焊接熱輸入對25Cr35NiNb+微合金爐管焊接接頭性能的影響

任明皓 劉春嬌 連曉明 卜華全

摘要：選用6組焊接熱輸入對25Cr35NiNb+微合金材質的乙烯裂解爐爐管進行焊接，研究各組焊接熱輸入對應的焊縫組織和焊接接頭高溫持久性能。結果表明：在試驗溫度1 050 ℃、試驗應力25 MPa的條件下，焊接熱輸入為9 kJ/cm、11 kJ/cm時，高溫持久斷裂時間分別為132 h、119 h;焊接熱輸入為6、8、12、16 kJ/cm時，高溫持久斷裂時間分別為78 h、84 h、105 h、109 h;熱輸入為9～11 kJ/cm的25Cr35NiNb+微合金爐管焊接接頭能夠獲得較長的高溫持久斷裂時間。微觀組織觀察發(fā)現，不同的焊接熱輸入下焊縫金屬的微觀組織形貌存在明顯差異，是造成焊接接頭的高溫持久性能變化的主要原因。

關鍵詞：乙烯裂解爐爐管;焊接熱輸入;焊縫組織;高溫持久性能

0 前言

乙烯裂解爐爐管作為裂解爐的核心部件，長期在高溫、滲碳介質環(huán)境以及一定的應力條件下服役，最高設計溫度達1 150 ℃[1-3]。一根裂解爐管長約15 m，通常由3～5根離心鑄造爐管焊接而成，乙烯裂解爐管上的典型焊縫如圖1所示。

乙烯裂解爐管服役過程中，因焊接接頭高溫蠕變性能較差而產生的開裂現象時有發(fā)生。某乙烯企業(yè)SL-IIM型裂解爐自投用4～6年間共發(fā)生4次焊縫及熱影響區(qū)開裂，嚴重影響生產計劃，造成較大的經濟損失[4]。某乙烯裂解輻射爐在施工時發(fā)現爐管焊縫共存在32處裂紋等缺陷，熱裂紋照片如圖2所示[5]。

對爐管進行焊接時，若焊接工藝選擇不當，極易在焊縫或熱影響區(qū)產生未焊透、咬邊、熱裂紋等焊接缺陷[6-7]。HG/T2601-2011標準要求乙烯裂解爐爐管焊接接頭的力學性能不得低于母材性能。在爐管焊接中，由于焊接接頭的高溫性能較差，焊縫依然是乙烯裂解爐管服役時的薄弱位置。文獻[5]最終解決了焊接缺陷，但并未提及爐管焊接接頭的高溫持久性能。在HG/T 2601-2011《高溫承壓用離心鑄造合金爐管》標準中，焊接接頭的抗高溫蠕變性能是乙烯裂解爐管中重要的性能指標之一，直接影響乙烯裂解裝置的長周期安全運行[5]。

文中采用6種不同的焊接熱輸入對典型爐管材料25Cr35NiNb+微合金進行焊接試驗，研究焊接熱輸入對焊接接頭性能的影響。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料為25Cr35NiNb+微合金離心鑄造爐管，直徑φ60 mm，壁厚7.5 mm，化學成分如表1所示。焊絲選用同質焊絲，直徑2.4 mm。熔敷金屬的化學成分如表2所示。

1.2 焊接工藝

試板采用手工鎢極氬弧焊進行焊接，氬氣純度≥99.99%。待焊爐管試板采用對接接頭、Y型坡口，焊接工藝參數如表3所示。爐管焊接為多層多道焊，每對爐管打底焊電流均為90 A，電壓11 V，層間溫度不超過100 ℃。由于爐管為高鉻鎳合金，其熔池中的液態(tài)金屬流動性較差，在焊接過程中必須采取措施，確保焊接試板無未焊透、氣孔等缺陷。

1.3 試驗方法

采用SHT4505型電液伺服萬能材料試驗機在23±5 ℃的實驗室大氣環(huán)境中進行室溫拉伸試驗，選用直徑8 mm的圓形截面室溫拉伸試樣。

采用RDJ-30型機械式持久試驗機進行高溫持久試驗，在1 050 ℃、25 MPa拉伸應力作用下測試焊接接頭試樣的高溫持久性能。

采用配有Oxford的X射線能譜儀ZEISS Supra 40場發(fā)射掃描電子顯微鏡對爐管金相試樣進行微觀觀察分析。

2 試驗結果與討論

2.1 室溫拉伸試驗

不同熱輸入下的25Cr35NiNb+微合金爐管焊接接頭室溫拉伸性能如圖3所示。根據HG/T2601要求，25Cr35NiNb+微合金爐管室溫拉伸試驗屈服強度最低值均為250 MPa，抗拉強度最低值均為450 MPa。從圖中可以看出，在不同熱輸入下，25Cr35NiNb+微合金爐管焊接接頭的室溫拉伸性能均滿足母材的要求。

2.2 高溫持久試驗

根據HG/T2601要求，在1 050 ℃、25 MPa拉力下，25Cr35NiNb+微合金爐管的高溫持久斷裂時間應大于100 h。爐管焊接接頭的高溫持久試驗結果如圖4所示。25Cr35NiNb+微合金爐管在熱輸入為9 kJ/cm時，持久斷裂時間為139 h;熱輸入11 kJ/cm時，持久斷裂時間為119 h;熱輸入為6 kJ/cm時，持久斷裂時間為78 h，沒有達到標準要求。

2.3 焊接接頭的顯微組織分析

根據6個試樣的焊接接頭高溫持久斷裂時間，將焊接熱輸入范圍分成3組，分別為6～8 kJ/cm、9～11 kJ/cm、12～16 kJ/cm，并觀察其焊縫組織。

熱輸入分別為6、9、12 kJ/cm時的焊接接頭電子金相照片如圖5～圖7所示，其顯微組織為奧氏體和沿晶界分布的碳化物。3種熱輸入下焊縫組織均呈骨架狀，基體均為奧氏體，焊縫組織有析出相存在（見圖5a、圖6a、圖7a）。其中塊狀、細條狀分布碳化物為Cr的碳化物，短棒狀、顆粒狀碳化物為Nb的碳化物（見圖5b、圖6b、圖7b）。

在高溫持久試驗后，觀察熱輸入分別為6 kJ/cm、9 kJ/cm的焊接接頭試樣的焊縫組織，結果如圖8所示。在熱輸入為9 kJ/cm時，焊縫組織仍呈骨架狀，焊縫區(qū)枝晶明顯粗化，枝晶間析出相大量增多，析出相碳化物種類與持久試驗前一致，為灰白色NbC與灰黑色CrC（見圖8a）。在采用熱輸入6 kJ/cm時，高溫持久后焊縫組織骨架狀特征不明顯（見圖8b）。

2.4 討論

作為典型的乙烯裂解爐管材料，25Cr35NiNb+微合金的Cr、Ni較高，焊接性較差。25Cr35NiNb+微合金爐管的焊縫組織為奧氏體+沿骨架狀晶界析出的碳化物。焊接熱輸入為9～11 kJ/cm時，大量的析出相呈骨架狀偏聚在晶界上，在高溫持久過程中阻礙了位錯滑移[9-10]，從而提高了材料的持久性能;當熱輸入較?。?～8 kJ/cm）時，其骨架狀結構并不明顯，在高溫持久過程中，析出相對位錯滑移的釘扎作用有限，不利于材料的高溫持久性能;當熱輸入過大（12～16 kJ/cm）時，熔池存在時間越長，焊縫凝固時間就越長，促使合金元素的均勻擴散，導致形成析出物過少，不利于高溫性能的提高。

3 結論

為了獲得優(yōu)異的高溫持久性能，在6～16 kJ/cm范圍內選用了6種焊接熱輸入對25Cr35NiNb+微合金爐管進行焊接，并進行了電子金相觀察、室溫拉伸試驗及高溫持久試驗，研究了焊接熱輸入對25Cr35NiNb+微合金爐管焊接接頭性能的影響，得到以下結論：

（1）焊接熱輸入對爐管組織及高溫持久性能有明顯影響，當熱輸入在9～11 kJ/cm范圍內時，焊縫組織均勻，析出相呈骨架狀，高溫持久性能較佳。

（2）熱輸入為9～11 kJ/cm時，高溫持久時間較長，高溫持久性能較好。

參考文獻：

[1] 連曉明，陳學東，呂運容，等. 高溫時效對25Cr35Ni-Nb合金碳化物的影響[J]. 壓力容器，2011，28（8）：1-5。

[2] 侯懷宇. 舊裂解爐管焊接常見缺陷探討[J]. 電焊機，2017， 47（5）：116-119.

[3] Swaminathan J，Guguloth K，Gunjan M K，et al. Failureanalysis and remaining life assessment of service exposedprimary reformer heater tubes[J]. Engineering Failure An-alysis，2008（15）：311-331.

[4] 陳濤，陳學東，艾志斌，等. 35Cr45NiNb+裂解爐管焊縫開裂原因分析[J]. 金屬熱處理，2015，40（10）：365-370.

[5] 陳濤，陳學東，呂運容，等. 國產乙烯裂解爐管抽樣檢測狀況[J]. 壓力容器，2014，3（31）：45-55.

[6] 耿魯陽，鞏建鳴，姜勇. 對多起乙烯裂解爐HP型爐管失效原因的分析總結[J]. 壓力容器，2011，28（12）：48-53.

[7] 石廣湖. 裂解爐輻射爐管焊縫返修工藝[J]. 金屬加工（熱加工），2014（16）：43-44.

[8] HG/T2601-2011，高溫承壓用離心鑄造合金爐管[S].

[9] 陳思，徐仁根，晁代義，等. 含微量Zr、Ti的Cr35Ni45Nb奧氏體不銹鋼的微觀組織結構與力學性能[J]. 材料導報，2015，29（S2）：494-497.

[10] 汪柏岐，李娟，鐘玉，等. 焊接線能量對熔敷金屬組織形成的影響[J]. 西華大學學報（自然科學版），2007，26（1）：33-35.