乙烯裂解爐高合金爐管異種鋼焊接組織性能及強(qiáng)化相分析

張勝男 唐元生 馬 宏 趙 茜

1.中石化第十建設(shè)有限公司 山東青島 266555；2.山東大學(xué) 山東濟(jì)南 256510

提高裂解溫度是提高乙烯裂解爐熱效率和生產(chǎn)能力的有效措施，但隨著裂解溫度的提高，對(duì)乙烯裂解爐爐管材質(zhì)的高溫性能提出了更高的要求。乙烯裂解爐爐管常用材質(zhì)為高合金含量的鐵鎳基合金，如20Cr- 32Ni- Nb、25Cr- 35Ni- Nb 和35Cr- 45Ni- Nb 等。這些高合金爐管通常在高溫下具有良好的瞬時(shí)強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和蠕變性能。乙烯裂解爐內(nèi)還存在多處異種鋼焊接接頭，這些異種鋼焊接接頭也應(yīng)具有與母材匹配的高溫性能。但不同的乙烯裝置設(shè)計(jì)單位對(duì)爐管異種鋼焊接接頭焊材型號(hào)的選擇不盡相同。以下選取一種典型的高合金爐管異種鋼焊接接頭（20Cr- 32Ni- Nb 與25Cr- 35Ni- Nb），進(jìn)行基體組織和強(qiáng)化相研究，并結(jié)合其他力學(xué)性能數(shù)據(jù)，分析不同焊材選擇對(duì)組織成分的影響，及其導(dǎo)致不同焊接接頭機(jī)械性能差異的原因。

1 母材及焊接接頭機(jī)械性能

20Cr- 32Ni- Nb 與25Cr- 35Ni- Nb 母材Cr、Ni 合金含量總差異在10%左右，屬于典型的乙烯裂解爐高合金爐管材料。20Cr- 32Ni- Nb 最高許用溫度為900℃，25Cr- 35Ni- Nb 最 高 許 用 溫 度 為 1100℃ 。20Cr- 32Ni- Nb 與25Cr- 35Ni- Nb 異種鋼焊接接頭機(jī)械性能指標(biāo)參照20Cr- 32Ni- Nb 選取，詳見表1。

表1 20Cr- 32Ni- Nb與25Cr- 35Ni- Nb異種鋼焊接接頭機(jī)械性能指標(biāo)

2 焊接接頭機(jī)械性能分析

為減少試驗(yàn)過程中的誤差，分別選用制造廠商、生產(chǎn)批次、管徑、壁厚完全相同的20Cr- 32Ni- Nb 和25Cr- 35Ni- Nb 母材，采用施工現(xiàn)場(chǎng)焊接常用的ERNiCr- 3、ERNiCrCoMo- 1、ER21- 33MnNb、H4Cr25Ni35Nb 四種焊絲進(jìn)行焊接，并分別編號(hào)：選用ERNiCr- 3 焊絲的焊接接頭編號(hào)為L(zhǎng)G- A；選用ERNiCrCoMo- 1 焊絲的焊接接頭編號(hào)為L(zhǎng)G- B；選用ER21- 33MnNb 焊絲的焊接接頭編號(hào)為L(zhǎng)G- C；選用H4Cr25Ni35Nb 焊絲的焊接接頭編號(hào)為L(zhǎng)G- D。對(duì)上述四種焊接接頭進(jìn)行常溫拉伸、高溫短時(shí)力學(xué)性能、高溫持久性能和高溫蠕變極限試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)四種焊接接頭的常溫拉伸、高溫短時(shí)和高溫持久性能均能達(dá)到對(duì)母材高溫持久性能標(biāo)準(zhǔn)的要求，但LG- A 和LG- B 的接頭強(qiáng)度、延伸率及接頭穩(wěn)定性略高于LG- C和LG- D。

3 母材及熱影響區(qū)基體組織及強(qiáng)化相分析

3.1 母材金相組織分析

圖1 （a） 和 圖1 （b） 分 別 為25Cr35NiNb 和20Cr32NiNb 母材金相組織，通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，兩類母材的基體組織均為魚骨狀?yuàn)W氏體，但25Cr35NiNb 的晶粒略小于20Cr32NiNb，這可能是由于前者晶界處存在著大量的強(qiáng)化相，阻礙了其晶粒的進(jìn)一步長(zhǎng)大所致。圖1（c）和圖1（d）為25Cr35NiNb 和20Cr32NiNb 側(cè)熱影響區(qū)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，與母材相比，兩者晶界處富集的第二相含量明顯增多，但基體晶粒尺寸沒有明顯變化，這可能會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)位置產(chǎn)生一定的第二相強(qiáng)化效應(yīng)。此外，不同道次焊縫位置的熱影響區(qū)差別不大。

圖1 25Cr35NiNb 和20Cr32NiNb 母材及熱影響區(qū)金相組織

3.2 母材強(qiáng)化相分析

圖2（a）為25Cr35NiNb 耐熱鋼中放大1000 倍下顯微組織掃描圖，圖2（b）、（c）、（d）分別為圖2（a）對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的EDS 譜圖。從圖2（a）中可以觀察到片層狀共晶組織沿晶界接析出。結(jié)合表2 各位點(diǎn)的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，共晶組織由白色富Nb 相，即Fe- Ni- Cr- Nb 相，以及深灰色的富Si 相組成。富Nb 相與富Si 相均在晶界處存在，但看不出其先后析出的順序。根據(jù)Fe- Si 二元相圖及Fe- Cr- Ni三元相圖分析，這可能由于在液體冷卻過程中，兩種相的析出溫度處在相似溫度區(qū)間，富Nb 相與富Si 相會(huì)以元素偏析的方式在晶界處析出。

表2 25Cr35NiNb 能譜分析成分表 （at%）

圖2 母材25Cr35NiNb 顯微掃描圖（a）及各點(diǎn)EDS 譜圖（b—d）

圖3（a）為20Cr32NiNb 母材放大1000 倍下的顯微組織圖，圖3（b）和（c）分別為圖3（a）對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的EDS 譜圖。由圖3（a）觀察到共晶組織同樣以片層狀形貌存在于奧氏體基體中。結(jié)合表3 可知，共晶組織僅由白色富Nb相組成。 這是由于20Cr32NiNb 的母材中缺少25Cr35NiNb 中所含有的微量元素導(dǎo)致的。

圖3 20Cr32NiNb 顯微掃描圖及各點(diǎn)EDS 譜圖（b、c）

表3 20Cr32NiNb 能譜分析成分表 （at%）

4 焊接接頭基體組織及強(qiáng)化相分析

分別針對(duì)四種焊接接頭進(jìn)行顯微組織及強(qiáng)化相分析?？紤]到兩側(cè)母材的差異，所分析區(qū)域?yàn)槊康篮缚p和兩道焊縫交界位置的熔合線左側(cè)、中心及熔合線右側(cè)。以LG- A 類焊接接頭典型位置組織成分及強(qiáng)化相為例進(jìn)行分析。

4.1 第一道焊縫組織及強(qiáng)化相分析

圖4 為第一道焊縫的交界面組織，由圖可見，焊縫左右兩側(cè)熔合區(qū)與焊縫中心組織均為奧氏體，但存在一定的形貌差異。焊縫左右兩側(cè)熔合區(qū)由于受到較快冷卻速度和垂直于熔合線溫度梯度的影響，形成了垂直于熔合線向焊縫中心生長(zhǎng)的柱狀晶；而中心區(qū)域由于溫度梯度較小和散熱較慢形成了細(xì)小的等軸奧氏體晶粒組織，且包含了部分由兩側(cè)熔合區(qū)延伸生長(zhǎng)的柱狀晶。

圖4 第一道焊縫的交界面組織

圖5（a）為采用ERNiCr- 3 焊絲焊接的耐熱鋼接頭第一道焊縫中心區(qū)域顯微電子掃描圖，圖5（b）、（c）、（d）分別為圖5（a）對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的EDS 譜圖。結(jié)合表4 中對(duì)焊縫中點(diǎn)的成分分析可知，基體主要由Cr、Ni 等元素組成，白色析出物由富Nb 相組成，并呈顆粒狀彌散分布在晶界處。這可能是由于焊接過程中冷卻速度過快，所以不能形成穩(wěn)定的共晶組織。同時(shí)，在晶界位置并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的富Si相的存在。通過對(duì)基體的EDS 點(diǎn)分析（點(diǎn)3）發(fā)現(xiàn)，其Si 含量高于ERNiCr- 3 焊絲中Si 含量，因此Si 可能以固溶體的形式存在于基體中。

圖5 第一道焊縫中心顯微掃描圖（a）及各點(diǎn)EDS 譜圖（b、d）

表4 第一道焊縫中心能譜分析成分表 （at%）

4.2 第一道、二道焊縫界面位置組織分析

圖6 為第一道和第二道焊縫的交界面組織，由圖可見，焊縫左右兩側(cè)熔合區(qū)與焊縫中心同為奧氏體組織，但形貌存在一定差異。焊縫交界中心的第一道焊縫受第二道焊縫的熱影響，晶粒有略微長(zhǎng)大，且有重熔區(qū)的存在。而第二道焊縫由于受到冷卻速度和溫度梯度的影響，在左側(cè)、中心和右側(cè)均形成了垂直于界面向中心生長(zhǎng)的柱狀晶。焊縫交界熔合區(qū)（右側(cè)）產(chǎn)生了黑色的弧狀條紋，這是由于打磨后表面仍舊比較粗糙，在下一道焊接過程中，可能會(huì)導(dǎo)致熔融的母材材料進(jìn)入到上一道焊縫或者熔合區(qū)的間隙中，進(jìn)而出現(xiàn)了圖中母材或熔融金屬以楔形的方式插入焊縫區(qū)的現(xiàn)象。

圖6 第一道與第二道焊縫的界面組織

4.3 第二道焊縫強(qiáng)化相分析

第二道焊縫中心掃描電子圖和各點(diǎn)EDS 譜圖如圖7所示。結(jié)合表5 中的EDS 點(diǎn)分析結(jié)果，并與第一道焊縫中心對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)晶界處強(qiáng)化相同樣由白色富Nb 相組成。該道焊縫強(qiáng)化相的形貌與第一道焊縫的強(qiáng)化相形貌區(qū)別不大。

表5 第二道焊縫中心能譜分析成分表 （at%）

圖7 第二道焊縫中心顯微掃描圖像（a）和各點(diǎn)的EDS 譜圖（b、c、d）

4.4 四種焊接接頭組織及強(qiáng)化相匯總

采用相同的組織分析方法，對(duì)四種焊接接頭組織成分及強(qiáng)化相進(jìn)行分析，結(jié)果分別見表6 和表7。

表6 不同焊材焊接接頭組織分析匯總

表7 不同焊材焊接接頭強(qiáng)化相分析匯總

5 結(jié)論

對(duì)乙烯裂解爐高合金爐管異種鋼焊接接頭，采用四種不同種類的焊絲制備，并橫向?qū)Ρ炔煌N類焊絲對(duì)接頭顯微組織和性能的影響。

（1）采用四種不同焊絲的接頭焊縫基體組織雖仍為奧氏體組織，但形貌由于受到了焊絲合金元素、散熱條件的影響，在不同位置有著明顯的區(qū)別。在焊縫靠近熔合區(qū)側(cè)，由于受到較快冷卻作用的影響，該位置主要以細(xì)長(zhǎng)柱狀晶和胞狀晶存在。焊縫中心區(qū)域多以胞狀晶或等軸晶組成。而當(dāng)如ER21- 33MnNb 焊絲中含有促進(jìn)二次相形成的Mn 等合金元素存在時(shí)，焊縫處晶粒則由大量的胞狀晶組成。

（2）接頭焊縫中心的強(qiáng)化相顯著受到焊絲合金元素含量的影響，出現(xiàn)了不同種類及形態(tài)。其中ERNiCr- 3 焊絲和ERNiCrMo- 1 焊絲接頭在焊縫位置強(qiáng)化相分別以顆粒狀的富Nb、Cr、Mo 相存在；ER21- 33MnNb 焊絲的接頭強(qiáng)化相在前幾道焊縫處以片狀共晶富Nb、Mn 相存在；H4Cr25Ni35Nb 焊絲的接頭強(qiáng)化相以鏈狀或顆粒狀富Cr 和Nb、Ti 相存在；

（3）ERNiCr- 3 焊絲和ERNiCrMo- 1 焊絲焊接接頭的基體組織及強(qiáng)化相分布均勻性略優(yōu)于ER21- 33MnNb 焊絲和H4Cr25Ni35Nb 焊絲的接頭，其高溫性能較高或具有較高的穩(wěn)定性。所以，建議優(yōu)先選擇ERNiCr- 3 和ERNiCrMo- 1 焊絲。但值得提出的是，其他兩類接頭的性能也達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)母材高溫性能的要求。