耐高温不锈钢

您的当前位置:网站首页 > 耐高温不锈钢 > 310S耐高温不锈钢管的焊接性及方法研究

310S耐高温不锈钢管的焊接性及方法研究

来源:至德钢业 日期:2020-10-22 01:53:01 人气:1451

 浙江至德钢业有限公司以310S不锈钢管为例,分析了中合金铬钼耐高温不锈钢管的焊接性,在此基础上综述了该钢种的不同焊接方法与不同焊接工艺。通过对应用较成熟工艺性能和实施特点比较后提出,在具备焊后热处理条件和大规模施焊情况下,尽可能采用同质材料进行焊接,以避免接头在运行中出现早期失效和降低焊接成本。在不具备热处理条件或现场量少维修情况下,也可采用异质材料进行焊接。同时根据目前焊接方法的发展趋势,提出积极研究背面免保护熔剂焊接以及药芯焊丝等新工艺技术。随着我国能源需求的不断加大,石油加工及化工合成装置在大量建设并得到应用。这些装置的标志性特点是高温、高压且具强烈的腐蚀性,为满足生产,需大量合金材料,如目前使用的高温工艺管线、焦化炉、常压炉及电站锅炉等使用的15CrMo,12Cr1MoVG等低合金珠光体耐热钢管和310S耐高温不锈钢管。而对石化加氢、裂化、重整及加热炉炉管和再生器内取热盘管等含氢介质的高温炉管,则需采用1Cr5Mo,9Cr1Mo等中高合金耐热钢等。本文以310S耐高温不锈钢管为例,讨论目前生产中可采用的焊接工艺方法。


一、310S不锈钢管


从成分看,310S不锈钢管属奥氏体低碳中合金结构钢管,其在1050℃以下具有一定的高温强度和抗氧化性能,在石油介质中的耐热性和耐蚀性很好,因此,广泛应用于我国石化加氢、裂化、重整等设备中。由于310S耐高温不锈钢管中合金含量较高,其焊接性较差,为保证焊接质量,施焊过程中必须采取合理的焊接工艺措施。


  1. 310S耐高温不锈钢管的基本性能及焊接特点310S不锈钢为中合金耐热钢,添加有铬,钼,硅等合金元素。通常在退火状态下供货,管材金相组织是粒状珠光体+少量铁素体的组织。由金属学相关理论可知,铬在钢中的作用有三个方面:①. 表面形成致密的氧化薄膜阻止基体金属的进一步氧化,使钢具有抗高温氧化性;②. 提高钢的电极电位,增强钢的耐腐蚀性;③. 提高钢的淬火性,并有二次硬化作用,提高耐热钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆。钼是强碳化物元素,形成稳定碳化物可以阻止碳的扩散聚集,提高钢在高温下的力学性能,也能降低钢的回火脆性倾向。铬,钼同时存在可显著提高钢的淬透性。硅能溶于铁素体和奥氏体中,提高钢的硬度和强度,其作用仅次于磷,较锰,铬,钼,钨,镍,钒等元素强。但是硅含量不能太高,当硅>3%时,硅会显著降低钢的塑性和韧性。


      a. 冷裂纹倾向冷裂纹形成在马氏体转变温度范围内,即200~300℃。其产生与3个因素有关,即焊缝或热影响区的淬硬组织、焊缝的扩散氢含量及接头的拘束状况。相应地可从三个方面防止冷裂纹产生,淬硬组织可通过合金调整成分或调节焊后焊缝的二次组织转变来调节,使其形成韧性组织。扩散氢含量可通过采用超低氢型焊接材料或工艺措施来保证。接头拘束状况则通过调整接头刚度或焊接顺序等来控制。在生产中解决冷裂纹的最方便有效措施有2种:①焊前预热;②焊前预热焊后保温缓冷措施。而判断是否预热及其温度可采用碳当量法来进行。根据日本JIS标准规定的Ceq(JIS)。由此可知,该钢碳当量很高,接头热影响区域有很高的淬硬和冷裂倾向。因此,焊接时必须采取措施,防止产生冷裂纹。


      b. 热裂纹敏感性热裂纹的产生是在熔池联生结晶中奥氏体晶界存在低熔点共晶物的情况下,由于晶界强度不够而被焊接应力拉裂的结果,这与晶界低熔点共晶物的数量有关。由于310S不锈钢管中低熔共晶物的形成元素硫,磷含量很低时,热裂纹敏感系数(HCS)远小于规定值3.6,可以防止热裂纹产生。


      c. 再热裂纹敏感性再热裂纹是焊接接头焊后再次加热到一定温度范围所产生的裂纹,主要发生在钢中含有加强淬透性和抗回火性的合金元素,如铬,钼,铜,钒,铌,钛等。再热裂纹形成条件的元素合金主要是碳化物元素。关于再热裂纹的产生原因一般解释为:在一次焊接热作用下合金元素固溶(高于1100℃)于晶体内,焊后冷却时不能充分析出。当焊缝再次热处理时,合金碳化物在晶内沉淀,使晶粒内部大大强化而阻碍了晶粒整体变形,使蠕变应变集中于晶界,当晶界的变形超过本身的塑性时就会沿晶界开裂,而形成再热裂纹。由文献可知,310S不锈钢管具有一定的再热裂纹敏感性。


  2. 310S耐高温不锈钢管焊接方法及工艺的选择对于310S不锈钢的焊接可依据施工条件和焊后接头的运行要求进行不同选择。对于管道类焊接,比较灵活且方便的焊接工艺方法是钨极氩弧焊和焊条电弧焊。从焊工操作熟练程度看,实现管道焊缝背部良好熔透与成形,选择氩弧焊打底最理想。根据文献规定铬>3%,采用氩弧焊焊接时,焊道背面需要进行保护。当前生产中背面保护的方法有2种,一是采用惰性气体进行保护,二是采用免充氩焊接保护剂保护。而目前从管道焊接工艺成熟度看,焊条电弧焊较好,这种工艺方法根据所选用的焊条不同,有3种工艺可供选择。此外,也有企业根据施工条件采用氩电联焊工艺方法进行焊接。随着熔化极气体保护焊工艺技术的成熟和不断推广,在耐热钢方面的焊接应用也有人不断尝试。


  3.  焊条电弧焊工艺


       a. 采用不锈钢焊条A307或A302(E1-23-13-15或E1-23-13-02),焊前不预热,焊后不进行热处理。


       b. 采用耐热钢焊条R507(E1-5MoV-15),焊前预热250~400℃,焊后进行750~780℃的退火处理。


       c. 采用低铬高锰奥氏体焊接材料AR617,预热温度不低于250℃,道间温度为250~300℃。表列出了采用3种焊条焊接时的工艺参数及接头性能,焊接位置均为水平固定,表列出了3种焊接接头的组织情况。由表可以看出,焊缝金属的组织取决于对焊接材料的选择。异种材质焊接,如焊接工艺,采用了奥氏体不锈钢焊条A302或A307。在焊接过程中,由于母材310S不锈钢中的合金元素含量较低,对焊缝金属的合金元素产生稀释,焊缝产生脆性马氏体组织,同时在熔合线边缘上产生一条窄的低塑性带。此外,接头在长期高温运行过程中,熔合区低塑性区域的马氏体组织由于碳迁移可导致接头失效。为防止碳迁移现象的产生,可采用异种材质焊接的另一种工艺方法,如工艺3,采用了低铬高锰奥氏体焊接材料AR617。该焊条通过降铬增锰实现焊缝金属的奥氏体组织。其铬含量接近母材的铬含量,因此,在熔合线附近不会产生铬的扩散,提高焊缝含镍量阻止耐热钢侧的碳向焊缝迁移,造成耐热钢侧贫碳。采用高锰和镍共同保证焊缝金属的奥氏体组织,以获得良好的焊缝韧性。同时文献表明这种工艺接头在长期高温服役和时效过程中,接头熔合区两侧无明显的增碳层和贫碳层,因此不存在异质接头的提前失效。同材质焊接,如工艺2,采用了化学成分与310S不锈钢母材金属相近的R507焊条,其焊接接头具有与母材相同的组织和极为相近的化学成分,且无明显的熔合线,可获得与母材相近的力学性能,使用中无明显合金元素扩散和碳迁移问题。


  4. 310S耐高温不锈钢管的氩弧焊工艺对于中、高合金钢的氩弧焊焊接,目前可采用3种工艺方法:①. 采用实心焊丝背面充惰性气体保护焊接;②. 采用实心焊丝背面免充氩保护剂保护;③采用自保护药皮焊丝进行焊接。实心焊丝焊接,需对焊道背面进行氩气保护,否则背面焊缝金属将被氧化或者出现合金元素的烧损。文献针对不同的施工要求和条件,列举了整体、局部以及移动充氩盒等3种不同的充氩方式。背面免充氩保护剂的实心焊丝焊接,需要事先在焊接区域涂覆一层保护剂。文献详细介绍了免充氩保护剂焊接工艺过程,相对充氩焊接方式而言,该工艺过程简单,准备时间短,可以有效缩短施工工期。目前这种工艺已经在不锈钢等高合金材料焊接中得到了应用。自保护药皮焊丝焊接,在氩弧焊时可采用一种带有特殊涂层的药皮焊丝。焊接时,其保护药皮会渗透到熔池背面,形成一层致密的保护层,使焊道背面不被氧化,冷却后这层渣壳会自动脱落,用压缩空气或水冲的方式进行冲洗。这种焊丝的使用方法与普通实心焊丝相同,涂层不会影响正面的电弧和熔池形态,焊缝金属在性能上能满足要求。目前市场上基本没有性能稳定的国产自保护不锈钢焊丝,进口自保护焊丝价格较高,成本较高,因此在应用上受到了一定的限制。


  5.  310S耐高温不锈钢管的氩电联焊工艺氩电联焊是当前管道焊接中比较成熟的工艺,即用氩弧焊打底,焊条电弧焊填充和盖面。特别适合于厚壁管道的单面焊双面成形焊接。根据相关标准推荐介绍,在打底焊时,采用HCr5Mo焊丝的背面充氩焊接工艺。第2道填充及盖面焊时采用R507焊条的焊条电弧焊。


  6. 310S耐高温不锈钢管的熔化极气体保护焊熔化极气体保护焊是以惰性或活性气体(以二氧化碳为主)为保护气体的电弧焊。在有相匹配的焊丝情况下,熔化极气保焊可焊接各种金属。对Cr5Mo钢,在焊接选材时需要考虑焊缝金属尽可能与母材同成分,因此,SH/T3520—2004推荐的焊丝可选用ER80S-B6。但目前很少见到有这方面的文献报道。


  7. 310S耐高温不锈钢管的药芯焊丝保护焊药芯焊丝气体保护焊与普通实心焊丝气体保护焊相比,具有飞溅小、焊缝成形美观、熔敷效率高、操作性能优良、调整焊缝金属的合金成分容易的特点,使焊接接头性能和质量均能得到可靠保证。文献介绍了有关310S不锈钢管采用钨极惰性气体保护焊打底与药芯焊丝二氧化碳保护焊填充、盖面的焊接工艺。文献也介绍了我国焊材企业积极开发耐热钢药芯焊丝的相关专利,相信在不久的将来,随着310S不锈钢管的焊接大量需求,相应的药芯焊丝也会有企业开发研究。


二、工艺应用与比较


  从上述焊接方法看,适用于310S耐高温不锈钢管的可选焊接工艺方法很多,只要有相应的焊接材料,每种工艺都有其使用的优势所在。从目前应用成熟的采用焊条电弧焊看,工艺1,施工比较简单,焊前可以不进行预热,焊后也可以不进行热处理,施工周期短,特别适合于现场施工及设备抢修,但不锈钢焊条成本较高。工艺2,施焊较复杂,焊接控制严格,且需要复杂的热处理工艺,这样增加了施工周期和工时,适用于工程大项目的焊接,焊口数量越多,管径越大,热处理效率就越高,焊接材料费用就越节省。工艺3,施工介于工艺1和2之间,相对工艺1,预热可以采用火焰或电加热带就能实现,无需后热处理,这对现场安装或维修带来了方便。虽然310S不锈钢管的气体保护焊接应用没有焊条电弧焊普遍,但不论是TIG焊还是MIG焊,气体保护焊接的良好焊缝成形和较容易的焊工培训以及生产高效率给焊接生产带来了极大的活力。因此,积极探索气体保护焊接工艺将成为管道焊接未来的主要发展趋势。


三、结论


  1. 310S耐高温不锈钢管的可选焊接工艺方法很多,企业可根据现场情况以及掌握的工艺熟练程度合理选择。


  2. 采用焊条电弧焊时,可根据现场热处理条件来选择,有条件时选用同材质耐热钢焊条的焊接工艺和国产低铬高锰焊条的焊接工艺,无条件时选奥氏体不锈钢焊条的焊接工艺。从接头使用效果看,建议选用国产低铬高锰AR617焊条的焊接工艺。


  3. 背面免充氩和自保护药芯焊丝是当前新颖的两种低工艺成本的焊接工艺方法,建议有关研究部门积极研发相关材料和工艺。


至德微信.jpg

本文标签:耐高温不锈钢管 

发表评论:

◎欢迎参与讨论,请在这里发表您的看法、交流您的观点。

北京 天津 河北 山西 内蒙 辽宁 吉林 黑龙江 上海 江苏 浙江 安徽 福建 江西 山东 河南 湖北 湖南 广东 广西 海南 重庆 四川 贵州 云南 西藏 陕西 甘肃 青海 宁夏 新疆 台湾 香港 澳门