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        關(guān)于316H耐熱不銹鋼的焊接實(shí)踐

        2011-09-23 10:46:14劉曉旭
        化工裝備技術(shù) 2011年1期
        關(guān)鍵詞:不銹鋼裂紋焊縫

        劉曉旭 王 云 陳 罡

        (遼陽(yáng)石化分公司機(jī)械廠)

        焊接技術(shù)

        關(guān)于316H耐熱不銹鋼的焊接實(shí)踐

        劉曉旭*王 云 陳 罡

        (遼陽(yáng)石化分公司機(jī)械廠)

        通過(guò)對(duì)316H奧氏體耐熱不銹鋼的焊接性分析,進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定;通過(guò)合理的焊接工藝保證了再生器的焊接質(zhì)量。

        焊接 焊接工藝 焊接工藝評(píng)定 316H 奧氏體 耐熱不銹鋼 再生器

        0 前言

        奧氏體耐熱不銹鋼在氧化環(huán)境中具有較高的熱強(qiáng)性和優(yōu)良的耐腐蝕性能,應(yīng)用于化工裝置有腐蝕介質(zhì)的高溫抗氧化設(shè)備中。奧氏體耐熱不銹鋼的金相組織一般是單一的奧氏體組織,焊接性能良好,但如果焊接規(guī)范不當(dāng),焊接接頭容易出現(xiàn)熱裂紋、鉻的碳化物析出、接頭脆化等問(wèn)題,使焊接接頭的使用性能惡化。

        我廠承制的某石化公司連續(xù)重整-歧化裝置催化劑連續(xù)再生部分再生器為316H材質(zhì)奧氏體耐熱不銹鋼,其設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)均按照GB 150—1998《鋼制壓力容器》、質(zhì)技監(jiān)局鍋發(fā)(1999)《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》進(jìn)行。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

        該設(shè)備設(shè)計(jì)壓力0.45MPa,設(shè)計(jì)溫度580℃,公稱(chēng)直徑為2440 mm/1675 mm,壁厚28 mm/14 mm,不同直徑筒體通過(guò)變徑段相連,工作介質(zhì)為氮?dú)?、氧氣、二氧化碳、催化劑?/p>

        圖1再生器結(jié)構(gòu)

        在分析316H奧氏體不銹鋼焊接性的基礎(chǔ)上,通過(guò)焊接工藝評(píng)定并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐,順利完成了316H奧氏體耐熱鋼材質(zhì)再生器的焊接。

        1 316H奧氏體耐熱不銹鋼的焊接性分析及對(duì)策

        1.1 316H奧氏體焊縫金屬的熱裂紋

        316H奧氏體耐熱不銹鋼的化學(xué)成分如表1所示。

        表1 316H化學(xué)成分(%)

        奧氏體耐熱不銹鋼焊縫,易形成方向性很強(qiáng)的粗大柱狀晶組織,一些雜質(zhì)元素及合金元素如S、P、Si、Nb易于在晶間形成低熔點(diǎn)的液態(tài)膜,而奧氏體耐熱不銹鋼的熱導(dǎo)率小且線膨脹系數(shù)大,在焊接過(guò)程的不均勻加熱和冷卻條件下,焊接接頭在高溫下停留時(shí)間較長(zhǎng),承受較高的拉伸應(yīng)力與拉伸應(yīng)變,容易在焊縫處產(chǎn)生熱裂紋。產(chǎn)生熱裂紋的傾向與一次結(jié)晶的類(lèi)型和少量δ相鐵素體的含量,合金元素和雜質(zhì),焊接材料、焊接工藝參數(shù)及接頭的拘束度等因素有關(guān)。

        1.1.1一次結(jié)晶的類(lèi)型和δ相鐵素體含量的影響

        一次結(jié)晶的奧氏體組織的焊縫容易產(chǎn)生熱裂紋,奧氏體組織中有適量的鐵素體相可以提高抗裂性,因?yàn)檫m量的δ相打亂了奧氏體柱狀晶的枝晶方向,阻礙晶粒粗化,阻礙引起熱裂紋的低熔點(diǎn)雜質(zhì)的聚集。焊縫金屬中的δ相含量以3%~8%為宜,太多則引起焊縫耐腐蝕性能的下降。

        1.1.2合金元素和雜質(zhì)的影響

        硫、磷等有害雜質(zhì)是奧氏體耐熱不銹鋼焊接熱裂紋形成的敏感元素,因?yàn)閵W氏體對(duì)這些元素的溶解度比鐵素體低,而含鎳量越高,硫和磷的溶解度越小,焊縫中可能出現(xiàn)含硫、磷量高的低熔點(diǎn)共晶,這些低熔點(diǎn)雜質(zhì)富集于奧氏體晶界,在枝晶間形成液態(tài)薄膜,增大熱裂紋的傾向。而316H奧氏體耐熱不銹鋼含鎳量很高,控制硫、磷含量是提高焊縫抗裂性能的有效辦法,使焊縫形成奧氏體+鐵素體雙相組織,可以避免出現(xiàn)焊接熱裂紋。

        在焊縫熔敷金屬中增加適量的錳,可以在焊接過(guò)程中優(yōu)先形成高熔點(diǎn)的硫化錳共晶,減小低熔點(diǎn)硫化鐵在焊縫中形成,從而降低硫的有害作用。

        對(duì)含鎳量較高的316H奧氏體耐熱不銹鋼,還可以通過(guò)適當(dāng)提高焊縫的碳含量來(lái)提高抗裂性,這時(shí)的雙相組織是奧氏體+一次碳化物,它們可以提高焊縫的抗裂性能而又能不降低其高溫性能。

        1.1.3 焊接工藝參數(shù)的影響

        由于熱裂紋與焊接接頭的偏析及應(yīng)力有關(guān),為減少316H焊縫熱裂紋傾向,焊接工藝參數(shù)應(yīng)利于減小偏析和接頭的應(yīng)力。焊接時(shí)應(yīng)避免層溫過(guò)高,加快焊縫的冷卻速度,以小的焊接線能量減少偏析,提高焊接接頭的抗熱裂紋能力。

        1.1.4焊接接頭的拘束度

        較厚的母材焊接或者組裝應(yīng)力較大時(shí),材料收縮和應(yīng)力集中引起的內(nèi)應(yīng)力增大,焊接接頭區(qū)域應(yīng)力更為集中,更易產(chǎn)生裂紋。因此,應(yīng)以適當(dāng)?shù)慕M裝次序組裝,以減小組裝應(yīng)力、控制焊接接頭的剛度;應(yīng)在保證焊接質(zhì)量的前提下盡量以較小的規(guī)范參數(shù)施焊,以減小焊接接頭的拘束度。

        1.2晶界上鉻的碳化物的析出

        奧氏體鋼焊接時(shí)接頭處在溫度500~800℃范圍的時(shí)間越長(zhǎng),過(guò)飽和固溶的碳向晶粒間界的擴(kuò)散比鉻的擴(kuò)散快,在晶界附近和鉻結(jié)合成鉻的碳化物并在晶界沉淀析出,形成了晶粒邊界區(qū)域附近的貧鉻層,在腐蝕環(huán)境下使用會(huì)引起晶間腐蝕。對(duì)316H高碳奧氏體不銹鋼控制晶間腐蝕的方法有以下幾種。

        1.2.1采用雙相組織

        奧氏體焊縫中有少量的δ鐵素體,δ鐵素體分散在奧氏體晶間,能改善焊縫的抗晶間腐蝕能力,但是δ鐵素體有利于σ相析出,δ鐵素體數(shù)量越多,σ相析出機(jī)會(huì)越多,σ相的析出會(huì)降低焊縫的抗晶間腐蝕能力。奧氏體焊縫中含3%~8%的δ鐵素體,能獲得滿(mǎn)意的抗晶間腐蝕性能,這與提高抗熱裂性的要求一致。

        1.2.2嚴(yán)格控制焊接熱輸入量

        嚴(yán)格控制焊接熱輸入量,縮短接頭在500~800℃溫度區(qū)間的停留時(shí)間,以減少鉻的碳化物析出。

        1.3焊接接頭的脆化

        奧氏體鋼焊接接頭長(zhǎng)期在特定溫度區(qū)間下工作會(huì)產(chǎn)生脆化,主要有475℃脆化和σ相析出脆化。

        1.3.1 475℃脆化

        Fe-Cr合金在450~525℃之間長(zhǎng)期加熱,硬度提高,沖擊韌性嚴(yán)重下降,這種脆性稱(chēng)作475℃脆性。475℃脆性主要發(fā)生在含δ鐵素體的焊縫中,隨著奧氏體焊縫組織中鐵素體量的增加,發(fā)生475℃脆性的危險(xiǎn)性增大。

        316H焊接時(shí)采用在工藝評(píng)定合格范圍內(nèi)較小的焊接線能量,加快焊縫的冷卻速度,可以減少475℃脆性。

        1.3.2σ相析出脆化

        Cr-Ni奧氏體鋼和焊縫金屬在650~850℃高溫持續(xù)加熱過(guò)程中會(huì)發(fā)生σ相析出脆化。σ相金屬間化合物分布在晶粒邊緣,硬且脆,使奧氏體鋼焊接接頭的沖擊韌性大大降低,這在316H連續(xù)多層焊的焊接接頭中容易出現(xiàn)。

        在316H焊縫中嚴(yán)格控制Mo、Si等σ相形成元素,降低Cr含量并相應(yīng)提高Ni含量;焊接時(shí)采用相對(duì)小的焊接線能量,加快焊縫的冷卻速度,減少焊接接頭在高溫下的停留時(shí)間,可以防止或者消除σ相析出。

        2 316H奧氏體耐熱不銹鋼的焊接工藝編制及實(shí)施

        如上一節(jié)所述,奧氏體耐熱不銹鋼的焊接不僅要考慮焊接接頭的強(qiáng)度,還要考慮奧氏體鋼的熱裂紋傾向;更重要的是要保證焊接接頭具有特殊性能,如抗晶間腐蝕能力,高溫強(qiáng)度及抗氧化性能。同時(shí)還要注意避免在高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作的脆化問(wèn)題。

        2.1焊接材料的選擇焊接材料應(yīng)根據(jù)焊件的化學(xué)成分及使用要求進(jìn)行選擇。316H奧氏體耐熱不銹鋼焊縫,主要用于高溫腐蝕條件下,希望焊縫組織是奧氏體+3%~8%鐵素體雙相組織,并考慮避免脆化組織的析出、控制相應(yīng)元素的含量。

        ER 316H焊絲和E316H焊條的熔敷金屬化學(xué)成分如表2、表3所示。

        表2 ER316H焊絲熔敷金屬化學(xué)成分 (%)

        表3 E316H焊條熔敷金屬化學(xué)成分(%)

        2.2奧氏體耐熱不銹鋼的焊接工藝要點(diǎn)

        根據(jù)奧氏體耐熱不銹鋼的物理性能以及對(duì)其抗裂性和耐腐蝕性的要求,焊接時(shí)須注意以下幾點(diǎn):

        奧氏體鋼的導(dǎo)熱系數(shù)小而線膨脹系數(shù)大,易產(chǎn)生焊接變形。由于奧氏體鋼導(dǎo)熱系數(shù)小,在同樣的焊接電流下,可以得到比普通低合金鋼更大的熔深,但容易使焊接接頭過(guò)熱,所以其焊接電流應(yīng)當(dāng)比焊普通低合金鋼小一些。

        我們依據(jù)JB 4708—2000《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》及設(shè)計(jì)技術(shù)條件進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定:

        ER 316H?2mm焊絲,I=100~110 A,U=11~13 V,v焊=100~110mm/m in,氬氣流量正/背7~9 L/min。

        E316H?3.2mm焊條,I=90~110 A,U=22~30 V,v焊=150~190mm/根。

        E316H?4mm焊條,I=120~140 A,U=22~30 V,v焊=250~300mm/根。

        E316H?5mm焊條,I=170~200 A,U=22~30 V,v焊=380~400mm/根。

        拉伸試驗(yàn):抗拉強(qiáng)度Rm=565MPa。

        彎曲試驗(yàn):側(cè)彎180°,彎曲試樣完好無(wú)裂紋。

        按GB/T 1954進(jìn)行了鐵素體含量分析,其值為3%~8%。

        焊接材料中含有容易氧化的合金元素,如Cr,為了防止焊接時(shí)燒損,必須盡可能采用短弧焊,焊接時(shí)不做過(guò)度的橫向擺動(dòng)。奧氏體耐熱不銹鋼焊縫的性能對(duì)熔敷金屬中化學(xué)成分敏感,為了保證熔敷金屬中化學(xué)成分的穩(wěn)定,施焊時(shí)必須保證工藝參數(shù)的穩(wěn)定。

        多層焊時(shí),每層焊縫的接頭處要錯(cuò)開(kāi)。

        避免層溫過(guò)高,控制層溫≤120℃,必要時(shí)采用噴水或者使用壓縮空氣吹的方法強(qiáng)制冷卻。

        為避免焊縫過(guò)熱,接觸腐蝕介質(zhì)的焊道應(yīng)盡可能最后施焊。

        為保證設(shè)備的耐腐蝕性能,要注意工件表面不得打樣沖、使用劃線針,不得使用碳鋼工具錘擊工件,工件表面除去油、銹、污物。接地電纜要牢固裝夾在工件表面,避免松動(dòng)產(chǎn)生電弧,擊傷工件表面。不允許在工件坡口以外部位起弧以免擊傷工件。接觸介質(zhì)的焊縫,必須焊透且表面平滑。

        3 結(jié)論

        316H奧氏體耐熱不銹鋼的焊接不僅要考慮焊接接頭的強(qiáng)度,還要保證焊接接頭具有耐腐蝕性能,避免在高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作的脆化問(wèn)題。針對(duì)以上幾點(diǎn),制定出合理的焊接工藝規(guī)范,即可得到符合使用性能要求的焊接接頭。

        [1]焊接手冊(cè):第二卷[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

        [2]焊接手冊(cè):第二卷[M].第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

        [3]Eric Folkhard.不銹鋼焊接冶金 [M].栗樹(shù)新,朱學(xué)軍譯.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

        TG 441

        2010-10-20)

        *劉曉旭,男,1982年6月生,工程師。遼陽(yáng)市,111003。

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