關(guān)于316H耐熱不銹鋼的焊接實(shí)踐

劉曉旭 王 云 陳 罡

(遼陽石化分公司機(jī)械廠)

焊接技術(shù)

關(guān)于316H耐熱不銹鋼的焊接實(shí)踐

劉曉旭*王 云 陳 罡

(遼陽石化分公司機(jī)械廠)

通過對(duì)316H奧氏體耐熱不銹鋼的焊接性分析，進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定；通過合理的焊接工藝保證了再生器的焊接質(zhì)量。

焊接 焊接工藝 焊接工藝評(píng)定 316H 奧氏體 耐熱不銹鋼 再生器

0 前言

奧氏體耐熱不銹鋼在氧化環(huán)境中具有較高的熱強(qiáng)性和優(yōu)良的耐腐蝕性能，應(yīng)用于化工裝置有腐蝕介質(zhì)的高溫抗氧化設(shè)備中。奧氏體耐熱不銹鋼的金相組織一般是單一的奧氏體組織，焊接性能良好，但如果焊接規(guī)范不當(dāng)，焊接接頭容易出現(xiàn)熱裂紋、鉻的碳化物析出、接頭脆化等問題，使焊接接頭的使用性能惡化。

我廠承制的某石化公司連續(xù)重整-歧化裝置催化劑連續(xù)再生部分再生器為316H材質(zhì)奧氏體耐熱不銹鋼，其設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)均按照GB 150—1998《鋼制壓力容器》、質(zhì)技監(jiān)局鍋發(fā)(1999)《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》進(jìn)行。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

該設(shè)備設(shè)計(jì)壓力0.45MPa，設(shè)計(jì)溫度580℃，公稱直徑為2440 mm/1675 mm，壁厚28 mm/14 mm，不同直徑筒體通過變徑段相連，工作介質(zhì)為氮?dú)?、氧氣、二氧化碳、催化劑?/p>

圖1再生器結(jié)構(gòu)

在分析316H奧氏體不銹鋼焊接性的基礎(chǔ)上，通過焊接工藝評(píng)定并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，順利完成了316H奧氏體耐熱鋼材質(zhì)再生器的焊接。

1 316H奧氏體耐熱不銹鋼的焊接性分析及對(duì)策

1.1 316H奧氏體焊縫金屬的熱裂紋

316H奧氏體耐熱不銹鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 316H化學(xué)成分（%）

奧氏體耐熱不銹鋼焊縫，易形成方向性很強(qiáng)的粗大柱狀晶組織，一些雜質(zhì)元素及合金元素如S、P、Si、Nb易于在晶間形成低熔點(diǎn)的液態(tài)膜，而奧氏體耐熱不銹鋼的熱導(dǎo)率小且線膨脹系數(shù)大，在焊接過程的不均勻加熱和冷卻條件下，焊接接頭在高溫下停留時(shí)間較長(zhǎng)，承受較高的拉伸應(yīng)力與拉伸應(yīng)變，容易在焊縫處產(chǎn)生熱裂紋。產(chǎn)生熱裂紋的傾向與一次結(jié)晶的類型和少量δ相鐵素體的含量，合金元素和雜質(zhì)，焊接材料、焊接工藝參數(shù)及接頭的拘束度等因素有關(guān)。

1.1.1一次結(jié)晶的類型和δ相鐵素體含量的影響

一次結(jié)晶的奧氏體組織的焊縫容易產(chǎn)生熱裂紋，奧氏體組織中有適量的鐵素體相可以提高抗裂性，因?yàn)檫m量的δ相打亂了奧氏體柱狀晶的枝晶方向，阻礙晶粒粗化，阻礙引起熱裂紋的低熔點(diǎn)雜質(zhì)的聚集。焊縫金屬中的δ相含量以3%～8%為宜，太多則引起焊縫耐腐蝕性能的下降。

1.1.2合金元素和雜質(zhì)的影響

硫、磷等有害雜質(zhì)是奧氏體耐熱不銹鋼焊接熱裂紋形成的敏感元素，因?yàn)閵W氏體對(duì)這些元素的溶解度比鐵素體低，而含鎳量越高，硫和磷的溶解度越小，焊縫中可能出現(xiàn)含硫、磷量高的低熔點(diǎn)共晶，這些低熔點(diǎn)雜質(zhì)富集于奧氏體晶界，在枝晶間形成液態(tài)薄膜，增大熱裂紋的傾向。而316H奧氏體耐熱不銹鋼含鎳量很高，控制硫、磷含量是提高焊縫抗裂性能的有效辦法，使焊縫形成奧氏體+鐵素體雙相組織，可以避免出現(xiàn)焊接熱裂紋。

在焊縫熔敷金屬中增加適量的錳，可以在焊接過程中優(yōu)先形成高熔點(diǎn)的硫化錳共晶，減小低熔點(diǎn)硫化鐵在焊縫中形成，從而降低硫的有害作用。

對(duì)含鎳量較高的316H奧氏體耐熱不銹鋼，還可以通過適當(dāng)提高焊縫的碳含量來提高抗裂性，這時(shí)的雙相組織是奧氏體+一次碳化物，它們可以提高焊縫的抗裂性能而又能不降低其高溫性能。

1.1.3 焊接工藝參數(shù)的影響

由于熱裂紋與焊接接頭的偏析及應(yīng)力有關(guān)，為減少316H焊縫熱裂紋傾向，焊接工藝參數(shù)應(yīng)利于減小偏析和接頭的應(yīng)力。焊接時(shí)應(yīng)避免層溫過高，加快焊縫的冷卻速度，以小的焊接線能量減少偏析，提高焊接接頭的抗熱裂紋能力。

1.1.4焊接接頭的拘束度

較厚的母材焊接或者組裝應(yīng)力較大時(shí)，材料收縮和應(yīng)力集中引起的內(nèi)應(yīng)力增大，焊接接頭區(qū)域應(yīng)力更為集中，更易產(chǎn)生裂紋。因此，應(yīng)以適當(dāng)?shù)慕M裝次序組裝，以減小組裝應(yīng)力、控制焊接接頭的剛度；應(yīng)在保證焊接質(zhì)量的前提下盡量以較小的規(guī)范參數(shù)施焊，以減小焊接接頭的拘束度。

1.2晶界上鉻的碳化物的析出

奧氏體鋼焊接時(shí)接頭處在溫度500～800℃范圍的時(shí)間越長(zhǎng)，過飽和固溶的碳向晶粒間界的擴(kuò)散比鉻的擴(kuò)散快，在晶界附近和鉻結(jié)合成鉻的碳化物并在晶界沉淀析出，形成了晶粒邊界區(qū)域附近的貧鉻層，在腐蝕環(huán)境下使用會(huì)引起晶間腐蝕。對(duì)316H高碳奧氏體不銹鋼控制晶間腐蝕的方法有以下幾種。

1.2.1采用雙相組織

奧氏體焊縫中有少量的δ鐵素體，δ鐵素體分散在奧氏體晶間，能改善焊縫的抗晶間腐蝕能力，但是δ鐵素體有利于σ相析出，δ鐵素體數(shù)量越多，σ相析出機(jī)會(huì)越多，σ相的析出會(huì)降低焊縫的抗晶間腐蝕能力。奧氏體焊縫中含3%～8%的δ鐵素體，能獲得滿意的抗晶間腐蝕性能，這與提高抗熱裂性的要求一致。

1.2.2嚴(yán)格控制焊接熱輸入量

嚴(yán)格控制焊接熱輸入量，縮短接頭在500～800℃溫度區(qū)間的停留時(shí)間，以減少鉻的碳化物析出。

1.3焊接接頭的脆化

奧氏體鋼焊接接頭長(zhǎng)期在特定溫度區(qū)間下工作會(huì)產(chǎn)生脆化，主要有475℃脆化和σ相析出脆化。

1.3.1 475℃脆化

Fe-Cr合金在450～525℃之間長(zhǎng)期加熱，硬度提高，沖擊韌性嚴(yán)重下降，這種脆性稱作475℃脆性。475℃脆性主要發(fā)生在含δ鐵素體的焊縫中，隨著奧氏體焊縫組織中鐵素體量的增加，發(fā)生475℃脆性的危險(xiǎn)性增大。

316H焊接時(shí)采用在工藝評(píng)定合格范圍內(nèi)較小的焊接線能量，加快焊縫的冷卻速度，可以減少475℃脆性。

1.3.2σ相析出脆化

Cr-Ni奧氏體鋼和焊縫金屬在650～850℃高溫持續(xù)加熱過程中會(huì)發(fā)生σ相析出脆化。σ相金屬間化合物分布在晶粒邊緣，硬且脆，使奧氏體鋼焊接接頭的沖擊韌性大大降低，這在316H連續(xù)多層焊的焊接接頭中容易出現(xiàn)。

在316H焊縫中嚴(yán)格控制Mo、Si等σ相形成元素，降低Cr含量并相應(yīng)提高Ni含量；焊接時(shí)采用相對(duì)小的焊接線能量，加快焊縫的冷卻速度，減少焊接接頭在高溫下的停留時(shí)間，可以防止或者消除σ相析出。

2 316H奧氏體耐熱不銹鋼的焊接工藝編制及實(shí)施

如上一節(jié)所述，奧氏體耐熱不銹鋼的焊接不僅要考慮焊接接頭的強(qiáng)度，還要考慮奧氏體鋼的熱裂紋傾向；更重要的是要保證焊接接頭具有特殊性能，如抗晶間腐蝕能力，高溫強(qiáng)度及抗氧化性能。同時(shí)還要注意避免在高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作的脆化問題。

2.1焊接材料的選擇焊接材料應(yīng)根據(jù)焊件的化學(xué)成分及使用要求進(jìn)行選擇。316H奧氏體耐熱不銹鋼焊縫，主要用于高溫腐蝕條件下，希望焊縫組織是奧氏體+3%～8%鐵素體雙相組織，并考慮避免脆化組織的析出、控制相應(yīng)元素的含量。

ER 316H焊絲和E316H焊條的熔敷金屬化學(xué)成分如表2、表3所示。

表2 ER316H焊絲熔敷金屬化學(xué)成分 （%）

表3 E316H焊條熔敷金屬化學(xué)成分（%）

2.2奧氏體耐熱不銹鋼的焊接工藝要點(diǎn)

根據(jù)奧氏體耐熱不銹鋼的物理性能以及對(duì)其抗裂性和耐腐蝕性的要求，焊接時(shí)須注意以下幾點(diǎn)：

奧氏體鋼的導(dǎo)熱系數(shù)小而線膨脹系數(shù)大，易產(chǎn)生焊接變形。由于奧氏體鋼導(dǎo)熱系數(shù)小，在同樣的焊接電流下，可以得到比普通低合金鋼更大的熔深，但容易使焊接接頭過熱，所以其焊接電流應(yīng)當(dāng)比焊普通低合金鋼小一些。

我們依據(jù)JB 4708—2000《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》及設(shè)計(jì)技術(shù)條件進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定：

ER 316H?2mm焊絲，I=100～110 A，U=11～13 V，v焊=100～110mm/m in，氬氣流量正/背7～9 L/min。

E316H?3.2mm焊條，I=90～110 A，U=22～30 V，v焊=150～190mm/根。

E316H?4mm焊條，I=120～140 A，U=22～30 V，v焊=250～300mm/根。

E316H?5mm焊條，I=170～200 A，U=22～30 V，v焊=380～400mm/根。

拉伸試驗(yàn)：抗拉強(qiáng)度Rm=565MPa。

彎曲試驗(yàn)：側(cè)彎180°，彎曲試樣完好無裂紋。

按GB/T 1954進(jìn)行了鐵素體含量分析，其值為3%～8%。

焊接材料中含有容易氧化的合金元素，如Cr，為了防止焊接時(shí)燒損，必須盡可能采用短弧焊，焊接時(shí)不做過度的橫向擺動(dòng)。奧氏體耐熱不銹鋼焊縫的性能對(duì)熔敷金屬中化學(xué)成分敏感，為了保證熔敷金屬中化學(xué)成分的穩(wěn)定，施焊時(shí)必須保證工藝參數(shù)的穩(wěn)定。

多層焊時(shí)，每層焊縫的接頭處要錯(cuò)開。

避免層溫過高，控制層溫≤120℃，必要時(shí)采用噴水或者使用壓縮空氣吹的方法強(qiáng)制冷卻。

為避免焊縫過熱，接觸腐蝕介質(zhì)的焊道應(yīng)盡可能最后施焊。

為保證設(shè)備的耐腐蝕性能，要注意工件表面不得打樣沖、使用劃線針，不得使用碳鋼工具錘擊工件，工件表面除去油、銹、污物。接地電纜要牢固裝夾在工件表面，避免松動(dòng)產(chǎn)生電弧，擊傷工件表面。不允許在工件坡口以外部位起弧以免擊傷工件。接觸介質(zhì)的焊縫，必須焊透且表面平滑。

3 結(jié)論

316H奧氏體耐熱不銹鋼的焊接不僅要考慮焊接接頭的強(qiáng)度，還要保證焊接接頭具有耐腐蝕性能，避免在高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作的脆化問題。針對(duì)以上幾點(diǎn)，制定出合理的焊接工藝規(guī)范，即可得到符合使用性能要求的焊接接頭。

[1]焊接手冊(cè)：第二卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[2]焊接手冊(cè)：第二卷[M].第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[3]Eric Folkhard.不銹鋼焊接冶金 [M].栗樹新,朱學(xué)軍譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

TG 441

2010-10-20)

*劉曉旭，男，1982年6月生，工程師。遼陽市，111003。