毛明志（广西区特种设备监督检验院 广西 530001）

引言

石油化工方面所使用的压力容器及容器配件，多是不锈钢焊接或不锈钢复层、堆焊制成。这样焊接裂纹，耐腐蚀性和熔敷金属的脆化性就影响着产品使用性能和寿命。通常情况下，装载不同介质的容器的不锈钢堆焊层要求控制不同的铁素体含量。从抗腐蚀性能来说，一般介质中铁素体含量在8%为适宜，另外从机械性能的角度来说，特别在高温下工作的焊缝，以小于5%为宜，否则将产生不锈钢内部组织的脆化，致使产品的出现焊缝开裂等问题。加氢工艺主要分为加氢精制、加氢脱硫和加氢裂化等几种，采用这些工艺的主要目的是改变油品性质、降低油品中的硫含量以及调整产品结构等。炼油厂中的加氢反应器中不锈钢堆焊层是反应器抗腐蚀中重要的一个工艺，由于加氢装置操作温度为300-500℃操作压力为8-18MPa，而介质中的氢气分压很高，并且伴随有H2S腐蚀，因此，不锈钢堆焊层对于加氢反应器来说有尤为重要。

一、奥氏体不锈钢相与铁素体相

奥氏体不锈钢与铁素体相奥氏体相是碳溶于α-Fe中所形成的面心立方晶体间隙固体，其塑性很好，强度较低，具有一定韧性。铁素体相是碳溶于α-Fe的体心立方晶格间隙固溶体，相对于奥氏体相，铁素体相强度较高，塑韧性较低。奥氏体不锈钢是指在常温下具有稳定奥氏体相的不锈钢，主要含Cr，Ni，c元素。

奥氏体不锈钢具有高韧性和塑性、较好的耐腐蚀性能和加工性能，因此在加氢反应器中得到大量的使用。如果奥氏体不锈钢中各种合金元素成分控制合适，且经过固溶热处理，基本上可以获得单一的奥氏体相。但实际产品中，由于铁素体相稳定化元素(如Cr)的作用，或奥氏体相形成元素(如Ni)的含量不够高，同时受加工工艺的影响，则常温下主要是奥氏体相，另一小部分则是铁素体相，即在奥氏体不锈钢组织中仍会存在一定数量的铁素体相。铁素体相的含量主要取决于奥氏体不锈钢的化学成分，特别是Cr、Ni当量的影响，同时氮(N)也是奥氏体不锈钢组织铁素体含量的重要影响元素。

在凝固结晶过程中生成并保留至常温的铁素体相的形态及数量会显著影响到奥氏体不锈钢组织的各种性能 (如力学性能、热加工性能、焊接性能等)。其中有利的影响有：铁素体相的增加提高奥氏体不锈钢的强度；减小奥氏体不锈钢焊接产生热裂纹的倾向；强化铸造奥氏体不锈钢等。不利的影响有：铁素体相的增加降低奥氏体不锈钢的延塑性、增大奥氏体不锈钢锻件热加工裂纹产生倾向、使其耐点蚀性能下降、铁素体相在高温下长时间加热会转变为σ相使钢变脆等[1]。

二、不锈钢堆焊层中铁素体的控制

CrMo钢虽然有很好的抗氢性能，但当使用温度超过250℃时就无法抗H2S腐蚀，因此为了避免高温高压下H2S腐蚀和硫酸腐蚀，在加氢反应器筒体内壁堆焊两层奥氏体不锈钢，即双层不锈钢金属结构。堆焊第一层（过渡层）为TP309L，第二层（表面层）为TP347L，堆焊厚度一般不小于3mm。不锈钢堆焊层金属若为单相奥氏体组织，则容易产生高温裂纹，因此要求熔敷金属由奥氏体和铁素体两相组织构成。但铁素体过多也有不利的一面，即热处理中铁素体会转变为σ相，使堆焊层脆化。因此铁素体质量分数通常控制在5%-7%。铁素体质量分数与Cr质量分数有关，Cr质量分数在20%时，铁素体质量分数一般在5%-10%质量分数较高或较低时都会造成铁素体质量分数升高[2]。

三、铁素体含量的测定方法

3.1、金相测量法：

金相测量法是将焊接部位通过取样，磨制、抛光、腐蚀后在显微镜下进行观察。根据GB/T1954-2008的规定[3]，焊缝金属必须是从产品所带供检验用的试板至少取6个金相试样，取样的尺寸、部位见图1

试样观测面按常规金相进行研磨和抛光，机械抛光要求不存在金属表面紊乱层的光洁镜面为合格，电解抛光则以得到无任何磨痕和不破坏铁素体的完整性为准。抛光完成后，用化学法或电解侵蚀法来显示其铁素体，最后在显微镜下进行测量。测量的方法有2种：割线法和图谱比较[4]法见图2。一般以割线测量法为准，图谱比较法属半定量分析，只能给出铁素体含量的大概范围。

金相法可通过显微镜直观地观察到铁素体的分布，其含量。但在制样方面要求严格，尤其是在试样的抛制过程，要花费很长的时间，反复操作，才可以达到良好的观测效果，在试样的电解、侵蚀过程要把握好时间，温度和电流的影响，否则观测效果不好。

3.2、saeffler图计算法

schaeffler图称舍夫勒组织图是表征不锈钢焊缝金属的化学组成(不计氮元素)与组织的定量关系图。是舍夫勒(sehaeffler)根据不锈钢手工电弧焊的焊缝组织实测统计绘成的组织图(1949年)。利用此图，可依据熔数金属的化学组成推算出焊缝金属的相组织及铁素体量。

组织图中，纵坐标用Nicq(镍当量)表示，镍当量是 反映不锈钢焊缝金属组织奥氏体化程度的指标。其量 值是根据焊缝金属组织中包含的奥氏体元素(如镍，碳，锰等)，按其奥氏体化作用的强烈程度折算成相当于若干个镍之总和;横坐标用Creq(铬当量)来表示，铬当量是反映焊缝金属组织的铁素体化程度的指标，其量值是根据参与焊缝组织中的铁素体化元素 (如铬，铝，硅，铌等)，按其铁素体化作用的强烈程度，折算成相当于若干个铬之总和。

一般操作过程是将产品的焊缝进行取样后，进行主要的化学分析成分分析，然后按照以下二个公式分别计算出镍当量和铬当量。

Ni当量＝Ni%+C30%+Mn0.5%

Cr当量＝Cr%+Mo%＋Si1.5%＋Nb0.5%

最后根据镍当量和铬当量的值在saeffler图中查出铁素体的含量。该测量方法适用于无金相试验和仪器测量的情况，化学元素分析好掌握，相对计算不复杂，缺点是从图表中查到铁素体含量的数据相对来说有些误差。在对于多台产品，多焊缝，用此法来测量时，取样任务量较大，分析时间长，繁琐。

3.3、磁性测量法（仪器测量）：

磁性测量法是指仪器测量，磁性测量法在GB/T1954-2008中的解释为以磁吸引力或导磁率原理的铁素体测量仪器进行测量，仪器一般可以称之为铁素体测量仪。

在某石化公司检修时对加氢反应器不锈钢堆焊层的铁素体含量测定时，采用了德国FISCHER公司进口的铁素体含量测定仪作为检测工具，此仪器简单快捷，大大提高了工作效率，抽查了5处堆焊层，包括加氢反应器的上封头、下封头与筒体，测得不锈钢堆焊层铁素体含量为3%-5%，符合要求。

结语

综合对加氢反应器不锈钢堆焊层中的铁素体相的作用和含量限制进行的分析，在不锈钢的使用中，应考虑其具体的加工方式、失效机理和服役环境条件，掌握铁素体相的含量调整原理、测量和计算方法，控制铁素体相的不利作用，发挥其有利作用，以保证设备的质量和安全运行。

[1]孙海涛.核电焊接用奥氏体不锈钢组织中铁素体相的作用和定量[J].核电焊接专题,2010,10：33.

[2]邓康.加氢反应器材料选用 [J].石油化工设备,2004,5：33.

[3]GB/T 1954-2008.镍铬奥氏体不锈钢焊缝铁素体含量测量方法[s].

[4]GB/T 15749-2008定量金相测定方法[s].