（材料加工工程专业论文）hp耐热合金的焊接及高温时效对其组织和性能影响的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 本文针对我国乙烯裂解炉建设的实际情况，研究了镍基焊材焊接的技 术性，通过分析奥氏体耐热合金h p 的焊接性，制定了一套适合裂解炉管 焊接生产的最佳工艺，以可靠的质量和焊接工艺向生产实践推广应用。 首先本文深入分析了h p 铸造奥氏体耐热合金热裂纹与接头腐蚀产生 的原因，并提出了防止热裂纹与接头腐蚀的方法和工艺措施。 其次分析了h p 系中的两种典型的裂解炉管材料h p 4 0 n b 和h p 4 5 n b t i 的焊接性，h p 4 0 n b 与h p 4 5 n b t i 分别采用n i r 8 2 和2 0 7 0 n b 镍基焊丝手 工钨极氩弧焊打底、中国安泰科技股份有限公司和英国m e t r o d e 公司 生产的两种2 5 3 5 n b 焊丝填充焊并盖面的焊接工艺，焊接了外径1 2 5 m m 、 壁厚l l m m 的h p 4 0 n b 和h p 4 5 n b t i 铸造耐热合金炉管对接接头。均获得 了常温和高温下都满足使用要求的焊接接头，并对焊接接头微观组织进 行了分析。 观察了h p 4 0 n b 在1 0 5 0 高温时效不同时间其显微组织的变化。从不 同时效时间炉管的显微组织可以看出，时效过程中耐热合金的共晶碳化 物形态和数量均随时间而变化，尤其形态变化更明显，c r 2 3 c 6 形态逐渐 由骨架状转变为块状或网链状。而碳化物n b c 的析出主要出现在柱状和 等轴组织的晶界处、柱状晶粒的胞边界处以及铬碳化物之间。暴露于高 温时，高熔点的n b c 以不变的体积分数保持在原位。 最后研究了1 0 5 0 7 2 h2 0 0 h 高温时效下的h p 4 0 n b 和h p 4 5 n b t i 铸造耐热合金炉管对接接头的显微组织与力学性能的变化，结果表明， h p 4 0 n b 焊接接头时效2 0 0 h 后发现晶界析出碳化物为c r 2 3 c 6 和n b c 而 h p 4 5 n b t i 时效2 0 0 h 后发现只有碳化物c r 2 3 c 6 析出。高温时效2 0 0 h 时间 内，两种接头试样的屈服强度均变化较小，其原因可能是时效状态下， 合金保留了耐热性( 热强性和抗氧化性) 良好的单一奥氏体基体和弥散 分布的碳化物c r 2 3 c 6 、n b c 和t 等强化相，而高温时效析出的碳化物和 t 等强化相具有较高的稳定性。 关键词：h p 耐热合金炉管；裂解炉管；焊接工艺；高温时效；力学性能 h i 耐热合金的焊接及高温时效对其组织和性能影响的研究 a b s t r a c t a i m e da tp r a c t i c eo fc o n s t r u c t i o ni no u rc o u n t r y ，t h i sa r t i c l er e s e a r c h e d w e l d a b i l i t y o fn i c k e l - b a s e dw e l dm e t a l sa n dh e a tr e s i s t a n ta l l o yf o r e t h y l e n ec r a c k i n gf u r n a c et u b e as e to fr e a s o n a b l ew e l d i n gp r o c e s sw a s d r e wu pt h r o u g ha n a l y z e dt h ew e l d a b i l i t yo fa u s t e n i t i ct h e r m a lr e s i s t a n t a l l o yh p a tl a s t ，t h ed e p e n d a b l ea n ds i m p l i f i e dw e l dt e c h n o l o g yw a s c o m m e n d e dt oe t h y l e n ec r a c k i n gf u r n a c et u b ec o n s t r u c t i o n f i r s t ，t h eh o tc r a c ka n dj o i n tc o r r o s i o no ft h ea u s t e n i t i ct h e r m a l r e s i s t a n ta l l o yw e r ed i s c u s s e di nt h i sa r t i c l e a n dp u tf o r w a r dt om e t h o da n d c r a f tm e a s u r e sa b o u tp r e v e n t i n gt h ea u s t e n i t i ct h e r m a lr e s i s t a n ta l l o yf r o m h o tc r a c ka n dj o i n tc o r r o s i o n s e c o n d l y ，t h ew e l d a b i l i t yo fc e n t r i f u g a l l yc a s t i n gh e a tr e s i s t a n ta l l o y h p 4 0 n ba n dh p 4 5 n b t iw e r ea n a l y s e d t h eh p 4 0 n ba n dh p 4 5 n b t if u r n a c e t u b e sw i t ht h i c k n e s so f1 i m ma n do u t e rd i a m e t e ro f1 2 5 m mw e r e b u t t w e l d e du s i n gac o m b i n e dp r o c e s s t h eh p 4 0 n br o o tp a s s e sw e r ew e l d e d b ym a n u a lt i gw i t hn i c k e lb a s e dw i r e2 0 7 0 n ba n dh p 4 5 n b t iw i t hn i r 8 2 a n dt h es u b s e q u e n tf i l l i n ga n dt o pp a s s e sw i t hw i r e2 5 3 5 n b ( a d a v a n c e d t e c h n o l o g y m a t e r i a l sc o l t d 、m e t r o d ec o m p a n yi ne n g l a n d ) t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw e l d e dj o i n tw e r ee x a m i n e da n dw e r eu pt ot h e m u s t a r d t h em i c r o s t r u c t u r eo fj o i n tw e r ea l s oo b s e r v e d v a r i e t yo fm i c r o s c o p i c s t r u c t u r eo ft h eh p 4 0 一n ba g e i n gw i t hh i g h t e m p e r a t u r e i n1 0 5 0 d i f f e rh o u r sw e r eo b s e r v e d w i t ht h e h i g h t e m p e r a t u r ea g i n gi nd i f f e rh o u r s ，t h es h a p ea n dq u a n t i t yo fe u t e c t i cc a r b i d e a l s oc h a n g e d e s p e c i a l l yt h es h a p e m 7 c 3b e c o m et om 2 3 c 6w i t hs h o r t e r t i m eo nt h eg r a i nb o u n d a r y a n dt h es h a p eo fe u t e c t i cc a r b i d ew a sf r o m f r a m es h a p ec h a n g et om a s s i v eo rc h a i n t h em a i ne m e r g e n c eo fe u t e c t i c c a r b i d en b cl i x i v i a t i o na r ei nt h em i d d l eo fp r i s m a t i c a la n de q u i a x e d s t r u c t u r e 、c o l u m n a rg r a i na n dc r 2 3 c 6 e x p o s ei nh i g ht e m p e r a t u r e ，t h eh i g h m e l t i n g p o i n tn b c w i l lk e e pw i t ht h ec o n s t a n tp h y s i c a lv o l u m es c o r ei nt h e h o m ep o s i t i o n f i n a l l y ，t h e w e l d b u t t - j o i n t o fh p 4 0 n ba n dh p 4 5 n b t iw e r e i n v e s t i g a t e di n1 0 5 0 h i g ht e m p e r a t u r ea g i n gf r o m7 2t o2 0 0h o u r s t h e 硕士学位论文 r e s u l t sa r ef o l l o w s ：w i t hd i f f e rh o u r si nh i g ht e m p e r a t u r ea g i n g ，m e c h a n i c a l p r o p e r t yo ft w ok i n d so fm a t e r i a la r en ov a r i e t y t h ee u t e c t i cc a r b i d eo f h p 4 0 n bi n1 0 5 0 h i g ht e m p e r a t u r ea g i n g2 0 0h o u r si sc r 2 3 c 6a n dn b c ， a n dh p 4 5 n b t ii sc r 2 3 c 6 h i g ht e m p e r a t u r ea g i n gi n2 0 0h o u r s ，t h ev a r i e t i e s o f y i e l ds t r e n g t hw i t h t w oj o i n tt e s t s a m p l e sa r ea l ls m a l l e r t h em a i n r e a s o ni st h em e t a la l l o yr e s e r v e dt h eg o o d h e a t d u r a b i l i t yo fs i n g l e a u s t e n i t i cm a t r i xa n dt h ed i s p e r s i o nc a r b i d ec r 2 3 c 6 、n b ca n d 丫e n h a n c e d w i t ht h eh i g ht e m p e r a t u r ea g i n g ，t h ee n h a n c e dp h a s e so fl i x i v i a t i o no f c a r b i d ea n d 丫h a v eh i g h e rs t a b i l i t y k e yw o r d ：h pt h e r m a lr e s i s t a n tf u r n a c et u b e ；e t h y l e n ec r a c k i n gf u r n a c e t u b e ：w e l dt e c h n o l o g y ；h i g ht e m p e r a t u r ea g i n g ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y m h i 耐热合金的焊接及高温时效对其组织和性能影响的研究 插图索引 1 1 世界乙烯生产能力及其预测2 1 2 管式裂解炉示意图2 1 3 焊缝失效炉管宏观照片3 1 4 玛努尔( 烟台) 工业有限公司生产的h p 系列合金8 1 5n i ，c r 对抗渗碳性的影响1 0 1 6h k 4 0 中碳含量和持久强度之间的关系1 0 1 7w ，m o ，n b ，s i 对h p 合金抗渗碳性的影响1 1 3 1 对接焊接坡口示意图2 9 3 2h p 4 5 n b t i 对接接头显微金相组织3 1 3 3h p 4 0 n b 对接接头显微金相组织3 2 4 1h p 4 0 n b 炉管铸态组织3 5 4 ，21 0 5 0 h p 4 0 n b 时效7 2 h 炉管的组织3 5 4 31 0 5 0 h p 4 0 n b 时效1 5 0 h 炉管的组织3 5 4 41 0 5 0 h p 4 0 n b 时效2 0 0 h 炉管的组织3 6 4 5h p 4 5n b t i 炉管铸态组织3 6 4 61 0 5 0 时效7 2 h 炉管的组织3 7 4 71 0 5 0 时效1 5 0 h 炉管的组织3 7 4 81 0 5 0 时效2 0 0 h 炉管的组织3 7 4 91 0 5 0 h p 4 0 n b 时效不周时间x r d 分析图谱3 8 4 1 0h p 4 5 n b t i 炉管时效2 0 0 h 后的x r d 分析图谱3 8 4 1 11 0 5 0 1 2 h p 4 0 n b 和h p 4 5n b t i 不同时效时间的屈服强度3 9 5 1h p 4 5 n b t i 焊缝表面宏观组织( 不同部位) 一4 1 5 2h p 4 0 n b 焊缝表面宏观组织( 不同部位) 4 l 5 3 不同时效温度下的h p 4 5 n b t i 焊缝显微组织4 2 5 41 0 5 0 h p 4 5 n b t i 焊接接头时效2 0 0 hx r d 分析图谱一4 3 5 5 不同时效温度下的h p 4 0 n b 焊缝显微组织4 4 5 61 0 5 0 h p 4 0 n b 焊接接头时效2 0 0 hx r d 分析图谱4 4 5 71 0 5 0 h p 4 0 n b 焊接接头时效2 0 0 h 焊缝面扫描元素分析4 5 5 8h p 4 0 n b 和h p 4 5 n b t i 焊接接头时效不同时间的屈服强度4 5图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 硕士学位论文 附表索引 表1 11 9 9 6 2 0 0 5 世界乙烯生产能力mt a 1 表1 2h p 系列耐热合金的化学成分6 表1 3h p 系列耐热合金的力学性能7 表1 4 标准铸造耐热合金的牌号和化学成分8 表1 5 标准铸造耐热合金的最高使用温度和性能9 表1 6h p 合金的高温持久性能( 日本久保田金属公司) 1 2 表1 7h p 合金的高温持久性能( 美国钢铁铸造业协会) 1 2 表1 8h p 合金的氧化腐蚀速率比较( r a m a ) 1 3 表1 9 国产炉管常用焊接材料1 3 表1 1 0 炉管焊接材料的选用1 4 表1 1 1 高温炉管所用焊接材料的化学成分1 5 表2 1h p n b 耐热合金与其他材料物理性质对比。1 8 表3 1 裂解炉管h p 4 0 n b 和h p 4 5 n b t i 的化学成分2 7 表3 2h p 4 0 n b 和h p 4 5 n b t i 铸造耐热合金炉管的力学性能2 8 表3 3 母材和焊材的化学成分2 8 表3 4 裂解炉管h p 4 5 n b t i 对接焊接工艺参数3 0 表3 5 裂解炉管h p 4 0 n b 的a 1 和a 2 方案焊接工艺参数3 0 表3 6 裂解炉管h p 4 0 n b 焊接接头力学性能一3 0 表3 7 裂解炉管h p 4 5 n b t i 焊接接头力学性能3 1 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 壶取 日期。7 年j 月谚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：卿7 年r 月谚日日期：卿年r 月秽日 日期。习年，月纱 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景及研究意义 乙烯是石油化工行业最重要的基础原料之一，由乙烯装置及其下游装 置生产的。三烯三苯”是生产各种有机化工产品和合成树脂、合成纤维、 合成橡胶三大合成材料的基础原料乙烯工业的发展水平总体上代表了 一个国家石油化学工业的水平。乙烯、丙烯、丁二烯等产品的产量与国 民经济的发展以及人民生活息息相关。从2 0 世纪6 0 年代开始。随着世界 石油化工行业的发展。乙烯工业也有了飞速发展，2 0 0 5 年世界乙烯生产 能力达到1 1 7 3 3 0 m t a 。是1 9 9 6 年的1 3 8 倍。1 9 9 6 2 0 0 5 年世界乙烯生 产能力的增长情况见表1 1 表1 11 9 9 6 2 0 0 5 世界乙烯生产能力mt a 国家或地区1 9 9 62 0 0 02 0 0 42 0 0 5 美国 2 3 5 6 62 7 1 8 0 2 8 0 3 2 3 2 8 7 4 0 北美 2 8 2 53 2 3 5 03 5 1 1 43 5 5 4 3 西欧 1 9 6 4 2 0 7 52 3 9 5 72 4 4 4 3 日本7 3 6 96 9 8 67 5 0 77 3 0 0 中国 3 8 24 4 6 5 3 3 86 9 8 8 世界总计 8 4 9 81 0 0 7 8 01 1 2 9 0 5 51 1 7 3 3 0 注：中国的乙烯生产能力不包括台湾省数据l 表中数据引自历年 o 3 0 时，氧化加剧。分析表明，尖晶石结构不利于合金形成优异 的保护性氧化膜，最佳的保护性氧化膜应是s i 0 2 与c r 2 0 3 【1 6 】。 山东工业大学综合力学性能、抗高温氧化、节约n i 资源等因素，研 制了f e c r n i a l ( 成分为c ；0 0 8 0 1 2 、c r ；2 0 2 7 、n i ：8 1 2 、 a 1 ：3 4 ) 高温合金，该合金具有铁素体和奥氏体双相组织以及优良的 铸造性和可焊性，在1 2 0 0 1 3 0 0 时具有良好的机械性能和抗氧化性能， 具有一定的开发和使用价值【 】 1 4 3 国内炉管生产现状 国内铸造炉管的生产近几年发展很快，主要生产厂家有江苏标新久保 田工业有限公司、玛努尔( 烟台) 工业有限公司和烟台百思特炉管厂等。 目前，国内成熟应用于石化装置的炉管材质主要是h p 系列耐热合金，另 外通过添加微量元素来进一步达到强化作用。h p 系列耐热合金的化学成 分和力学性能见表1 2 、表1 3 。 表1 2h p 系列耐热合金的化学成分 钢号cs ic rn i其他成分制作厂 h p0 5 01 02 53 5a s t m a 2 9 7 h i s i h p o 5 01 82 53 5a s t m a 2 9 7 h p n b 0 3 5 0 4 5s 0 2 02 3 2 73 3 3 7 ( o 7 - 1 5 ) n b 神户制钢 f a m ，久保 h i s i h p n bo 5 01 82 53 5 ( 0 5 - 1 5 ) n b 田，神户制钢 m a l l a u r i t e 3 6x s 0 4 01 82 53 51 5 w ，o 7 n bf a m 2 s i 一3 2 3 50 5 02 o3 23 5 神户制钢 k h r 3 5 h o 4 21 02 53 5 ( 1 - 1 5 ) m o 久保田 k h r 3 5 c w0 4 51 o2 53 5w + m o + n b s 3 久保田 5 w ， h p 5 0 w z0 5 0 s 2 5 2 53 5 b l a w k n ox f o 1 - 1 0 ) z r h p a ao 5 01 82 93 5w + m 0 + n b + t i 神户制钢 m a n a u r i t ex u0 4 0曼0 2 0 2 4 2 73 2 3 5w + n b + c u f a m m a l l a u r i t ex ao 5 0 1 0 2 02 0 2 73 3 4 0n b + a d df a m m a n a u r i t ex t0 4 0 s o 2 03 2 3 74 2 4 6w + n b + c uf a m 6 硕士学位论文 表1 3h p 系列耐热合金的力学性能 材料 性能 m - n 量u r i t e 3 6 h ph i s i h ph p n b h i s i h p - a ak h r - 3 5 h x o o h m p a r t5 5 05 5 05 6 05 6 05 5 05 5 0 6 0 0 4 6 04 5 04 2 04 2 0 8 0 0 2 7 02 9 03 3 03 8 0 9 0 0 1 8 01 8 02 2 02 0 01 7 0 1 0 0 0 1 1 01 1 01 4 01 3 0 1 1 0 o s ，m p a r t2 7 03 0 02 9 02 7 02 7 03 1 0 6 0 0 2 1 02 2 01 8 01 7 0 8 0 0 1 6 01 6 0 1 7 01 4 0 9 0 0 1 2 01 2 01 3 01 3 01 3 0 1 0 0 0 9 09 09 08 09 0 8 5 r t1 51 51 51 21 5 6 0 0 1 7 1 81 81 2 8 0 0 1 92 02 03 0 9 0 0 3 03 33 34 5 1 0 0 0 4 14 2 4 25 5 制作厂神户制钢神户制神户制神户制钢f a m 钢钢 1 4 4 国外炉管生产现状 美国材料试验( a s t m ) 标准采用美国合金铸造研究所( a c i ) 的牌 号，共有h a ，h c ，h d ，h e ，h f ，h h ，h i ，h k ，h l ，h n ，h p ，h t ， h u ，h w ，h x 等1 5 种标准铸造耐热合金这1 5 种合金的基本成分见表 1 4 ，最高使用温度和基本性能见表1 5 h p 合金可以根据用户的不同要求衍生出很多新型合金，衍生的h p 合金在本质上可分为两类第一类主要通过添加n b 和w 来改进蠕变断 裂性能；而第二类则是在第一类的基础上进一步加入t i 等微合金元素 1 1 8 - 2 1j 。微合金化的h p 第二类合金比第一类h p 合金具有更高的断裂性能 图1 4 显示了法国玛努尔工业有限公司生产的h p 系列合金 7 h p 耐热合金的焊接及高温时效对其组织和性能影响的研究 表1 4 标准铸造耐热合金的牌号和化学成分 牌 化学成份， 化学式 m ns im osp 号cc rn i 不大于 2 6 o h c2 8 c r0 5 0 m a x4 o o m a x1 o o2 o o0 5 0o 0 40 0 4 3 0 o h d2 8 c r 5 n i 0 5 0 m a x2 6 o 3 0 04 o 7 01 5 02 0 00 5 00 0 40 0 4 h e2 9 c r - 9 n i0 2 0 - 0 5 02 6 o 一3 0 o8 0 1 1 02 o o2 o o o 5 00 0 40 0 4 h f 1 9 c r 9 n i0 2 0 - 0 4 01 8 0 2 3 08 0 1 2 o2 0 02 0 0o 5 00 0 40 0 4 h h2 5 c r 1 2 n i0 2 0 - 0 5 02 4 o 一2 8 o 1 1 o 一1 4 o 2 o o2 0 00 5 00 0 4 0 0 4 h i2 8 c r 一1 5 n i o 2 0 0 5 02 6 o 一3 0 o1 4 0 1 8 02 0 02 o oo 5 00 0 40 0 4 h k2 5 c r 2 0 n io 2 0 o 6 02 4 0 2 8 0 1 8 o 一2 2 o2 o o2 0 00 5 00 0 40 0 4 h l2 9 c r 2 0 n i0 2 0 一0 6 02 8 o 一3 2 o1 8 0 2 2 02 0 02 0 0o 5 0o 0 40 0 4 h n2 0 c r 2 5 n i 0 2 0 一o 5 01 9 0 2 3 o2 3 0 2 7 02 0 02 o oo 5 00 0 40 0 4 h p2 6 c r 3 5 n io 3 5 一o 7 52 4 2 83 3 3 72 0 0 2 5 0o 5 00 0 40 0 4 h t1 5 c r 3 5 n i o 3 5 一o 7 51 5 o 一1 9 03 3 o 一3 7 o2 0 02 5 00 5 0o 0 40 0 4 h u1 9 c r 3 9 n i o 3 5 一o 7 51 7 。o 一2 1 03 7 o 一4 1 02 0 02 5 00 5 00 0 40 0 4 h w1 2 c r 6 0 n io 3 5 一o 7 51 0 0 1 4 05 8 o 一6 2 o2 0 02 5 00 5 00 0 4 0 0 4 h x1 7 c r 6 6 n io 3 5 一o 7 51 5 o 1 9 06 4 o 一6 8 o2 0 02 5 00 5 00 0 40 0 4 注l 表中数据来源于标准a s t m a2 9 7 a2 9 7 m 0 3s t a n d a r ds p e c i f i c a t i o n f o rs t e e l c a s t i n g s ，i r o n - c h r o m i u ma n di r o n - c h r o m i u m n i c k e l ，h e a tr e s i s t a n t 。f o rg e n e r a la p p l i c a t i o n 转化炉 曩钾 程辫伊 图1 4 玛努尔( 烟台) 工业有限公司生产的h p 系列合金 8 硕士学位论文 表1 5 标准铸造耐热合金的最高使用温度和性能 牌号最高使用温度( f )性能 h c 2 0 0 0 ( 1 0 9 3 1 好的抗硫蚀和抗氧化性能，最低要求的机械性能 h d 2 0 0 0 ( 1 0 9 3 c ) 极好的抗硫蚀和抗氧化性能以及焊接性能 h e 2 0 0 0 ( 1 0 9 3 ) 比h d 合金更好的抗高温和抗硫蚀性能 1 5 0 0 4f ( 8 1 6 c 】时，适度的机械性能和极好的抗腐蚀 h f 1 6 0 0 ( 8 7 1 1 性能 1 4 0 0 。f - 1 8 0 0 。f ( 7 6 0 c 一9 8 2 1 时，好的强度和抗氧 h h 2 0 0 0 ( 1 0 9 3 ) 化性能 h i 2 0 0 0 ( 1 0 9 3 1 比h h 合金更好的抗氧化性能 1 9 0 0 。f ( 1 0 3 8 1 时，比h h 合金更高的强度和更好的 h k 2 1 0 0 ( 1 1 4 9 ) 抗氧化性能 h l 1 8 0 0 ( 9 8 2 )比h k 合金更好的抗硫蚀性能 h n 2 0 0 0 ( 1 0 9 3 ) 高温时非常高的强度 h p 2 0 0 0 ( 1 0 9 3 ) 高温时抗氧化和渗碳性能好 h t 2 1 0 0 ( 1 1 4 9 ) 良好的抗热冲击、热疲劳性能和良好的抗渗碳性能 h u 2 1 0 0 ( 1 1 4 9 ) 比h t 合金更高的高温强度 随着镍含量的增加，更好的抗热冲击、抗热疲劳和抗 h w 1 8 0 0 ( 9 8 2 ) 碳化性能 h x 2 1 0 0 ( 1 1 4 9 、 好的抗蒸汽热循环疲劳性能，不发生裂纹和变形 注l 表中数据来源于h t t p ：w w w q s c a s t i n g s c o m l a l e a c i o n e s h t m l 网站 1 5 合金元素对裂解炉管性能的影响 s i ts i 是冶炼时必要的脱氧剂，在合金中是抗渗碳的主要元素，但 s i 是促进o 相析出元素，加入量过多，会降低持久寿命。研究表明，在 f e c 卜n i 奥氏体耐热合金中添加a 1 和s i 可显著提高抗渗碳性能1 2 2 - 2 4 j ， 但同时这些添加元素会降低材料的机械性能及焊接工艺性能 n b ，t i ，v ：能形成碳氮化物，改变晶界碳化物形态，细化m 2 3 c 6 ， 使其均匀弥散分布，从而提高合金的高温蠕变强度1 2 5 l 。 m n ：能改善焊接性能，减慢碳的扩散但是促进o 相析出，加入量 过多会降低合金的抗氧化性能，一般控制在1 5 以下。 c oz 除了像n i 一样能稳定。外，它还能减缓碳化物析出，并阻止碳 化物聚集长大，从而提高合金的抗蠕变强度。 b ，z f ，稀土；它们能抑制晶界硫、氧偏析和强化晶界，从而可提高 9 h i 耐热合金的焊接及高温时效对其组织和性能影响的研究 蠕变断裂强度和塑性。 m g ，c a ：它们具有脱氧去硫作用，同时能填补晶界空位，影响晶界 碳化物的行为，从而改善高温蠕变性能和塑性。 p b ，s n ，b i ，a s ，s b 等低熔点金属多分布在晶界上，降低合金的耐 热强度和持久寿命，进口炉管中p b 0 0 0 2 。为了减少上述有害元素， 必须严格控制原材料的成分。 n i ：它是形成和稳定y 基体，提高抗渗碳、抗氧化、高温强度和韧 性的主要元素。图1 5 是n i ，c r 对抗渗碳性的影响。 c t h _ m 惜 图1 5n i ，c r 对抗渗碳性的影响 c ：c 与c r ，m o ，t i ，v ，n b 等形成一次碳化物m 7 c 3 和n b c 。在高 温时效过程中。基体中过饱和的固溶碳以细小弥散的m 2 3 c 6 析出，从而 提高合金的强度【2 6 ，2 。图1 6 表示h k 4 0 中碳含量和持久强度之间的关 系。另外增加碳含量还能抑制o 相析出。但碳含量过高，二次碳化物大 量析出，会降低合金的韧性、恶化焊接性。因此，h k 4 0 合金一般规定碳 不超过0 4 5 ，h p 型合金碳不超过0 5 0 王 i 2 0 - 。【 n 2n 4n 60 8 c _ 由o n 纠n 吼* 圈1 6h k 4 0 中碳含量和持久强度之间的关系 w ，m o ，n b ：都是固溶强化元素，能提高合金的高温强度，抑制碳 的扩散速度，但是加入过量则会影响合金的抗氧化性能，并促进。相析 l一，_d-5i目ll瞳口舌 -d：-ii-妄暑寻t叠上宕ol 硕士学位论文 出，降低合金的强度和韧性图1 7 是w m o ，n b ，s i 对h p 合金抗渗 碳性的影响，加入这些元素，可明显提高h p 合金的抗渗碳性能 ：k t 2 童 a o蔑 口 lz3 5 瞄_ _ f r o mt m f a - om 瞳1 7w ，m o n b 。s i 对h p 食金抗渗碳性的影响 a 1 ；适量的铝可使焊缝金属组织细化。减少晶界低熔点相偏析，从而 提高焊缝的高温性能但加入过多会在奥氏体钢中形成a i n ，促进长期蠕 变时。相形成和租化，降低蠕变寿命进口炉管中的a l 含量一般都控制 在o 0 1 以下【2 扪。 1 6h p 耐热合金的高温持久与抗氧化性能 1 6 1 高温持久性能 h p 合金最主要的性能是高温持久性能，二十世纪九十年代原化工部 化工机械研究院开展试验详细研究了h p 合金的高温持久性能，得到了国 产h i n b 合金的l a r s o n m i l l e r 曲线方程如下式所示【2 9 1 1 0 9 a - i 0 9 8 6 5 0 7 3 1 + 0 1 7 5 4 9 6 7 3 0 4 p 一0 0 0 7 0 9 5 2 4 6 3 2 6 p 2 口一应力，m p a p l a r s o nm i l l e r 参数， p - 口+ 2 7 3 ) 0 5 * l 0 9 0 l o o o t m 试验温度， f 一断裂时间，h l a r s o n m i l l e r 曲线表达了应力、温度和时间三个参数之问的关系，可 以已知两个参数，通过曲线方程求第三个参数，这对炉管设计和试验十 分重要和方便。设计一般要求使用时闯是1 0 万小时以上，使用温度1 0 0 0 以上，根据l a r s o n m i l l e r 曲线可以求得设计需要的应力值。但是在制 造检验时多采用1 0 0 小时，温度1 0 0 0 以上，载荷就是根据l a r s o n m i l l e r 曲线求得的应力值，试验时间超过1 0 0 小时即判合格 表1 6 列出了日本久保田金属公司生产的h k 合金和h p 合金的高温 持久性能，h p 合金的高温持久性能明显优于h k 合金的但是不同公司 1 1 h p 耐热合金的焊接及高温时效对其组织和性能影响的研究 和组织给出的h p 合金高温持久性能数值差异显著。 表1 6h p 合金的高温持久性能( 日本久保田金属公司) 温度1 6 0 0 。f1 7 0 0 。f1 8 0 0 。p1 9 0 0 。f2 0 0 0 。f2 l 0 0 4 f 时阃( h )( 8 7 1 、( 9 2 7 、( 9 8 2 )( 1 0 3 8 )( 1 0 9 3 )( 1 1 4 9 ) 平均值( ) h p6 5 5 04 8 2 73 5 5 12 6 2 01 8 9 6 8 6 2 1 0 0 最小值( ) h p6 2 0 64 5 5 13 3 7 92 4 8 21 7 9 37 5 8 h p4 8 6 13 4 s 22 5 1 71 7 9 37 5 25 3 l 平均值( ) h k4 2 6 12 9 9 22 1 0 31 4 4 1 1 。0 0 0 h p4 5 5 13 3 1 02 4 ，1 31 6 5 56 7 64 6 9 量小值( ) h k3 4 3 42 3 9 91 6 2 0 1 0 6 2 h p3 5 5 12 5 0 31 7 5 89 5 24 8 3 平均值( ) h k2 8 2 71 8 4 11 2 0 07 2 4 1 0 0 0 0 h p3 3 7 92 3 7 91 6 5 58 6 24 2 7 曩小值( ) h k2 2 5 51 4 4 89 2 45 8 6 h p2 5 7 91 8 1 39 5 24 6 92 2 8 平均值( ) h k1 7 7 91 0 9 66 6 2 1 0 0 ，0 0 0 h p2 4 6 21 7 2 48 6 24 2 72 0 7 量小值( ) h k1 4 2 08 8 35 3 8 注：表中数据来源于k u b o t am e t a lc o r p o r a t i o n f a h r a m e td i v i s i o n 公司网站 表1 7 列出的h k 合金和h p 合金高温持久性能数据来源于是美国钢 铁铸造业协会( s t e e lf o u n d e r s s o c i e t yo fa m e r i c a ) 2 0 0 4 发行的钢铸件手 册( s t e e lc a s t i n g sh a n d b o o k ) ，这组数据明显小于久保田金属公司的数据 表1 7h p 合金的高温持久性能( 美国钢铁铸造业协会) 温度1 6 0 0 。f 1 8 0 0 。f 2 0 0 0 。f 时间( h )( 8 7 1 1( 9 8 2 ( 2 )( 1 0 9 3 、 h p6 8 9 54 0 6 81 9 。3 1 1 0 0 h k6 3 4 33 2 7 51 5 1 7 h p 5 1 7 l 2 4 8 21 0 3 4 1 0 0 0 h k4 1 3 71 9 3 18 6 2 h p 3 5 1 61 5 1 7 4 1 4 1 0 0 0 0 h k2 6 2 01 1 7 24 9 6 1 6 2 抗氧化和高温腐蚀性能 表1 8 比较了h p 合金和h h 合金、h k 合金、h t 合金的高温抗氧化 腐蚀性能。显然h p 合金明显超越一等。 1 2 硕士学位论文 表1 8h p 合金的氧化腐蚀速率比较( m m a ) 温度 1 0 0 0 1 0 5 0 1 1 0 0 1 1 5 0 1 2 0 7 h ho 6 91 5 26 3 42 6 8 9 h k0 6 91 5 26 5 5 2 4 1 38 7 5 7 h p0 6 91 7 24 4 ll o 3 4 h t1 3 83 7 29 6 52 2 0 64 9 6 4 注：表中数据来源于k u b o t am e t a lc o r p o r a t i o n 。f a h r a m e td i v i s i o n 公司网站 1 7 国产炉管常用的焊接材料 根据焊接材料的选用原则，应选用熔敷金属化学成份与母材相同或 接近的焊丝和焊条，才能保证焊接接头的使用性能同材质炉管焊接， 填充金属应与母材化学成分一致，物理性能尽可能一致。但s i 含量可根 据实际焊接工艺需要变动，以保证优良的焊接质量。异种材料炉管或连 接件的焊接，填充金属应满足对焊缝伸长率、热膨胀差异以及强度的要 求。异种材质焊接普遍采用l n c o n e l8 2 及i n c o n e l1 8 2 或i n c o w e d a 我国化工行业标准h g ，t2 6 0 1 2 0 0 0 高温承压用离心铸造合金炉管 规定有3 4 种耐热合金炉管，国产常用炉管牌号及其适用的h k 和h p 类 钢焊接材料见表1 9 妒管常用的焊接材料( 包括同种材质和异种材质焊接