论文格式例子.doc

长春工业大学本科生毕业论文 I 裂解炉炉管用双相不锈钢焊接工艺评定裂解炉炉管用双相不锈钢焊接工艺评定 摘要摘要 中油吉林化建公司建成并投产了目前国内最大的乙烯装置 在该装置的施工中 裂解炉炉管的焊接是保证该装置长期安全 稳定运行的关键环节 本实验就是来自 于中油吉林化建公司 是对裂解炉炉管用双相不锈钢管直焊缝焊接工艺的研究 双相不锈钢因其力学性能和抗晶间腐蚀性能优良而被广泛应用于石油化工行业 是近年来发展迅速的钢种 双相不锈钢焊接的要点是焊接热循环对焊接接头组织和 性能的影响 如韧性和抗晶间腐蚀性能等 而优良的力学性能和抗晶间腐蚀性能又是 保证焊接产品长期安全运行的关键 因此开展 SAF2205 双相不锈钢管直焊缝焊接工 艺的研究 保证焊接接头具有良好的力学性能和抗晶间腐蚀性能不仅具有重要的现 实意义而且具有重要的学术价值 本文采用钨极氩弧焊 GTAW 打底 焊条电弧焊 SMAW 焊盖面的焊接方法 并选用 ER2209 H03Cr22Ni8Mo3N 焊丝和 ER2209 16 焊条对 SAF2205 双相不锈钢管进 行了焊接工艺的研究 通过对焊接接头金相组织 力学性能 抗晶间腐蚀性能的分 析 确定了最佳焊接工艺参数 并分析了焊接线能量 焊接工艺方法与 X 射线衍射 法分析相比例等对焊接接头组织及力学性能和腐蚀性能的影响 关键词关键词 2205 双相不锈钢 GTAW SMAW 力学性能 相比例 WELDING PROCEDURE QUALIFICATION OF DUPLEX 长春工业大学本科生毕业论文 II STAINLESS STEEL FOR CRACKING FURNACE TUBES ABSTRACTABSTRACT Nowadays China Petroleum Jilin Chemical Engineering Construction Company had completed the biggest ethylene plant in China and put it into production During the construction of the equipment the weld of cracking furnace tubes is the key to ensure the long term safety and stable operation of the device This experiment comes from the China Petroleum Jilin Chemical Engineering Construction Company It is an investigation on welding process of SAF2205 duplex stainless steel Duplex stainless steel has many obvious merits such as the mechanical properties and excellent intergranular corrosion resistance so it is widely applied in petroleum chemical industry and become a kind of fast developing steel The key point of the welding process is the microstructure and properties of the welded joint such as toughness and resistance to intergranular corrosion resistance which will be influenced by the thermal cycling greatly And excellent mechanical properties and intergranular corrosion resistance are the most important factors to keep the welding products long term and safe operation So it is necessary and academic to improve the mechanical properties and intergranular corrosion resistance by investigating the welding process of SAF2205 duplex stainless steel The welding process of GTAW SMAW with ER2209 H03Cr22Ni8Mo3N arc wire and ER2209 16 electrode were applied to study the welded process on SAF2205 duplex stainless steel tubes The optimum welding parameters are given according to the microstructures the mechanical properties and the intergranular corrosion resistance of the joints welded by the method It also analyses the influence of welding linear energy welding process and X ray analyze the phase ratio on mechanical properties and the corrosion resistance of the welded joint KeyKey Words Words 2205 Duplex stainless steel GTAW SMAW mechanical properties phase ratio 长春工业大学本科生毕业论文 III 目录目录 第一章 绪论 1 1 1 双相不锈钢 Duplex Stainless Steel 发展概况 1 1 2 双相不锈钢焊接性及焊接材料 7 1 3 选题的背景及意义 13 1 4 课题研究的内容 14 第二章 2205 双相不锈钢板焊接工艺 15 2 1 前言 15 2 2 焊接工艺及材料 15 2 3 本章小结 21 第三章 2205 双相不锈钢板焊接接头力学性能试验 22 3 1 前言 22 3 2 焊接接头力学性能测试 22 3 3 本章小结 24 第四章 金相组织及相比例测定 25 4 1 前言 25 4 2 金相组织观察分析 25 4 3 相比例 28 4 4 本章小结 31 第五章 结论与展望 32 5 1 结论 32 5 2 展望 32 参考文献 33 致谢 34 长春工业大学本科生毕业论文 4 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 双相不锈钢 双相不锈钢 DuplexDuplex StainlessStainless SteelSteel 发展概况 发展概况 1 1 1 双相不锈钢简介双相不锈钢简介 奥氏体 铁素体型不锈钢又称双相不锈钢 它的组织为铁素体加奥氏体 其 体积分数约各占 50 双相不锈钢是将奥氏体不锈钢的优良韧性 较低的热裂 倾向和良好的焊接性与铁素体不锈钢的较高强度 耐氯化物应力腐蚀性能以及 焊后较低的脆化倾向结合在一起 使双相不锈钢兼顾有奥氏体不锈钢和铁素体 不锈钢的优点 双相不锈钢耐氯化物应力腐蚀性能优于奥氏体不锈钢 另外也 具有良好的抗孔蚀和缝隙腐蚀的能力 良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能 有 较好的耐点蚀性能 对晶间腐蚀不够敏感 在力学性能方面具有较高的强度和 疲劳强度 屈服强度是 18 8 型奥氏体不锈钢的两倍 1 在不锈钢的牌号系列 中 双相不锈钢的地位已经确立 并且无论在化学成分 性能以及设计 加工 制造等方面都已经进入相当成熟的阶段 它被公认为 21 世纪的主流不锈钢种 2 双相不锈钢是用在能充分发挥其优点 即优异的耐腐蚀性和高强度或者二 者兼有的应力场合 因为它含有比奥氏体不锈钢更高的铁素体成份 所以有高 的铁磁性 高热传导性和低的线膨胀系数 双相不锈钢最多的是被选用于耐腐 蚀场合 已经在很多可能发生应力腐蚀的裂纹和点蚀的应用环境中代替了奥氏 体不锈钢 它们在绝大多数应力腐蚀场合远优于结构钢而又具有相当的强度 譬如双相钢已广泛用于陆地和海洋中的油 气管道 由于双相不锈钢在相对不 高的温度下就会形成很多脆性析出物 所以不推荐用于超过 280 的工作场合 它们比奥氏体不锈钢贵 主要是由于从铸态到最终的板材 薄板 管件的加工费 用贵 然而它们提供了优异的耐腐蚀性并可降低重量 在中等程度侵蚀行介质 中 可能用来代替某些镍基合金 而价格仅为原来的几分之一 双相不锈钢典型的屈服强度大约是 425Mpa 和奥氏体不锈钢的 210Mpa 比 较强度要高很多 因为双相不锈钢的强度高 其硬度也高 所以在要求耐腐蚀 同时要求耐磨损的场合 这种钢更有优势 当今大多数的双相不锈钢都有好的 韧度和延性 然而它们在低温时有韧脆转变 所以一般不适合用于低温 双相 不锈钢的工作温度范围一般限于 40 280 5 双相不锈钢的线膨胀系数和碳钢 低合金钢接近 由于这种相似性 这种 长春工业大学本科生毕业论文 5 钢也可用于需要双相钢和碳钢配合使用的高压容器类的结构 这种情况下 相 对于使用奥氏体不锈钢 能减少由于热膨胀不同引起的热应力 然而由于双相 钢中析出反应在较低温度下发生 因而它不适宜用于需要进行消除应力热处理 焊后热处理 的场合 3 1 1 2 双相不锈钢的性能特点双相不锈钢的性能特点 4 l 含钼双相不锈钢在低应力下有良好的耐氯化物应力腐蚀性能 一般用在 60 以上中性氯化物溶液中的 18 8 型奥氏体不锈钢容易发生应力腐蚀破裂 在 微量氯化物及氯化氢的工业介质中用这类不锈钢制造的热交换器 蒸发器等设 备都存在着产生应力腐蚀破裂的倾向 而双相不锈钢却有良好的抵抗能力 同 时含钼双相不锈钢有良好的耐孔蚀性能 在具有相同的孔蚀抗力当量值 PREN Cr 3 3 Mo 16 N 7 时 双相不锈钢与奥氏体不锈钢的临界孔蚀电位相 仿 2 有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能 在某些腐蚀介质条件下适用于制 作泵 阀等设备 综合力学性能好 有较高的强度和疲劳强度 屈服强度是 18 8 型奥氏体不锈钢的两倍 3 含低铬 18 Cr 的双相不锈钢热加工范围比 18 8 型奥氏体不锈钢宽 抗 力小 可不经过锻造 直接轧制开坯生产钢板 4 冷加工比 18 8 型奥氏体不锈钢加工硬化效应大 在管 板承受变形初 期 需施加较大应力才能变形 与奥氏体不锈钢相比 导热系数大 线膨胀系 数小 适合用作设备的衬里和生产复合板 也适合用作热交换器的管芯 5 仍有高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向 不宜在高于 300 的工作条件 下使用 双相不锈钢中含铬量越低 等脆性相的危害性也越小 1 1 3 双相不锈钢的分类及代表牌号双相不锈钢的分类及代表牌号 4 表 1 1 双相不锈钢分类 代表牌号 MoN PREN 值耐应力腐蚀能力 低合金 型 UN S532304 23Cr 4Ni 0 1N 无无24 25可代替 AISI304 或 306 使用 中合金 型 UN S531803 22Cr 5Ni 3Mo 0 15N 有有32 33介于 AISI316L 和 6 Mo N 奥氏体不 锈钢之间 高合金 型 UN S532550 25Cr 6Ni 3Mo 2Cu 0 2N 有有38 39高于 22 Cr 的双相不锈钢 长春工业大学本科生毕业论文 6 超级双 相 不锈钢 UN S532750 25Cr 7Ni 3 7Mo 0 3N 高有 40 具有良好的耐蚀与力学综合性能 可与超级奥氏体不锈钢媲美 1 1 4 双相不锈钢与其它不锈钢的比较及其应用领域双相不锈钢与其它不锈钢的比较及其应用领域 1 1 4 11 1 4 1 双相不锈钢与奥氏体不锈钢相比双相不锈钢与奥氏体不锈钢相比 其优点是 5 1 屈服强度比普通奥氏体不锈钢高一倍多 且具有很好的塑韧性 采用双相不 锈钢制造储罐或压力容器的壁厚要比常用奥氏体不锈钢减少 30 到 50 2 具有优异的耐应力腐蚀断裂和良好的耐局部腐蚀性能 如孔蚀 缝隙腐蚀 此外 它的耐磨损腐蚀和腐蚀疲劳性能都优于奥氏体不锈钢 3 比奥氏体不锈钢的线膨胀系数低 与碳钢接近 适合与碳钢连接 具有重要 的工程意义 如生产复合板或衬里等 4 不论在动载或静载条件下 比奥氏体不锈钢具有更高的能量吸收能力 这对 结构件应付突发事故如冲撞 爆炸等 双相不锈钢优势明显 具有实际应用价 值 1 1 4 21 1 4 2 双相不锈钢与铁素体不锈钢相比双相不锈钢与铁素体不锈钢相比 其优点为 1 综合力学性能比铁素体不锈钢高 尤其是塑韧性 就脆性而言不如铁素体不 锈钢那样敏感 2 除耐应力腐蚀性能外 其他的耐局部腐蚀性能都优于铁素体不锈钢 3 冷加工工艺性能和冷成型性能远优于铁素体不锈钢 4 焊接性能也远优于铁素体不锈钢 焊前不需预热 焊后不需热处理 应用范 围较铁素体不锈钢宽 1 1 4 31 1 4 3 双相不锈钢的应用双相不锈钢的应用 4 4 双相不锈钢的实用化已经有三十余年的历史 尤其是当代超低碳含氮双相 不锈钢克服了焊接方面的一些问题 结合双相不锈钢所具有的耐局部腐蚀和综 长春工业大学本科生毕业论文 7 合力学性能好的一些优点 为焊接结构材料的大量推广应用创造了条件 近十 几年市场销售量增加很快 加之随着超级双相不锈钢的步入市场 扩大了在一 些苛刻介质中的应用 使双相不锈钢的应用范围不断拓宽 也积累了不少实际 使用经验 为双相不锈钢的选用和新钢种的开发进一步创造了条件 这里简单介绍双相不锈钢在各个领域中的应用 1 中性氯化物环境 双相不锈钢在加工工业中应用广泛 特别适用于有可能产生局部腐蚀的环 境 在加工工业中经常使用含有少量氯离子的淡水作为冷却水 从而导致所用 的 AISI 304L 316L 等奥氏体不锈钢时有产生应力腐蚀开裂 Stress Corrosion Cracking SCC 的危险 而双相不锈钢恰恰可以代替常用奥氏体不 锈钢解决这一问题 尤其适用于由孔蚀引起的应力腐蚀开裂的场合 影响材料 在氯化物介质中抗 SCC 性能的主要因素有 1 在特殊环境 材料组合的条件下 产生 SCC 的临界应力 2 环境介质的浓度 首先是氯化物的浓度 pH 值 介质氧化还原的性 质 特别是溶氧或其它氧化杂质 3 温度 随着温度的升高 SCC 倾向加重 但也不是绝对的 还受其它 因素的制约 正是由于影响 SCC 的因素复杂 因此 在界定双相不 锈钢的使用条件时 除了实验室的各种 SCC 数据和性能曲线外 值 得重视的是实际使用的经验及其与实验室的 SCC 数据的对比与汇总 瑞典在这方面都进行了大量的工作 针对在通气的中性氯化物溶液 中大量使用的 3RE60 SAF2205 以及 SAF2304 钢作了氯离子浓度与温 度关系作了汇总 在通气的氯化物环境中几种双相不锈钢和奥氏体 不锈钢产生 SCC 的临界温度值如表 1 2 所示 表 1 2 几种不锈钢产生应力腐蚀开裂的临界温度 Steel304 304L316 316LSAF23043RE60SAF2205Sanicro 28 Critical temperature 6060150175 175 20 0 200 25 0 2 海水环境 海水是自然环境中腐蚀性最强的一种介质 尤其在金属表面粘附有微生物 层 膜 时 使其腐蚀电位增加 从而也增加了产生孔蚀和缝隙腐蚀的危险性 早在 70 年代日本开始使用 329J1 钢制造化工厂用或船用海水热交换器或海水冷 却器管束 部分代替铝黄铜管 就热海水用钢而言 目前大都使用 25Cr 3Mo 型 长春工业大学本科生毕业论文 8 的双相不锈钢 且超级双相不锈钢有更好的使用效果 钛管因不耐 F 腐蚀 只 能用 3 个月 而 SAF2507 使用 3 年仍未发现腐蚀 北海采油平台上的管道系统 使用的是 Zeron100 钢 海水出口温度可达 60 65 也未发现腐蚀问题 但 当使用含 6 Mo 的奥氏体不锈钢时 在此温度会产生应力腐蚀开裂 3 石油和天然气工业 20 世纪 80 年代以来 双相不锈钢在酸性气和油的生产中用量逐渐增多 尤其在天然气的生产中 双相不锈钢多数面临的是含有大量 Cl CO2和一些 H2S 的环境 即所谓的酸性环境 在含 Cl 的湿 CO2环境中 双相不锈钢是一种 较理想的材料 可耐高流速的磨损腐蚀 并能够代替加缓蚀剂的碳钢使用 用 于井上管道系统 减少可观的材料重量 4 纸浆和造纸工业 双相不锈钢在纸浆和造纸工业中的应用已经有 40 年的历史了 3RE60 钢最 早就是在这一领域起步应用的 除 3RE60 钢外 其它如 SAF2205 UR45N UR47N 00Cr25Ni6 5Mo3N UR52N 00Cr25Ni6 5Mo3 5CuN 等双相不锈钢都 已获得了应用 主要是利用双相不锈钢优秀的力学性能 耐磨损腐蚀 耐腐蚀 疲劳以及耐应力腐蚀性能好等特长 并且在制造纸浆和造纸工业用的木屑预蒸 器 间歇式和连续式纸浆蒸煮器 造纸压力滚筒和回收设备等 都取得了良好 的使用效果 此外 在北美 欧洲和日本等发达国家 双相不锈钢甚至超级双相不锈钢 还成功地在炼油工业 化肥工业 能源与环保工程 轻工和食品工程以及高强 度结构件等领域中得到广泛应用 1 1 5 双相不锈钢的发展史双相不锈钢的发展史 1927 年 Bain 和 Griffiths 首先发现了双相组织 双相不锈钢的发展与应 用始于 20 世纪 30 年代 法国获得了第一个专利 到目前为止 双相不锈钢已 发展了三代 第一代双相不锈钢以美国在 20 世纪 40 年代开发的 329 钢为代表 含有较高的 Cr 和 Mo 耐局部腐蚀性能好 但因含碳量较高 0 1 C 故焊 接时易失去相的平衡 碳化物沿晶界析出并导致耐蚀性及韧性下降 焊后必须 经过热处理 且一般用于铸锻件 因此在应用和发展上受到限制 随后 日本 在美国 329 钢的基础上降碳 提出了 329J1 钢 这种钢可作为可焊接的结构钢 使用 至 20 世纪 60 年代中期 瑞典开发出了著名的 3RE60 钢 它是第一代双 相不锈钢的典型代表 特点是超低碳 含 Cr 量为 18 焊接及成型性能良好 并广泛代替 AISI 304L 和 316L 钢用作耐氯离子应力腐蚀的材料 该钢的问题是 在焊接热影响区易出现单相铁素体组织 从而使耐应力腐蚀及晶间腐蚀性能下 长春工业大学本科生毕业论文 9 降 从 20 世纪 70 年代开始 随着二次精炼技术 AOD 和 VOD 等方法的出现与普 及以及连铸技术的发展 超低碳 C 0 03 钢的冶炼更加容易 同时发现氮 作为奥氏体形成元素对双相不锈钢的性能有重要影响 氮元素独特效果的合理 利用以及超低碳熔炼技术的发展 使人们在生产技术上完全克服了第一代双相 不锈钢的缺点 开发出了第二代双相不锈钢 即含氮双相不锈钢 不锈钢应用 领域得到进一步扩大 20 世纪 80 年代后期发展的超级双相不锈钢属于第三代 双相不锈钢 牌号有 SAF2507 UR52N Zeron100 等 这类钢的特点是含碳量 0 01 0 02 且含有较高的 Mo 和 N Mo 约 4 N 约 0 3 铁素体含量约 占 40 45 此类钢具有优良的耐孔蚀性能 1 1 6 国内双相不锈钢的发展概况及前景国内双相不锈钢的发展概况及前景 我国自 70 年代中期开始发展双相不锈钢 钢铁研究总院最早从事这方面的 工作 00Cr18Ni5Mo3Si2 双相不锈钢已纳入国家标准 GB1220 GB3280 GB42370 80 年代初期在分析国外双相不锈钢发展的基础上 研究了氮元素在改善双相不锈钢耐应力腐蚀和孔蚀的机制 并且结合国内各特 殊钢厂生产含氮不锈钢的成熟经验 确定了以发展含氮双相不锈钢为主的发展 方向 至今已有耐应力腐蚀 耐孔蚀与缝隙腐蚀 耐腐蚀疲劳和耐磨损腐蚀的 简单双相不锈钢系列牌号 我国的双相不锈钢只是处于国外第二代双相不锈钢 的发展水平 钢中的合氮量在 0 2 以下 至于目前国外已步入市场的含氮在 0 25 0 35 的超级双相不锈钢 我国仍处于实验室开发阶段 AOD 精炼工艺 和双相不锈钢连铸工艺的成熟将有助于超级双相不锈钢板工业试生产的成功 目前国内双相不锈钢的主要产品是管 板和复合板 也有锻件和铸件 产 量都不大 随着应用的发展 国内产品满足不了要求 尤其一些工程项目 主 要仍是依靠进口 至于油气和石化所需的管线钢 国内近几年己开始制造和野 外施工焊接 还有待继续积累这一方面的经验 4 5 近十几年来 尤其是欧洲的双相不锈钢的研究与开发工作开展得非常活跃 无论是生产 加工制造 还是应用 技术上已经比较成熟 双相不锈钢作为一 种性能优良的 又有成本效益的工程材料已被广泛使用 为了尽早扭转我国双 相不锈钢科研 生产 甚至制造所处的较为落后的局面 为了使这类具有高强 度 优良的耐蚀工程材料在国内尽快地扩大推广应用于国民经济和国防工业的 有关领域 根据双相不锈钢的发展现状 当前应采取的措施是 1 加速超级双相不锈钢的科研和生产试制工作 借鉴国外的经验 国内 生产双相不锈钢的钢种应着力发展潜在需要量大 使用面广 工艺上 长春工业大学本科生毕业论文 10 又比较容易掌握的 2205 和 2304 牌号 2 促进发展双相不锈钢的生产与制造业 扩大双相不锈钢钢板尤其是热 轧钢板的生产 目前的板宽和板长还满足不了要求 表面质量也有待 改进 对小规格双相不锈钢无缝管的生产 国内已比较成熟 当前急 需解决的是较大规格的无缝管和焊管的生产 生产工艺有待开发 此 外 如何将双相不锈钢产品的价格降下来 也事关国内双相不锈钢的 发展 扩大产量 生产对路适销产品固然很重要 但不容忽视的是要 采用新技术 新工艺 采用氧化钼球代替金属相 氧化镍代替金属镍 降低冶炼成本 推广采用双相不锈钢连铸技术 提高成材率等 3 为适应双相不锈钢日渐广泛的推广应用 国内应加强对双相不锈钢焊 接技术的普及和配套焊接材料的研制 4 不锈钢的国家标准己有十多年没有修订 在修订国标时必须考虑双相 不锈钢的纳标和修订 国外对于占产量 80 的 2205 牌号专门制订了产 品出厂检验的用户验收标准 我们也应考虑引进和吸收 充实现有的 检验方法和标准 以促进双相不锈钢的生产和定货 5 大力开拓双相不锈钢的工业用与民用的潜在市场 如建筑业 结构 桥 梁 混凝土用钢筋 如制造业 容器 储罐 化学品运输船 快艇 槽车 又如家用设施 高位水箱 电热水器 住房水汽配管等 并研 制 试用 推广国外开发的又适合我国国情 缺镍少铬 的一些新品种 如低镍节约型双相不锈钢 相信中国推广双相不锈钢有着广阔的应 用前景 5 6 1 21 2 双相不锈钢焊接性及焊接材料双相不锈钢焊接性及焊接材料 1 2 1 焊接接头的冶金特性焊接接头的冶金特性 1 2 1 11 2 1 1 相图相图 根据美国焊接研究委员会 WRC 1992 采用的铬 镍当量比值所绘制的 Fe Cr Ni 三元截面相图如图 1 1 所示 1 长春工业大学本科生毕业论文 11 Cr Ni eq 图 1 1 Fe Cr Ni 三元截面相图 图中示出液态和固态的相区 同时表明了几种双相不锈钢代表牌号在图中 所处的位置 实际上所有双相不锈钢从液相凝固后都是完全的铁素体组织 这 一组织一直保留至铁素体溶解度曲线的温度 只有在更低的温度下部分铁素体 才转变为奥氏体 形成奥氏体 铁素体双相组织 双相不锈钢的焊接 HAZ 的组织变化取决于钢种自身的成分和焊接热循环状 态 此三元截面图即可用来大致说明成分对焊接 HAZ 组织的作用 当 Creq Nieq 比值大于 2 0 时 随比值的增加铁素体溶解度曲线温度急剧下降 铁素体相的 范围随之扩大 换言之 Creq Nieq比值大于 2 5 的双相不锈钢在焊缝熔合线附 近的焊接 HAZ 区中趋向形成较宽的单相铁素体区 从图上几种双相不锈钢比较 可以预见到 2205 和 255 双相不锈钢在焊接 HAZ 中全部转变为铁素体的区域要比 2507 和 52N 超级双相不锈钢宽 从铁素体溶解度曲线与 Creq Nieq关系还可以 看出 超级双相不锈钢比普通的双相不锈钢产生单相铁素体组织的峰值温度要高 除了从镍 铬当量反映出成分的影响外 焊接热循环的参数 如加热速度 高 于 相溶解度曲线温度的停留时间以及通过两相区的冷却速度等也都会影响熔 合线附近焊接 HAZ 的组织变化 1 2 1 21 2 1 2 热影响区 热影响区 HAZHAZ 双相不锈钢的焊接 HAZ 按承受的焊接热循环峰值温度的高低通常分为高温 区 HTHAZ 和低温区 LTHAZ 前者位于铁素体溶解度曲线至固相线这一温度范 围 对大多数商业牌号为 1250 熔点 几乎为单相铁素体组织 后者基本处 于两相的平衡区 长春工业大学本科生毕业论文 12 影响焊接 HAZ 组织转变的因素 1 母材的铬 镍当量关系 除利用相图外 学者们还利用各种线性关系式来判定双相不锈钢焊接 HAZ 和焊缝金属的组织特性 7 B Creq Nieq 11 6 1 1 其中 Creq Cr Mo 1 5 Si 1 2 Nieq Ni 0 5 Mn 30 C N 1 3 P Cr Mo 3 Si Ni 15 C 10 N 0 7 Mn 1 4 钢的 P 值越大 焊接 HAZ 的 铁素体量越高 文献指出 B 7 时 焊接 HAZ 为 理想的 两相组织 2 母材的相比例和氮元素的作用 焊接 HAZ 的组织和性能也与母材的相比例直接有关 而母材的相比例与铬 镍当量之间是有关联的 当母材的 70 30 时 孔蚀率高 焊接 HAZ 内奥氏体量少且有纯铁素 体晶界 铁素体晶内还会析出较多的氮化物 特别在表层与焊缝毗邻的 HTHAZ 内 这都导致焊接 HAZ 的韧性和耐腐蚀性下降 当母材的 60 40 时 HAZ 还 不能确保无纯铁素体晶界 也就是说在单道焊时焊接 HAZ 组织还不理想 其性 能低于母材 当母材的 50 50 时 焊接 HAZ 组织为理想的双相组织 母 材和焊接 HAZ 的性能优良 可满足焊接结构用材的要求 当母材的 40 60 时 虽焊接 HAZ 的孔蚀率低 但韧性略有下降 母材的韧性也略 有下降 孔蚀率也略有提高 热加工性能也将下降 此外 值得注意的是 当 含氮双相不锈钢相比例失调 即在焊接 HAZ 出现单相铁素体或奥氏体相极少时 由于氮在铁素体相中溶解度很低 导致大量的氮化物析出 性能也急剧下降 因此 生产双相不锈钢时 除保证化学成分外 还应对相比例进行控制 即控 制镍 铬当量 综上所述 通过控制双相不锈钢的铬 镍当量值和加入适量的氮元素来控 制两相比例是有效的 同时针对各个炉次的具体成分选择固溶温度对相比例进 行微调也是可行的 这些对改善和提高双相不锈钢焊接 HAZ 的性能都是关键性 问题 3 焊接参数的影响 双相不锈钢的焊接 HAZ 所承受的焊接热循环温度范围包括从室温直至近缝 区的熔点温度 而且冷却和加热速度与热输入 又称线能量或弧能 构件尺寸 和与焊缝的距离位置密切关联 至于多层焊接 由于重复加热和冷却 情况更 是复杂 其速度还受层间温度的影响 长春工业大学本科生毕业论文 13 为了保持理想的两相组织和满意的性能 双相不锈钢要求遵守一定的焊接 工艺规程 选择合适的焊接参数 过高的铁素体量会造成焊件脆化 而过低的 铁素体量又能引起应力腐蚀破裂 为了避免过高的铁素体量 不能采用过快的 冷却速度 因线能量与冷却速度有一定关系 也就是说不能采用过低的线能量 当然 也要避免采用过慢的冷却速度 或过高的线能量 它会导致焊接 HAZ 粗 晶和金属间相的析出 近年来又常采用 1200 800 或 800 500 温度区间的 冷却时间来表示 前者接近于奥氏体形成的温度范围 综上所述 双相不锈钢焊接 HAZ 的特点可以归纳为以下几点 l 双相不锈钢焊接 HAZ 的问题主要集中在高温区 该区在焊接热循环作用下 组织发生了较大的变化 热循环的加热段虽然只有数秒钟 高温区的奥氏体相 仍能溶解于铁素体中 转变完全 在热循环的冷却段 高温区的铁素体相向奥 氏体相的转变却是不平衡的 奥氏体相大幅度下降 这种组织的焊接接头妨碍 了双相不锈钢的应用和推广 第一代的双相不锈钢往往就是这种情况 2 HTHAZ 的奥氏体相减少是不可避免的 但析出部分奥氏体相却是可能的 当 奥氏体相的数量能布满铁素体相晶界 消除了 晶界 形成了 晶界 时 这样的组织的焊接接头性能是满意的 相比例达到 50 50 的双相不锈钢 HTHAZ 的组织虽然发生奥氏体量数量下降 仍能有 15 30 相析出 其两相组 织是 健全 的 没有纯铁素体晶界 当然 要使钢材获得稳定且一定比例的 两相组织是有一定难度的 但为了满足焊接的需要却是必须 第二代双相不锈 钢中的不少牌号 尤其是含氮双相不锈钢和第三代超级双相不锈钢都具备了这 样的条件 7 3 由于有相比例的要求 在双相不锈钢设计的化学成分范围内冶炼时铬 镍 当量的控制也很重要 根据每炉钢的成分适当调整热处理温度也是必要的 4 焊接工艺中的焊接线能量和多层焊 可使焊接 HAZ 二次受热 对焊接 HAZ 组织 影响较大 相对而言 线能量影响的程度有限 而多层焊对组织的改善却是明 显的 采用多层焊时一般均要对线能量进行限制 1 2 1 31 2 1 3 焊缝金相组织焊缝金相组织 焊缝金相组织转变 双相不锈钢焊缝金属为铸态组织 属于铁素体凝固模式 一次凝固相为单 相铁素体 高温下铁素体相的高扩散速率得以使合金元素快速均匀化 容易消 除凝固偏析 即使少量的镍 钼元素显微偏析对于奥氏体相的形成也无较大影 响 焊缝金属从熔点冷却至室温时 部分铁素体会转变成奥氏体 两相的平衡 长春工业大学本科生毕业论文 14 数量和 比值的大小无论对焊缝的抗裂纹能力 或是对焊缝的力学性能和 耐腐蚀性能都有重要影响 焊缝金属冷却时 在 600 1000 温度范围 有时也还会有 相等金属间 相 二次奥氏体 2 的析出 这与填充金属的成分 焊接参数线能量等有关 8 1 合金元素的作用及其在两相中的分配 B 值越大 奥氏体数量越小 这同前述焊接 HAZ 的结果是一致的 线能量也 能影响两相中合金元素含量的分配 在低线能量时 含氮焊缝铬 镍和钼元素 在两相中的分配差别不大 只是氮更富集在奥氏体内 高线能量时则不然 铬 镍和钼等元素有足够的时间进行扩散 两相中的合金元素量有着明显的差异 这意味着随线能量的不同 铁素体和奥氏体相的成分和耐腐蚀性也相对变化 多道焊接时 这一情况更要复杂 叠加的热循环作用带来元素的再分配 一般 含氮的焊缝中奥氏体相的耐腐蚀性略高 2 焊接参数的影响 焊接线能量也是一个影响因素 它不仅能影响焊缝两相中合金元素的分配 还能影响焊缝金属的两相比例 焊接采用高线能量时 尽管会使凝固组织的铁素体晶粒易长大 但是在此 情况下的冷却速度却会促使较多的奥氏体转变 可以得到足够数量的奥氏体 相反 采用低线能量的焊接 即高的冷却速度相对奥氏体的数量也少 这种奥氏体相的转变 属于扩散控制的转变过程 焊接时很难达到相的平 衡状态 从而还会发生其他相的析出反应 如何通过控制焊接线能量及其他的 一些措施以达到减少甚至消除这些析出相的目的也是近年来一个重要的研究课 题 3 析出相的问题 双相不锈钢焊接时 有可能发生三种类型的析出 有时会降低钢的耐腐蚀 性和韧性 这些析出是 铬的氮化物 Cr2N CrN 二次奥氏体 2 金属间 相 相等 关于氮化物的析出 当焊缝金属铁素体数量过多或为纯铁素体组织时 很 容易有氮化物的析出 这是由于在高温时 氮在铁素体中的溶解度增加 快速 冷却时溶解度又下降的缘故 尤其在靠近焊缝表面的部位 由于氮的损失 使 铁素体数量增加 氮化物更容易析出 这对焊缝金属的耐腐蚀性有直接的影响 焊缝金属若是健全的两相组织 氮化物的析出量很少 因此为了增加焊缝金属 的奥氏体数量在填充金属中提高镍 氮元素量是有效的 另一方面也应避免采 用过低的线能量进行厚壁件的焊接 以防止纯铁素体晶粒的生成而引起氮化物 长春工业大学本科生毕业论文 15 的析出 关于二次奥氏体的析出 这在含氮量高的超级不锈钢 N0 3 多层焊接时会 出现 由于后续焊道又采用高的线能量时 部分铁素体会转变成细小分散的二 次奥氏体 2 这种 2也和氮化物一样会降低焊缝的耐腐蚀性 尤其以表面 影响更大 2的形成温度比一次奥氏体要低 约在 800 它的成分也与一次 奥氏体不同 2中的铬 铝和氮含量都比一次奥氏体中低 尤其是氮含量显著 降低 为抑制 2的析出 一是通过增加填充金属的奥氏体量来控制焊缝金属 的铁素体量 二是需注意线能量的控制 避免根部焊道采用低线能量 尤其是 当第二道线能量较高时更是如此 其目的是在第一焊道后即需得到最大的奥氏 体转变和相对平衡的元素分配 这样在后续焊道再加热时 能够有最小的 Cr2N 和 2析出 因此 对多层焊接时 开始 2 3 道焊道参数的选择也很重要 关于 相的析出 一般说焊接时采用较高的线能量和较低的冷却速度有利 于奥氏体的转变 减少焊缝金属的铁素体量 但是线能量过高和冷却速度过慢 又会带来金属间相的析出问题 一般焊缝金属不常发现有 相析出 但在焊接 材料或线能量选用不合适时 也有可能出现 相 综上所述 为了获得最佳的性能结果 一般必须采用足够高的线能量以保 证在焊缝 HTHAZ 奥氏体的再形成 通常焊缝金属的奥氏体量控制在 60 70 范 围 但是也不希望过高的线能量 最高层间温度控制在 100 1 2 2 焊接材料与焊接方法焊接材料与焊接方法 1 2 2 11 2 2 1 焊接材料焊接材料 4 4 对于含氮的双相不锈钢和超级双相不锈钢的填充材料通常采用镍含量比母 材高和氮含量与母材相同的材料 以保证焊缝金属有足够的奥氏体量 国外针 对常用双相不锈钢采用的填充金属牌号及其典型成分见表 1 3 1 典型化学成分 质量分数 母材焊接方法填充金属 牌号 CSiMnPSCrNiMoN 焊缝的 TIG MIG SAW22 8 3 L0 020 51 60 020 01522 5830 14 30 40 22 9 3 LR0 031 00 80 030 02522 5930 12 30 40 SMAW 22 9 3 LB0 040 50 80 030 02522930 15 30 40 SAF 2304 和 SAF 2205 FCAW22 9 3 LT0 031 01 50 030 02522 5930 15 30 40 SAF TIG MIG SAW25 10 4 L0 020 30 40 020 020251040 25 30 40 长春工业大学本科生毕业论文 16 25 10 4 LR0 030 50 70 030 025251040 25 30 40 2507SMAW 25 10 4 LB0 040 40 90 030 02525 59 540 25 30 40 表 1 3 双相不锈钢同种钢焊接所采用的填充金属 注 TIG 一钨极氩弧焊 MIG 一熔化极氢弧焊 SAW 一埋弧焊 MMA 一手工电弧 焊 FCAW 一溶剂芯电弧焊 药芯焊丝电弧焊 填充金属牌号后的符号 L 一焊丝 LR 一钦型焊条 LB 一碱性焊条 LT 一药芯 焊丝 1 2 2 21 2 2 2 焊接方法焊接方法 双相不锈钢因受其自身的冶金特性的制约 在选择焊接方法时应遵循如下 原则 1 避免使用过低或过高的焊接线能量 热输入 过低的线能量会使奥氏体 相析出大量减少 甚至形成纯铁素体组织 工艺和使用性能大幅度降 低 因此 电子束焊应避免采用 过高的线能量会使焊缝金属和 HTHAZ 晶粒粗大 韧性下降 除电渣焊不能采用外 埋弧焊在使用上也将受 到限制 2 适宜使用多层焊 采用多道焊 合理控制线能量以及层间温度 这样后 一道对前一道起到了固溶处理的作用 可以使更多的奥氏体析出 保证 焊接热影响区的性能 在焊接方法的选用上应考虑满足多层焊的要求 多道次和低熔敷率 双相不锈钢常用的焊接方法是手工电弧焊和钨极氢弧焊两种 手工电弧焊 适用于全方位的焊接 通用性和灵活性较好 是简便易行 大量使用的方法 就双相不锈钢而言 钛型 金红石型 药皮焊条比碱性焊条的焊接性要好 前者 有良好的脱渣性 尤其对管子根部焊道的脱渣有利 但是对焊件的低温力学性 能有要求时 尤其是韧性 仍需要考虑采用碱性焊条 为防止产生气孔 焊前 焊条需经 250 350 2h 的烘烤 或者采用超耐湿焊条 钨极氢弧焊通常用于 管接头的根部焊道 或用于管道的自动焊接 也常用于薄板或管和管板接头的 焊接 此方法能保护焊件有很好的力学性能 通常采用纯 Ar 或 Ar 2 N2作为保 护气体 在单面焊双面成型焊接时 不论采用何种接头形式 背面保护气体 根 气 是必要的 通常采用纯 Ar 或 Ar 2 N2 至于埋弧焊 近年也有使用此方法焊接双相不锈钢的厚板 此法的问题是 稀释率较大 通过合适的坡口形式 正确的热输入以及严格控制层间温度 可 长春工业大学本科生毕业论文 17 以对稀释率加以控制 当焊接厚壁件时 最初熔敷的几层焊道金属因稀释率较 大 铁素体量增加 加之冷却速度过慢 有可能使焊缝金属和焊接 HAZ 脆化 与前两法相比 此种方法焊接双相不锈钢用的不是很多 1 31 3 选题的背景及意义选题的背景及意义 本论文的研究对象源自中油吉林化建公司 中油吉林化建公司建成并投产 的国内最大乙烯装置之一 本论文的研究对象就是在该装置的施工中裂解炉炉管用双相不锈钢焊接工 艺的评定 此次所用到的双相不锈钢为 SAF2205 双相不锈钢 在化工行业的应 用中得到重视 裂解炉炉管焊焊缝的质量是保证中油化建公司大型装备长期安全 稳定运 作的关键环节 一旦裂解炉管道发生腐蚀穿孔或破裂 必将影响装置的正常运 作 从而带来巨大的经济损失和严重的社会影响 因此开展 SAF2205 双相不锈 钢管直焊缝焊接工艺的研究 保证焊接接头具有良好的力学性能和抗腐蚀性能 具有重要的现实意义 双相不锈钢自问世以来 其焊接就一直是大家研究的焦点 第一代双相不 锈钢 0Cr25Ni5Mo1 5 0Cr21Ni8Mo2 5 含较高的碳 0 08 0 10 和较高的铁素体 量 约 70 焊接热影响区几乎全部为单相铁素体组织 这样就导致焊接热影 响区 HAZ 的力学性能和耐腐蚀性很差 焊接 HAZ 不可避免地有碳化物析出 对 晶间腐蚀敏感 从而限制了双相不锈钢作为焊接结构件的使用 第一代双相不 锈钢发展的晚期 以耐应力腐蚀的 3RE6O 00Cr18Ni5Mo3Si2 钢为代表 尽管其 含碳量己降至 0 03 以下 由于钢中铁素体含量较高 在高温段热影响区仍接 近单相铁素体 在铁素体中碳的溶解度较低 沿晶界还有碳化物析出 造成局 部的铬贫化 国内将相应于 3RE6O 牌号的双相不锈钢中加入了 0 08 左右的氮 并通过成分控制母材的相比例后 使高温热影响区的组织有所改善 但近缝区 往往仍有一二个晶粒宽度的组织是单相铁素体 对晶间腐蚀仍有一定程度的敏 感 随后发展的第二代双相不锈钢 00Cr22Ni5Mo3N 00Cr25Ni6Mo2N 都是超低 碳 含 氮 具有最佳的两相比例 铁素体相和奥氏体相约各占一半 并且提高了填充 材料的 含镍量 使焊缝和焊接热影响区保持有足够的奥氏体量 从而改善了焊接接头 的塑性和耐腐蚀性 使焊接结构件的应用有了很大的发展 近十几年来 双相 长春工业大学本科生毕业论文 18 不锈钢的需求 量成倍增长 尤其是近年来随着第三代超级双相不锈钢的步入市场 需要更深 的焊接 冶金学知识以解决这种高合金双相不锈钢的焊接问题 这种钢焊接时易析出金 属间 相 对线能量和层间温度必须严格控制 双相不锈钢的焊接与奥氏体不锈钢的焊接比较 焊缝的热裂纹倾向低 与 铁素体 不锈钢的焊接相比较 焊接接头焊后状态的脆化程度低 而且热影响区 HAZ 中 单相 铁素体相的粗化程度也较低 双相不锈钢焊接的最大特点是焊接热循环对焊接 接头组 织的影响 无论焊缝或是 HAZ 都会有重要的相变发生 这时焊件的性能 如塑 性和耐 腐蚀性都有很大的影响 因此双相不锈钢焊接的关键是要使焊缝金属和焊接 HAZ 均保 持有适量的铁素体和奥氏体组织 双相不锈钢焊接的最大特点是焊接热循环对焊接接头组织的影响 因此 开展对 SAF2205 双相不锈钢管焊接工艺的研究 设计并评定最佳焊接工艺参数 保证 焊接接 头具有良好的力学性能和抗