乙烯裂解爐爐管與急冷器連接焊口焊材的選擇

牛宗志 唐元生

中石化第十建設(shè)有限公司 山東青島 266500

中石化第十建設(shè)有限公司（以下簡稱中石化十建）承建的煙臺(tái)萬華乙烯項(xiàng)目中6 臺(tái)裂解爐施工項(xiàng)目，由惠生工程有限公司設(shè)計(jì)并提供爐管和焊絲，中石化十建負(fù)責(zé)安裝施工。裂解爐爐管25Cr35Ni 與急冷器Incoloy800H 連接為異種鋼焊口。其中1# 裂解爐施工焊接前，項(xiàng)目部查閱裂解爐施工設(shè)計(jì)文件，沒有專門提出此類異種鋼焊縫焊材型號(hào)（牌號(hào)）的選擇。項(xiàng)目部根據(jù)其他項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件和施工經(jīng)驗(yàn)，并依據(jù)SH/ T 3417- 2018 附表A.5 選用焊絲ERNiCr- 3，并采用相應(yīng)匹配焊接工藝評(píng)定進(jìn)行驗(yàn)證，完成了1# 爐焊接施工。公司采用ERNiCr- 3 焊接此類焊縫，業(yè)績較多，且沒有重大爐管生產(chǎn)中失效的先例。

但施工過程中，有焊接工程師提出疑問，裂解爐爐膛內(nèi)爐管的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)溫度為915℃，同樣根據(jù)SH/ T 3417- 2018 附表A.1 各類焊接材料的選用表中注第5條，對(duì)于母材Incoloy800H 的焊材選用，工作溫度低于790℃時(shí)選用ERNiCr- 3，高于790℃時(shí)推薦選用ERNiCrCoMo- 1。施工方認(rèn)為，該選用表為同種材料Incoloy800H 對(duì)接焊縫在此條件下的選材,非異種鋼焊縫在此條件下的選材。

1 焊材技術(shù)分析

1.1 與標(biāo)準(zhǔn)主編溝通

施工方通過與SH/ T 3417- 2018 主編溝通，了解到該標(biāo)準(zhǔn)中的焊材選用表格引用美國標(biāo)準(zhǔn)API582，焊材選用參照美國焊材公司SMC 推薦表，選用焊絲ERNiCr- 3。

目前國內(nèi)并沒有這種異種鋼焊縫采用ERNiCr- 3 和ERNiCrCoMo- 1 焊接對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)論。

1.2 焊材性能分析

對(duì)幾種母材和焊材的化學(xué)成分和力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比，詳見表1。母材主要化學(xué)成分為Ni、Cr、Fe。焊絲ERNiCr- 3 主要化學(xué)成分為Ni、Cr，且抗拉強(qiáng)度高于母材。按照高合金選材“等化學(xué)成分、等強(qiáng)度原則”，焊絲ERNiCr- 3 為匹配焊材。焊絲ERNiCrCoMo- 1 含有一定量的Co、Mo 元素，是為了提高焊縫的抗高溫強(qiáng)度，但母材中并沒有這兩種元素。

表1 爐管與急冷器母材與焊材成分及性能對(duì)比 %

查閱相關(guān)資料，焊絲ERNiCrCoMo- 1 為焊材生產(chǎn)廠家推薦， 并沒有相關(guān)研究數(shù)據(jù)， 無法提供ERNiCrCoMo- 1 和ERNiCr- 3 在此類爐管焊縫中性能對(duì)比，且沒有ERNiCr- 3 焊縫會(huì)導(dǎo)致爐管高溫下提前失效的案例。

文獻(xiàn)[1]提出，Ni 在焊縫中含量為40%～60%時(shí)，在高溫下為危險(xiǎn)區(qū)域，容易出現(xiàn)Ni- Ni3S2（熔點(diǎn)為645℃）。此時(shí)在焊縫中有液相產(chǎn)生，導(dǎo)致晶粒熔化脫落。查閱相關(guān)資料，焊材ERNiCr- 3 熔覆金屬Ni 含量≥67%，超過了Ni元素在高溫下的危險(xiǎn)區(qū)域；而ERNiCrCoMo- 1 中的Ni元素恰恰在40%～60%之間，是Ni 合金在高溫下的危險(xiǎn)區(qū)域，需引起關(guān)注。

2 焊接對(duì)比試驗(yàn)

考慮可能在下一步的裂解爐爐管施工中會(huì)存在同樣的問題，分別選用ERNiCr- 3、ERNiCrCoMo- 1 和ER21- 33MnNb 三種型號(hào)焊絲的焊接接頭（分別簡稱為LG- 1、LG- 2 和LG- 3）進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)條件根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)文件要求及廠家提供的技術(shù)資料設(shè)定。試驗(yàn)過程中，分別對(duì)焊接試件進(jìn)行了常溫拉伸、高溫短時(shí)拉伸、高溫持久拉伸等試驗(yàn)。

裂解爐爐管材質(zhì)25Cr35Ni 和急冷器Incoloy800H的異種鋼管道規(guī)格為Φ65mm×δ6mm，焊接方法為GTAW，焊絲直徑為Φ2.4mm。工藝條件盡可能相同，焊接電流為80～120A，電弧電壓為8～12V，打底焊接速度為4 ～10cm/ min，2—4 層 填 充 蓋 面 焊 接 速 度 為5 ～12cm/ min。焊接坡口和填充焊道示意圖如圖1 所示。

圖1 坡口及其填充焊道示意圖

2.1 室溫下接頭抗拉強(qiáng)度

利用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)3 種焊材的焊接接頭試樣進(jìn)行室溫強(qiáng)度測試，結(jié)果如圖2 所示。由圖可見，采用不同焊絲的焊接接頭室溫拉伸強(qiáng)度均在500MPa 及以上，具有較高的焊縫強(qiáng)度。但通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用LG- 1、LG- 2 接頭比LG- 3 接頭具有更高的斷裂強(qiáng)度，其斷裂位置也主要位于母材位置；LG- 3 接頭焊接接頭則出現(xiàn)了母材斷裂和焊縫斷裂兩種形式，表明接頭性能穩(wěn)定性相對(duì)較弱。

圖2 不同類型接頭的室溫強(qiáng)度及主要斷裂位置

2.2 高溫抗拉強(qiáng)度

為了進(jìn)一步測試異種鋼焊接接頭高溫性能，利用高溫拉伸機(jī)對(duì)3 種接頭焊接試樣進(jìn)行高溫強(qiáng)度測試。將焊接試件按照?qǐng)D3 所示尺寸經(jīng)機(jī)械加工后制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，然后按照國標(biāo)GB/ T 228.2—2015 試驗(yàn)方法開展高溫拉伸試驗(yàn)。高溫拉伸測試溫度為900℃，拉伸速率為0.5mm/ min。為準(zhǔn)確反應(yīng)接頭高溫性能，每個(gè)試樣分別測試3 組。

圖3 高溫強(qiáng)度測試試樣尺寸

采用不同焊絲的焊接接頭高溫拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線如圖4 所示。通過應(yīng)力- 應(yīng)變曲線可以看出，LG- 3 接頭的性能波動(dòng)最大，采用LG- 1 和LG- 2 焊接接頭的穩(wěn)定性均高于LG- 3。

圖4 接頭高溫拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5 為3 種接頭的平均拉伸強(qiáng)度及延伸率，由圖可見，LG- 1 和LG- 2 接頭的平均抗拉強(qiáng)度均高于LG- 3 接頭，且前兩者的延伸率波動(dòng)較小。在三類接頭中，LG- 1 接頭高溫抗拉強(qiáng)度最高，為（332±10）MPa；而LG- 2 接頭具有最小的強(qiáng)度和延伸率波動(dòng)，說明采用該牌號(hào)焊絲制備的接頭穩(wěn)定性較好。

圖5 采用3 種焊絲的接頭抗拉強(qiáng)度及延伸率對(duì)比

圖6 為采用不同填充焊絲的接頭高溫拉伸斷裂形貌，可以發(fā)現(xiàn)不同種類接頭主要有3 種斷裂形式，即（i）焊縫開裂、（ii）熔合區(qū)開裂和（iii）母材開裂。其中LG- 1、LG- 2 的接頭斷裂方式以ii 和iii 為主，而LG- 3 接頭斷裂方式以i 和ii 為主。結(jié)合LG- 3 接頭的顯微組織變化，認(rèn)為焊絲中Mn 元素的存在，提高了熔池的過冷度，一方面使基體的晶粒形貌發(fā)生了較大變化，另一方面促進(jìn)了富Mn 和Nb 的強(qiáng)化相的生成，使焊縫位置硬度變化比較劇烈，極大降低了焊縫位置的組織及硬度均勻性，是誘發(fā)裂紋在焊縫內(nèi)部萌生并擴(kuò)展的主要原因。因此，認(rèn)為LG- 3 焊絲不適合制備高性能的25Cr35Ni/ Incoloy800H異種金屬接頭。

圖6 不同焊絲接頭高溫拉伸斷裂位置

與LG- 2 接頭幾乎全部斷裂在母材相比，用LG- 1接頭會(huì)斷裂在熔合區(qū)。這主要與接頭熔合區(qū)形貌和強(qiáng)化相的產(chǎn)生有密切關(guān)系。LG- 1 接頭熔合區(qū)位置晶粒形貌變化相對(duì)較大，形成了大量細(xì)小的樹枝晶，導(dǎo)致了該位置出現(xiàn)明顯的晶界強(qiáng)化效應(yīng)，此外，在LG- 2 接頭中，Mo 元素的加入提高了A3 和A1 溫度，使其析出的強(qiáng)化相尺寸更小，含量也更少，因此在熔合區(qū)位置并沒有出現(xiàn)硬度陡升的現(xiàn)象。

綜合分析，由于LG- 2 接頭在整個(gè)焊縫位置硬度變化較小，僅略高于兩側(cè)母材，這使得焊縫具有較高的高溫強(qiáng)度；而LG- 1 焊絲接頭的熔合區(qū)顯微組織及強(qiáng)化相變化相對(duì)穩(wěn)定，熔合區(qū)硬度波動(dòng)較小，組織均勻性相對(duì)較好，因此裂紋擴(kuò)展的路徑更加復(fù)雜，這在一定程度上會(huì)提升接頭整體強(qiáng)度，因此LG- 1 接頭具有最高強(qiáng)度。

2.3 高溫持久性能

進(jìn)一步進(jìn)行了接頭的高溫持久力學(xué)性能測試，主要分為兩部分進(jìn)行。

（1）以主要應(yīng)用在爐膛內(nèi)的母材即20Cr32Ni 的高溫持久力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)要求，制定了以下試驗(yàn)條件：在恒定應(yīng)力等于40MPa，溫度為900℃的環(huán)境下，開展大于120h的等壓等溫測試（標(biāo)準(zhǔn)要求母材的最小斷裂時(shí)間應(yīng)大于120h）。

（2）為進(jìn)一步探索材料的蠕變極限，在溫度為900℃的環(huán)境下，施加的恒定應(yīng)力分別為100MPa 與150MPa，測試接頭斷裂時(shí)間及應(yīng)變變化情況。

所有樣品尺寸均按照GB/ T 2039—1997 金屬拉伸試驗(yàn)方法制備，并開展高溫性能測試試驗(yàn)。圖7 為高溫持久力學(xué)性能測試完成前后部分接頭的宏觀形貌圖，由圖可見，經(jīng)過長達(dá)120h 的高溫持久試驗(yàn)后，所有接頭均未發(fā)生斷裂。對(duì)接頭LG- 1 的測試時(shí)間進(jìn)一步延長（＞200h），也沒有發(fā)現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。證明采用3 種不同焊絲的接頭高溫持久強(qiáng)度均滿足了對(duì)20Cr32Ni 的高溫持久力學(xué)性能的要求。

圖7 高溫持久力學(xué)性能測試前后接頭的宏觀形貌對(duì)比圖

圖8 為在40MPa 恒定應(yīng)力、900℃的溫度下，3 種焊接接頭的應(yīng)變隨試驗(yàn)時(shí)間的具體變化情況。通過分析高溫時(shí)間與應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)隨著測試時(shí)間的延長，3 種接頭的應(yīng)變緩慢增加，與測試時(shí)間幾乎呈線性相關(guān)關(guān)系，并且三種接頭的測試曲線幾乎完全一致。當(dāng)測試時(shí)間為120h時(shí)，接頭應(yīng)變約為0.3%。若以伸長率為0.2%時(shí)作為接頭的蠕變極限應(yīng)變，其蠕變極限在當(dāng)前測試條件下可以表示為σ0.2900/ 70=40MPa，即試驗(yàn)溫度為900℃時(shí)，經(jīng)70h試驗(yàn)后，允許伸長率為0.2%時(shí)的蠕變極限為40MPa。

圖8 三種接頭持久性能隨時(shí)間變化曲線

2.4 高溫持久蠕變性能

由于獲取完整焊接接頭的高溫蠕變斷裂極限需要開展大量及長時(shí)間的高溫試驗(yàn)，因此需要耗費(fèi)大量的時(shí)間及成本。所以本次通過短時(shí)高溫拉伸試驗(yàn)，獲得高溫抗拉強(qiáng)度，為分析蠕變斷裂極限提供部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。圖9—圖11分別為溫度900℃、拉伸應(yīng)力分別為100MPa 和150MPa條件下，3 種接頭應(yīng)變與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系。

圖9 不同拉應(yīng)力下LG- 1 焊接接頭高溫性能曲線

圖10 不同拉應(yīng)力下LG- 2 焊接接頭高溫性能曲線

圖11 不同拉應(yīng)力下LG- 3 焊接接頭高溫性能曲線

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)力提升至100 和150MPa，接頭均在比較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生了斷裂。由于三種接頭均斷裂在了母材，即20Cr32Ni 側(cè)，所以其應(yīng)變與試驗(yàn)時(shí)間變化曲線也幾乎完全一致。隨著應(yīng)力從100MPa 提升至150MPa 時(shí)，接頭發(fā)生斷裂的時(shí)間從30min 急劇降低為3min。若同樣以當(dāng)前測試條件下，伸長率為0.2%時(shí)作為接頭的蠕變極限應(yīng)變，當(dāng)加載的一瞬間即可達(dá)到0.2%的蠕變極限應(yīng)變，因此接頭完全不能在當(dāng)前測試條件下長時(shí)間服役。通過部分測試可以看出，由于3 種接頭在母材位置失效，說明在該測試環(huán)境下接頭高溫性能優(yōu)于母材，因此初步判斷接頭可以在母材允許服役的環(huán)境中使用，且不會(huì)先于母材失效。但如需獲得整個(gè)接頭的疲勞極限，仍需要進(jìn)一步開展高溫性能測試試驗(yàn)，獲取更多數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

（1）通過調(diào)研、試驗(yàn)對(duì)比分析，采用ERNiCr- 3 和ERNiCrCoMo- 1 比ER21- 33MnNb 焊接材料的接頭具有更高的常溫力學(xué)性能。

（2）3 種焊材接頭均能滿足母材20Cr32Ni 的高溫持久力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3） ERNiCr- 3 焊接接頭高溫抗拉強(qiáng)度最高；ERNiCrCoMo- 1 焊接接頭強(qiáng)度和延伸率波動(dòng)最?。籈R21- 33MnNb 焊接接頭多在焊縫處開裂，相較而言高溫強(qiáng)度最低。

以上試驗(yàn)沒有考慮裂解爐高溫腐蝕、碳化的影響，試驗(yàn)結(jié)果供裂解爐此類異種鋼焊接接頭的選材參考。