（材料加工工程专业论文）hp40nb和hp45nbti镍基高温合金炉管的焊接.pdf

硕士学位论文 摘要 管道是石油化工中装置的重要组成部分，本文中着重介绍了应用于 石油炼化炉管镍基高温合金的分类和特点，以及镍基高温合金炉管的焊 接方法和工艺，并分析了h p 4 0 n b 和h p 4 5 n b t i 高温合金炉管的焊接性。 采用2 0 7 0 n b 镍基焊丝手工钨极氩弧焊打底、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1 0 m m 的h p 4 0 n b 高 温合金炉管对接接头；采用n i r 8 2 镍基焊丝手工钨极氩弧焊打底、 2 5 3 5 n b 焊丝填充并盖面的焊接工艺，焊接了外径1 2 5 m m 、壁厚l l m m 的h p 4 5 n b t i 高温合金炉管对接接头 分析了h p 4 0 n b 和h p 4 5 n b t i 高温合金炉管的母材组织以及焊接接头 的热影响区、熔合区和焊缝中心的组织分布情况。从焊后的组织发现热 影响区有组织粗化现象，所以在满足使用要求的情况下尽量采取较小的 焊接热输入旄焊，避免热影响区和焊缝严重过热从熔合区的组织中可 以看出组织过渡良好，并且未见裂纹、气孔等缺陷，表明焊接质量是满 足要求的。而通过观察可发现焊缝中心为致密细小的的柱状组织，晶界 无析出相、气孔、裂纹和夹渣等缺陷，组织为奥氏体和碳化物，奥氏体 里枝晶分布，碳化物在枝晶中间从金相组织中可以发现两种方案焊接 h p 4 0 n b 高温合金炉管得到的接头在热影响区、熔合区和焊缝中心区域的 组织都有所不同，采用英国生产的2 5 3 5 n b 填充焊的焊缝组织比中国生 产的2 5 3 5 n b 填充的焊缝组织大，从力学性能实验的结果可以看出组织 粗大导致英国生产的2 5 3 5 n b 填充焊的焊缝性能比中国生产的2 5 3 5 n b 填充的焊缝性能差并且分析了母材、影响区、熔合区和焊缝区中的硬 度及塑性、韧性的变化，焊接后影响区、熔合区_ 和焊缝区的硬度都比母 材的硬度高，而塑性和韧性都比母材低其中焊缝中心的硬度达到了最 高值，也就是焊缝中心的强度最高，而熔合区、热影响区逐渐降低，但 是焊缝中心塑性、韧性最低，熔合区、热影响区逐渐升高的。 对焊接接头进行常温和高温力学性能的测试，获得了常温和高温下都 满足使用要求的焊接接头焊接质量优良，焊接生产效率较高，焊缝外 观质量漂亮。 关键词：高温合金；力学性能；微观组织；炉管 h p 4 0 n b 和h p 4 5 n b 1 1 镍基高温合金炉管的焊接 a b s t r a c t p i p e l i n ei st h ei m p o r t a n tc o n s t i t u e n tp a r to fp e t r o l e u mc h e m i c a ld e v i c e ， i nt h i s t e x t ，e m p h a s i z e t oi n t r o d u c et h es o r ta n dc h a r a c t e r i s t i co f n i c k e l - b a s e dh i g h - t e m p e r a t u r ea l l o yw h i c ha p p l i e di no i lr e f i n i n gf u r n a c e t u b e s ，a n di n t r o d u c e di t sm e t h o d sa n dc r a f t so fw e l d i n g i nt h el a s t ，t h e w e l d i n ga b i l i t yo fh i g h t e m p e r a t u r ea l l o yh p 4 5 n b t ia n dh p 4 0 n bw e r e a n a l y s e d t h ch p 4 5 n b t ia n dh p 4 0 n bf u r n a c et u b e sw i t ht h i c k n e s so f1 l m m 、 l o m ma n do u t e rd i a m e t e ro f1 2 5 m mw e r eb u t t - w e l d e du s i n gac o m b i n e d p 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 db ym a n u a lt i gw i t hn i c k e l b 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 g a n dt o pp a s s e sw i t hw i r e2 5 3 5 n b t h em i c r o s c o p i cs t r u c t u r eo fb a s em e t a l 、h a z 、f u s ea r e aa n dw e l d c e n t e rw i t hh i g h t e m p e r a t u r ea l l o yh p 4 5 n b t ia n dh p 4 0 n bw e r eo b s e r v e d f r o mt h em i c r o s c o p i cs t r u c t u r eo fp o s t w e l d i n g ，w ef o u n dt h es t r u c t u r e b e c a m ec o a r s i n g i no r d e rt os a t i s f yo p e r a t i n gr e q u i r e m e n t ，w es h o u l da d o p t t h es m a l l e rw e l dh e a ti n p u ta n da v o d it h eh a z 、w e l d e dj o i n ts u p e r h e a t i n g f r o mt h eo r g a n i z a t i o no ft h ef u s i o n a r e a ，w ec a ns e et h eo r g a n i z a t i o n t r a n s i t i o ng o o d ，a n dd i dn o ts e et h ef l a w ，s u c ha sc r a c ka n dp o r e e t c a n d a l lt h i se x p l a i nt h ew e l d i n gq u a n t i t ys a t i s f i e st h er e q u e s t b u tp a s st h e o b s e r v a t i o n ，w ec a nd i s c o v e rt h a tt h ec o l u m n a rs t r u c t u r eo fw e l dc e n t e ri s c o n d e n s a t i o na n ds m a l l o nt h eg r a i nb o u n d a r y ，f l a ws u c ha sp r e c i p i t a t e d p h a s e 、p o r e 、c r a c ka n ds l a gs p o t ，e c t 。w e r en o tf o u n d t h ea u s t e n i t es t r u c t u r e i sa r b o r e s c e n tc r y s t a ld i s t r i b u t ea n dc a r b i d ei si nt h ec e n t e ro fa r b o r e s c e n t c r y s t a l f r o mm e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r e ，w ec a nd i s c o v e rt h et w ok i n d so f p r o j e c t sa r ed i f f e r e n c ei nh a z 、f u s ea r e aa n dw e l dc e n t e r t h ew e l ds t r u c t u r e w i t h a d o p tw e l d i n gw i r e 2 5 - 3 5 n bi s b i g g e r t h a n2 5 3 5 n bf r o mt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t h em a i nr e a s o no fw e l d i n gp e r f o r m a n c eb e c a m e w o r s ei st h ec o a r s es t r u c t u r e a n da n a l y z e dt h ea l t e r a t i o no f p l a s t i c p r o p e r t y a n d d u c t i l i t y w i t hb a s em e t a l 、h a z 、f u s i o na r e aa n dw e l d z o n e a f t e rw e l d i n g ，t h ed e g r e eo fh a r d n e s sw i t hh a z 、f u s i o na r e aa n dw e l d z o n ea r eh i g h e rt h a nt h eb a s em e t a l b u tp l a s t i cp r o p e r t ya n dd u c t i l i t ya r e 硕士学位论文 l o w e rt h a nb a s em e t a l a m o n gt h e m ，t h ed e g r e eo fh a r d n e s sw i t hw e l dc e n t e r a r em a x n a m e l y ，t h ei n t e n s i t yo fw e l dc e n t e ri st i p t o pa n dt h eh a z 、f u s i o n a r e aa r eg r a d u a l l yd e b a s e b u tt h ep l a s t i cp r o p e r t ya n dd u c t i l i t yo fw e l d c e n t e ra r em i n i m u m ，h a za n df u s i o na r e aa r eg r a d u a l l ye l e v a t i o n f r o me x a m i n e dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o o ma n dh i g ht e m p e r a t u r e ， t h ew e l d e dj o i n tw e r eu pt ot h em u s t a r d t h ew e l d i n gp r o d u c i n ge f f i c i e n c y i sh i g h e ra n dt h ee x t e r n a la p p e a r a n c eq u a n t i t yi sb e a u t i f u l k e yw o r d ：h i g h - t e m p e r a t u r ea l l o y ：m e c h a n i c a lp r o p e r t y ：m i c r o s c o p i c s t r u c t u r e ；f u r n a e et u b e 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： 氖憾 日期：触7 年歹月却日 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“4 ”) 作者签名：罨峨 导师签名2 声觯 v 。 日期：砌7 年彳月。幻日 日期。6 7 年一夕口日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 镍基高温合金分类 镍基高温合金是指在纯镍的基础上形成的镍铬合金，并添加钨、钼、 铝、钛、铌、钴、钽及微量硼、铈、锆等合金元素，对镍铬固溶体进行 不同方式的强化【1 1 。该材料具有良好的高温抗氧化、抗腐蚀性和热强性 镍基高温合金是石油、化学、石化工业中适于高温、高压并伴有各种苛 刻腐蚀环境的理想金属结构材料。其服役条件不仅温度高，处于急冷急 热的疲劳状态，同时且还受到燃气介质的热气蚀作用，一般珠光体耐热 钥、强化不锈钢等都满足不了这种结构性能要求【2 】 1 根据不同的强化方式可分为以下两种： ( 1 ) 固溶强化镍基高温合金 是在固溶范围内通过添加铬、钴、钨、钼、铝、钛、铌等合金元素 来强化固溶体。这类合金一般具有优良的抗氧化、耐腐蚀性能，塑性较 高，易于焊接，但热强性相对较低，多用于制造6 0 0 8 0 0 间工作的构件 这类合金可采用惰性气体保护焊、压焊、摩擦焊和钎焊等方法进行焊接， 焊接性能好。但是铝、钛含量较高时，焊接性能交差，故铝、钛的质量 分数一般控制在2 以下。 ( 2 ) 沉淀强化镍基高温合金 这类合金是在固溶合金的基础上，通过添加较多的铝、钛、铌、钽 等元素而发展起来的。这些元素除强化固溶体外，还与镍形成共格稳定、 成分复杂的r 相或t ”相金属间化合物，钨、钼、硼等元素与碳形成各种 碳化物，这些都大大提高合金的热强性。但随着铝、钛、铌等元素含量 的提高，合金的焊接性能变差。故用作焊接构件的合金，其铝、钛的质 量分数之和一般控制在5 以下。这类合金可采用惰性气体保护焊、钎焊、 压焊、电子束焊等方法进行焊接，焊接性能良好。 2 根据在镍基高温合金的合金系统不同可分为： n i c u ，n i m o ，n i c r f e ，n i m o c r ，n i f e c r ，n i m o c r c u 等 合金，在石油化工领域高温装置中常用的有n i c r f e 型合金和n i f e c r 型合金。 ( 1 ) n i c r f e 型合金 即i n c o n e l 合金，含镍量较高，大约在7 0 以上这种材料具有抗高 h p 4 0 n b 和h p 4 5 n b t i 镍基高温合金炉管的焊接 温氧化和耐氯离子介质的应力腐蚀性能。典型材料有i n c o n e l 6 2 5 合金， 从低温到高温( 9 8 0 ) 均具有很高的强度，良好的塑韧性和优良的抗氧化 性，而且在许多介质中还具有良好的耐蚀性。常用作高温下使用的结构 件。 ( 2 ) n i - f e - c r 型合金 称为i n c o l o y 合金，也可称为做铁镍基合金。该合金中含n i 3 0 一5 5 ，n i + f e 6 5 。这一类合金综合性能好，高温耐介质腐蚀性能优良 其中i n c o l o y 8 0 0 合金是一种含t i 、a l 和含f e 较高的合金，主要用于蠕 变强度相对较低( 与h k 4 0 相比) ，而高温塑性要求较高的环境中；另外 i n c o l o y 8 0 0 合金含n i 量较高，耐渗碳性好，因此也常用于烃裂解管。 3 按生产工艺分类，主要分为： ( 1 ) 变形高温合金。 ( 2 ) 铸造高温合金。 ( 3 ) 粉末冶金高温合金。 ( 4 ) 机械合金化合金 1 2 合金元素对镍基高温合金组织和性能的影响 镍基合金中加入1 0 多种大量元素和微量元素c o 、c r 、w 、m o 主 要起固溶强化作用，也是碳化物形成元素，在广泛应用的镍基合金中， 几乎都含有1 0 - 2 0 的c r ，c f 是稳定合金表面最重要的元素，它在基体 材料的表面形成抗氧化和抗腐蚀的保护层，加入c r 可形成c r 2 0 3 层，它 有低的阳离子空位，所以能阻止金属元素向外扩散和o 、n 2 、s 及其它有 害元素向内扩散，能防止材料的氧化和热腐蚀，但是，过分提高c r 会降 低y 的固溶温度。因而也降低合金的高温强度【3 1 1 c o c o 在n i c r 时效合金中对高温强度有良好作用。 ( 1 ) 能降低t i 和a l 在基体中的溶解度，因而增加强化相的数量 ( 2 ) 强化丫，提高丫相的固溶温度。 ( 3 ) 通过减少碳化物在晶界上的析出，以减少晶界贫c f 区的宽度。 ( 4 ) 降低基体的堆垛层错能，以发挥圃溶强化作用。 此外，c o 还能改善镍基合金的热加工性能、塑性和冲击韧性。 2 w 、m o w 、m o 主要进入合金固溶体，减慢a l 、t i 和c r 的高温扩散速度，加 强固溶体中原子结合力，减慢软化速度。m o 可明显起到固溶强化和时效 强化作用，而且可提高合金的热强性，是有利元素；在n i c 卜f e 合金中还 2 硕士学位论文 可大大提高抗裂性。m o 比w 的效果更为显著，只有加入不小于( 7 一8 ) w 时才显著地改善合金的热强性但是使用温度更高( 1 0 0 0 1 2 ) 时，w 的强 化作用较显著。 3 a l 、t i a l 、t i 是t 相主要形成元素，镍基合金的高温性能主要取决于a 1 、 t i 加入总量和t i a 1 比，增加a i 、t i 总量可明显提高丫7 固溶温度和丫体积分 量。当前是有最好高温强度的合金，a l 、t i 之和接近1 0 ，a 1 、t i 、n b 、 t a 之和为1 6 ，低t i - a l 比( 高a l 低t i ) 合金一般在较高温度下使用，高t i a l 比( 高t i 低a 1 ) 合金对于良好的抗热腐蚀性能是必要的。当w ( t i + a 1 ) 达 6 时，合金的裂纹敏感性显著增加，合金焊接性变差。此外，在a l 和t i 总量相近条件下，高t i 和a l 之比的合金具有高的裂纹敏感性1 4 1 ，故应控制 在小于2 为宜【引当合金中t i a l = 2 0 时，合金同时具有良好的高温强度和 抗热腐蚀性能。提高t i a l 比增强抗热腐蚀性，但t i a l 比过高则容易出现 粗大片状( n i 3 t i ) 相，使合金脆化，强度和塑性都急剧降低。a l 和t i 即可 脱氧产生氧化物又可产生时效强化作用，同时可减少焊缝金属产生气孔、 疏松等缺陷，但仅是微量元素，含量过多则降低焊缝金属性能。 4 n b n b 的加入可明显减少热裂纹的出现，在n i f e c r 合金中这种效果更 为突出。在合金中n b 的含量是随n i f e 之比而变化的，n i f e 之比越高则 所需n b 的含量就增加n b 主要进入t ，提高t 的稳定性，并强化固溶体 此外，还能提高合金的焊接和工艺性能。 5 b 、z r 加入适量的b 、z r 能显著提高合金的持久寿命，降低蠕变速率，并显 著改善持久缺口敏感性，提高合金的塑性和加工性能，只加入其中一种 时，b 的作用比z r 显著，但同时加入b 、z r 的合金的性能最好加入过多 的b ，在晶界上形成硬而脆的化合物，有时还是低熔点的，是降低热加工 性和塑性的因素b 、z r 主要存在于晶界上，其作用可以认为是改善晶界 形态，一种理论认为，晶界上的b 、z f 能抑制m 2 3 c 6 碳化物早期聚集，延 缓晶界裂纹的发生。此外，b 、z r 也减少c 向晶界上偏析，增加了晶内碳 化物的数量，这也可以提高合金的蠕变抗力。晶界上的b 、z r 改变了界面 能量，有利于改变晶界上第二相的形态，使之更易于球化，提高晶界强 度，也提高了合金穿晶转变为沿晶断裂的温度。 6 c c 在合金中总是有一定含量的。在焊接高温条件下形成碳化物，增加 晶间腐蚀敏化程度。有些合金加入( 1 4 一1 6 ) z r 和( o 1 一0 2 ) c 是为了 3 h p 4 0 n b 和h p 4 5 n b t i 镍基高温合金炉管的焊接 生成稳定的晶界碳化物，防止高温下的晶界滑移提高合金的持久强度。 7 m g 镍基合金中含( o 0 0 5 一0 0 5 ) m g ，可显著地提高合金的持久性和塑 性，减少晶界碳化物、硼化物和硫化物的数量，提高晶间结合力，改善 加工塑性，加入m g 量过高，生成n i n i 2 m g 共晶，反而恶化热加工性能， 对于高c r 含量的镍基合金m g 的适宜加入量为0 0 1 一0 0 3 。 8 l a 族元素 加入0 1 l a 族元素能稳定地富集在基体晶界上，用这些元素对镍基 合金进行微区域合金化，可影响晶界析出物的分布和形态，并通过净化 晶界提高合金的热强性和加工性能，由于加入c e 、l a 等元素，合金在高 温退火时促使晶界形成链状碳化物，改善合金的瞬时和持久性能，l a 加 入到镍基合金中，还能提高抗热腐蚀性能，使艇船用燃气涡轮叶片的抗 热腐蚀性能提高1 0 倍，适当加入量为0 2 ，加入过量，则在晶界上形成 n i 5 l a ，降低持久性能，c e 也有同样作用 1 3 用于石油炼化炉管的高温合金 从2 0 世纪5 0 年代蒸汽裂解工艺和蒸汽转化工艺商品化以来，石油化 学工业得到极大的发展，管式裂解炉和转化炉是该工艺的中心作为加 热炉最重要零部件的炉管及其配件用量大、性能要求苛刻，因而引起人 们极大的关注炉管材料作为抗高温氧化、高温渗碳以及蠕变断裂强度 要求高的高合金材料，得到了广泛的研究和发展，以乙烯发展为例，早 期为小容量水平管式炉，操作温度低，用3 0 4 s s 钢管作为裂解管。随设备 扩大，工艺温度提高，3 1 0 s s 和i n c o l o y 8 0 0 引入石化装置炉管制造。6 0 年 代早期和中期，工艺向更深度裂解方向发展，工艺参数提高( 高温、短 停留时间) ，装置规模更大型化，要求炉管强度更高，此时，强度更高 而且价格较低的离心铸造材料h k 4 0 得以使用。6 0 年代到7 0 年代初，立式 炉逐渐代替了卧式炉，停留时间进一步缩短，管金属壁温进一步提高， 对金属在更高温度下的抗氧化、渗碳以及高温强度要求更高从7 0 年代 到9 0 年代期间，盘管出口工艺气温度提高了1 5 0 ( 3 0 0 0 f ) ，与此相应， 炉管合金相应有h k 4 0 向h p 以及它们的各种改良型合金转变。这些改良 合金主要是在h k 和h p 成分基础上单独或复合加入少量m o 、w 、n b 、c o 等元素；许多炉管供应商也提供了一些微量合金化改良型号，向合金中 加入少量t i 或z r 以及稀土元素更进一步，为了提高合金的高温强度和氧 化渗碳抗力，对炉管合金进一步合金化，提高c r 、n i 含量到3 5 c r 4 5 n i 水平，并对其微量合金化，3 5 4 5 n b t i s i 合金作为裂解炉管材料，工作 4 硕士学位论文 温度可达1 1 5 0 ，且同时具备优良的抗高温腐蚀高温强度的最佳组合 而目前我国裂解炉管和转化炉管所使用的材质主要是h k 4 0 及h p 系列 1 3 1h k 系列( c r 2 5 n i 2 0 ) 高温合金 h k 含有足够的铬以保证良好的抗热气体腐蚀的能力，包括在氧化和 还原条件下的含硫气体。该合金n i 含量高，这使它成为在1 0 4 0 以上强 度最高的铸造高温合金之一。从而该合金铸件广泛应用于1 1 5 0 以下结 构设备的受力零件。在正常生产条件下，h k 合金在整个服役温度范围内 是稳定的奥氏体合金铸态显微组织有奥氏体母材和相当量的分散岛状 或网状碳化物组成。合金在服役温度暴露后细小粒状碳化物在奥氏体晶 粒内沉淀，如果温度足够高，碳化物会凝聚成块，细小弥散的碳化物使 合金蠕变强度提高据推测与珠光体相似的一种层状组织为奥氏体中的 碳化物或者c n 化物，这种组织在h k 合金中可常常观察到 在h k 合金标准成分范围内也可能有不平衡成分，从而在奥氏体母材 中可能存在一定量铁素体。如果合金在约8 1 5 保留较长的时问，铁素体 就会转化为脆性。相，引起合金室温脆性在h k 合金中，在7 6 0 8 7 0 范 围特别是合金低碳时( 0 2 0 一0 3 0 c ) ，奥氏体向。相直接转化也是可 能的。o 相的存在能引起合金在中等温度下性能数值很大的分散性。 h k 合金碳含量变化会强烈影响到最小蠕变速率和平均断裂寿命在 温度和载荷相同时，合金碳含量越高，蠕变速率越低，寿命越长高温 时效后室温性能也会受到影响。碳量越高，残留塑性越低而在h k 合金 中h k 4 0 广泛应用于石油和石油化工中的高温过程设备。 h k 4 0 高温合金炉管含n i 量高，抗氧化性好，广泛用做转化炉的转化 管，通常为铸态不经热处理使用。用作转化管或裂解管其工作温度可达 8 0 0 9 5 0 ，并承受一定压力( 转化管4 3 m p a ；裂解管0 5 m p a ) ，所 以要求材料必须有良好的抗氧化性能、抗渗碳性能、高的高温强度和塑 性、良好的焊接性能等。h k 4 0 的化学成分和力学性能见表1 1 、1 2 。 表1 1h k 4 0 的化学成分 表1 2h k 4 0 的力学性能 5 h p 4 0 n b 和i - i p 4 5 n b 1 1 镍基高温合金炉管的焊接 1 3 2h p 系列( c r 2 5 n i 3 5 ) 高温合金 1 化学成分 我国化工行业标准h g t 2 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 种合金炉管。z g 4 5 n i 3 5 c r 2 5 是c r 2 5 n i 3 5 成分的h p 合金基本牌 号，添加不同微量元素形成新的h p 合金有z g 4 0 n i 3 5 c r 2 5 n b 、 z g 4 0 n i 3 5 c r 2 5 n b w、z g l 0 n i 3 5 c r 2 5 n b、z g 4 5 n i 3 5 c r 2 5 n b m、 z g 4 0 n i 3 5 c r 2 5 w 4 等。 h p 系列合金的基本化学成分是c r 为2 5 ，n i 为3 5 ，其中n i 含量比 h k 系列提高了1 5 。增加n i 的出发点是为了适应装置的高温区的需要， 提高高温裂解、转化管的抗氧化和抗渗碳能力。从h p 合金衍生的合金在 本质上可分为两类。第一类添加n b 和w 以改进蠕变断裂性能和第二类在 第一类的基础上进一步加入t i 等微合金元素 6 - 9 】。这些微合金化的h e 第二 类合金比第一类h p 合金有更高的断裂性能。在这类h p 合金中，为了适用 使用于碳化环境内可增加s i 的含量。仅仅增加s i 含量的h p 合金在碳化环 境中的蠕变断裂性能和较少s i 含量的同类h p 合金不在碳化环境中使用的 蠕变断裂性能有所下降因为h p 合金的高镍含量，h p 合金对。相形成不 敏感。微观结构由奥氏体基体和粗大的初生碳化物相组成，以及高温时 效后在奥氏体晶粒内析出的细小碳化物相。h p 合金铸件通常以铸态供货。 从组织上看，在含碳量相同的条件下，h p 比h k 4 0 在晶界上有较多 形态较复杂的共晶碳化物。在运行中，组织的变化两者基本相同，但h p 系列合金的二次碳化物生长较慢且不易产生。相，从而具有较小的蠕变速 率和较高的蠕变断裂强度。h p 耐热温度可达1 1 0 0 为了进一步提高h p 合金的高温蠕变断裂强度、高温塑性，在h p 的基 础上添加n b 元素，通常加入量为1 0 1 5 即可获得明显效果。h p 系列 合金的化学成分和力学性能见表1 3 、表1 4 。 h p 系列合金是与h k 和h t 合金有关f e c r n i 系合金，但是与两者 中任何一个相比较，其合金含量更高。它和h k 合金有相同的c f ，但含 有更多的n i ，和h t 合金有相同的n i ，但是含有更多的c r 1 0 】。更多的 c r 、n i 含量使h p 合金在高温时具有良好的抗氧化和抗碳化能力。合金 在1 8 0 0 。f 到2 0 0 0 。f ( 9 8 2 一1 0 9 3 1 温度范围有和h k 、h t 合金相媲 美或更好的抗蠕变性能 t t - 1 2 】。可以在最高温度达到1 i 0 0 ( 压力4 m p a ) 或1 0 0 0 ( 压力i o m p a ) 的苛刻工况下连续长周期工作l o 万小时以上 h p 合金根据用户的不同要求衍生出很多新型合金，而真正的h p 合金只 占市场供应量很少的部分。这些新改进的合金具有更优异的蠕变强度和 蠕变延伸率，更好的抗渗碳和抗氧化性能以及更高的工作温度，能在1 l 6 硕士学位论文 表1 3h p 系列合金的化学成分 0 0 ( 2 0 1 2 4 n 的环境中不问断工作。 2 性能和应用 h p 合金可以令人满意铸造3 1 6 英寸( 4 7 6 m m ) 以上厚度的部件。 稍薄的部件只要工艺和结构设计合理也是可行的。这种合金的良好的铸 造性能允许设计错综复杂的结构。铸件断面不允许突然剧烈变化，尽可 能保持相同的厚度这类合金通常使用收缩量是每英尺5 1 6 英寸( 相当 于2 6 厘米) 。铸件毛坯一般留有1 8 英寸( 3 1 7 5 m m ) 或更多的表面机加 工余量毛坯铸件的尺寸公差受提供模样质量的影响通常，型芯孔的 外形尺寸和位置尺寸公差可能是每英寸1 1 6 英寸( 1 6 m m ) 。h p 合金也 具有优异的机械加工性能 h p 合金铸件可以用电弧焊、氩弧焊和氧乙炔火焰焊等焊接方法焊 接。电弧焊和氩弧焊使用最广泛。焊接材料主要有日本焊接材料株式会 社( n i p p o nw e l d i n gr o dc o ，l t d ) 生产的w e l 品牌的w e lt i g3 5 c ( k h r 3 5 c ) 焊材，武汉曼彻特焊接技术工程有限公司生产0 2 5 r a m 的t h e r m e t h p 4 0 n b 焊条( 推荐直流焊接，焊接电流6 0 9 0 a ) 和氩弧焊用0 2 4 r a m 的2 5 3 5 4 c n b 焊丝( 氩气保护，直流正接，焊接电流1 0 0 a ，焊接电压 7 表1 4h p 系列合金的力学性能 1 2 v ) ，北京钢铁研究院控股的安泰科技股份有限公司生产的2 5 3 5 n b ( 相 当于k h r 3 c ) 焊丝和上海材料研究所生产的r p 2 焊丝。张展字等人采 用钨极氩弧焊成功焊接了m 1 2 0 m m x 6 3 r a m 的h p 4 0 n b 炉管对接接头【13 1 。 胡在洪采用钨极氩弧焊焊接了 1 1 4 m m 1 3 3 m m 的h p n b 转化管对接接 头【】。夏天东等人用国产焊丝焊接了h p n b 合金的炉管接长对接焊缝和 炉管与法兰的异质接头焊缝【”，1 6 】。 h p 系列合金已广泛应用于大氮肥转化炉、乙烯裂解炉炉管的主要耐 热钢，也是近年来转化炉管为了减薄管壁，节约能源，提高效率，成为 代替h k 4 0 的材料【”】。h p 系列合金也具有很好的铸造性能、机加工性 能和焊接性能。由于这些优异的性能，h p 合金在石油化工行业成功地应 8 硕士学位论文 用于乙烯蒸汽裂解炉炉管，制氢、合成氨和甲醇催化转化炉转化管及其 他加热炉、热解炉等的部件，h p 合金也成功地应用于钢铁冶金及热处理 行业的辐射管、炉底辊、工装工具和各种铸造部件 3 国内外生产现状 从近期国际文献来看，法国、德国、日本、澳大利亚、巴西以及沙 特等国对乙烯裂解炉管、辐射管、转化炉管在高温氧化，氢腐蚀、碳氢 化合物腐蚀、渗碳、结焦等条件下的炉管组织、性能、管材失效状态、 焊缝失效进行了详尽的分析研究从研究结果来看，乙烯裂解炉管主要 以低熔点晶界碳化物( c r 2 3 c 6 ) 微裂纹扩展和高温蠕变失效( 因渗碳而脆 化) 为主；h p 系列合金中t i 、n b 的固溶强化作用是非常显著的lm o 、 w 等高熔点、低扩散速度金属原子有更佳的高温强化作用。 国际上主要生产h p 系列高温合金炉管的公司有美国先进离心铸管 有限公司( a d v a n c e dc e n t r i f u g a l sl t d ) 、德国施密特克莱门斯特殊钢厂 ( s c h m i d t c l e m e n sg m b h c o ) 、法国马努尔工业集团( m a n o i r i n d u s t r i e s ) 以及日本久保田金属公司( k u b o t am e t a lc o r p o r a t i o n ) 和住 友金属工业公司( s u m i t o m om e t a li n d u s t r i e s ) 等。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。 1 4 镍基高温合金炉管的焊接 1 4 1 镍基高温合金焊接性分析 镍基高温合金化学成分复杂，随使用条件不同，合金具有不同的组 织状态，因而焊接接头的质量控制难度加大生产实践证明，镍基高温 合金在焊接过程中焊缝金属具有较大的结晶裂纹倾向1 2 1 。此外，焊缝气 孔、焊接接头的晶闯腐蚀、焊接接头的等强闯题在制定工艺时也需考虑。 1 焊接热裂纹 高温合金熔焊的主要问题是易产生热裂纹。焊缝金属组织不均匀， 晶内、晶界偏析严重，低熔点共晶易在晶界聚集，在应力应变作用下产 生凝固裂纹。时效强化合金的裂纹敏感性比固溶合金大，除焊缝金属产 生凝固裂纹外，还可能产生液化裂纹和应变时效裂纹。用一般的熔焊方 法焊接时效强化铸造合金很难避免产生热裂纹。而镍基合金焊接时，焊 缝可能产生宏观裂纹、微裂纹或二者同时存在的裂纹【1 8 】。镍基高温合金 具有较高的焊接热裂纹敏感性，从化学成分和组织上分析，合金元素含 量多，组织是单相奥氏体组织，对合金元素的溶解度是有限的。这些合 9 瑚，4 0 n b 和i - i p 4 5 n b t i 镍基高温合金炉管的焊接 金元素与基体中的n i 、f e 作用，生成低熔点的共晶物，偏析于晶界，在 焊接应力的作用下而产生结晶裂纹，加之焊缝金属在凝固时形成方向性 很强的单相奥氏体柱状结晶，低熔点共晶物偏析于柱状结晶之间，在应 力作用下极易开裂【”】。 此外，焊缝的结晶组织也极为不均匀，且焊缝一次结晶组织一直近 似不变地保留到室温。焊缝的中部主要以等轴晶形态出现，四周分布着 方向性强的柱状晶，柱状晶内有不同的结晶形态如胞状晶、树枝状晶等， 而等轴晶内一般呈现树枝晶，上述结晶形态容易促使杂质和析出物在晶 界偏析在焊缝凝固过程中，成长的柱状晶最后都会在焊缝中心附近相 遇( 见图1 1 ) ，将溶质和杂质排挤在晶界形成液态薄膜，合金的塑性要下 降，当在焊接应力作用下应变超过其塑性所能承受的极限应变量时，液 膜将因晶界滑动而形成微裂，逐步扩展直至裂开；另外，合金中含有较 多的强化元素，在晶界上会形成碳化物相，其中部分为共晶组织，部分 相会产生溶解和析出的相变。当焊接时，靠近焊接熔池的某些相，如n b c 被迅速加热到固液区的温度，晶界上的这些相来不及相平衡转变，在原 相的晶界上形成液膜，于是造成晶界液化【2 0 1 。液膜经受不住拘束应力的 作用，则被拉裂形成液化裂纹；在粗大柱状晶间也易产生结晶裂纹 从物理性质上分析，镍基高温合金比热小，导热率低，工件处于高 温状态时间长，晶粒严重长大，促使了低熔点共晶物的形成。 - 教箱应熏 。1 蓐舫禽 图1 1 结晶裂纹的形成 2 对气孔的敏感性 造成气孔的因素很多，如工件表面的潮气、油垢、氧化皮等。在焊 接加热过程中这些杂质若清理不干净，将被吸附和分解成氢、水气。焊 接熔池在高温液态下，能溶解较多的氢、氧、氮等气体，所以要彻底清 除表面杂质。另外镍基高温合金密度大，熔池流动性较差，影响气体的 逸出，因此易形成气孔。 3 焊接区的腐蚀倾向 由于n i c r 、n i c r f e 系合金具有两个敏化温度区，敏化状态发生铬 硕士学位论文 等碳化物的沉淀，引起晶界贫铬现象，导致在某种介质中的晶间腐蚀、 应力腐蚀倾向有关资料显示2 m m 的i n c o n e l 6 0 0 不加丝t i g 焊接头经t 法腐 蚀试验未见腐蚀现象，在4 2 m g c l 2 沸腾溶液中无应力腐蚀现象，而在3 0 0 纯水中热影响区有应力腐蚀裂纹。在焊接该类钢时，应注意快速冷却， 避免焊接区在高温时停留过长，防止产生晶闻腐蚀。 4 焊接接头等强度问题 不论是固溶强化型镍基合金或是沉淀强化型镍基合金，焊接接头在 一般状态下均达不到与母材等强度的要求【2 。焊态的n i f e c f 基固溶强 化合金，焊接接头在常温和高温下的瞬时强度并无明显降低，但在高温 下的持久强度却大幅降低，用热处理方法也得不到改善过热区越宽， 这种影响越大生产实践表明，这和接头热影响区普遍存在过热、晶粒 长大严重有直接关系。 1 4 2 镍基高温合金炉管焊接工艺制定原则 1 焊接方法的选择 焊接工艺方法是能否焊好镍基合金的关键除考虑焊接性特点外， 应结合具体生产条件和结构特点进行选择在石油化工领域中各种装置、 设备焊接中使用最广泛的焊接方法是手工电弧焊和钨极氩弧焊。其中钨 极氩弧焊，焊接线能量小，过热区小，高温停留时间短，冷却速度快， 适合镍基材料的特点 ( 1 ) 手工电弧焊 手工电弧焊( s m a w ) 一般用于厚度大于1 6 r a m 的镍合金材料。在大 多数情况下，焊条熔敷金属的成分与母材相似每一焊条直径有一最佳 的电流范围，过大的电流会导致气孔和弯曲不合格，因为合金元素和脱 氧剂在它们熔入前会遭到氧化。焊条选定后，如何正确操作极为重要， 为避免焊条和焊缝金属过熟，减少焊接应力，应采取小直径焊条，选用 小电流、短弧法施焊 锯基合金焊缝金属的流动性不如钢好，所以焊接时最好稍许摆动， 但其幅度不要大于三倍焊条直径。不管是否采用摆动，焊缝的外形应呈 稍凸。接头再引弧时采用反向引弧技术，以抑制气孔等缺陷的产生。 焊渣十分脆，每焊一道后，焊下一道前应把焊渣彻底清除，并用不 锈钢刷子刷干净。推荐对所有焊缝都去除焊渣特别对焊缝有耐蚀要求 时，更要清除干净 ( 2 ) 钨极氩弧焊 钨极氩弧焊( t i g 焊) 是镍基合金生产中应用最广泛的焊接方法，一 1 l h p 4 0 n b 和t t p 4 5 n b t i 镍基高温合金炉管的焊接 般采用直流正极性、高频引弧以及电流衰减、延时断气的焊接技术。 固溶强化型高温合金钨极氩弧焊具有良好的焊接性，焊接时，只要 采取较小的焊接热输入和稳定的电弧，则可避免结晶裂纹，获得良好质 量的接头，无须采取其他工艺措施。 沉淀强化型高温合金采用钨极氩弧焊时，焊接性较差。必须要求合 金在固溶状态下进行焊接；接头设计和焊接顺序要合理，使焊接件具有 较小的拘束度；焊接时，采用较小的焊接电流，改善焊接熔池结晶状态， 避免形成热裂纹 高温合金钨极氩弧焊熔池的熔深较小，不足碳钢的一半，为奥氏体 不锈钢熔深的2 3 左右，因此在接头设计时，应加大坡口、减小钝边高度 和适当加大根部间隙，在操作中应注意防止未焊透和根部缺陷【22 1 。 氩气作为保护气体，成本低、密度大、保护效果好，要求必须干燥 而且纯度要高，纯度应符合g b 4 8 4 2 氩气中规定的一级氩气的要求， 9 9 9 9 以上在焊接加热过程中容易造成空气的侵入，分解成氢、水气， 焊接熔池在高温液态下，更能溶解较多的氢、氧、氮等气体。焊接时要 保证焊丝、管予施焊处始终处于氩气的保护之下。在管内保护刚开始时， 氩气的流量可较大，在确保管内空气排尽后，再进行焊接。当打底层快 焊满整圈时，应适当降低氩气流量，避免焊缝背面成形因氩气的吹托而 出现凹陷。并且不要使焊枪离开未完全熔合的熔池。 当采用钨极氩弧焊焊接镍基高温合金时，钨极通常采用钍钨极 ( w t h l 5 ) 和铈钨极( w c e 2 0 ) 。铈钨极的电子发射能力强、引弧电压 低、电弧稳定性好、许用焊接电流大、烧损率低，故推荐使用铈钨极。 钨极直径应根据焊接电流选定，并加工成锥形电极，应注意避免钨极与 熔池相接触，尖端污染必须磨掉。 钨极氩弧焊接头的缺陷，一般可分为两类。一类为不允许存在的缺 陷：裂纹、烧穿、未熔合和焊瘤；另一类是允许适量存在的焊接缺陷： 气孔、未焊透、夹杂物、咬边、凹坑和塌陷。但最容易产生、危害最大 的缺陷是裂纹。其防止方法有合理设计焊接接头和安排焊接次序，减小 结构的拘束度；选用抗裂性优良的焊丝；采用小的焊接电流，减小焊接 热输入；