带铁钉的干净木块等等。
       双相不锈钢设备的表面高水平加以保护，防止破坏。如不要将换热器和平盖表面放置在混凝土地面上，其接触表面应用塑料盖加以保护。
       在接管应设置盲板（不锈钢薄板），当容器单独进行压力试验后，盲板还需要再装上，以防止灰尘等污染物进入容器内。
       当金属沾污或局部表面损坏、刮伤等，沾污表面应采用不含铁的氧化铝或金刚砂纸打磨。