HP40Nb爐管焊接技術(shù)探討

朱國(guó)民

摘 ?要：本文簡(jiǎn)要介紹了離心鑄造鐵基高溫耐熱合金鋼HP40Nb的材料特點(diǎn)及焊接性，并結(jié)合工程實(shí)例系統(tǒng)介紹了HP40Nb的焊接方法、操作技術(shù)、質(zhì)量保證措施及焊接過(guò)程中的注意事項(xiàng)，對(duì)同類工程的施工有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：高溫耐熱合金鋼;離心鑄造用鋼管;HP40Nb

引言

HP40Nb（ZG40Cr25Ni35Nb）鋼為鐵基高溫耐熱合金鋼，屬于離心鑄造用鋼管。其具有良好的抗?jié)B碳、抗高溫蠕變斷裂和抗氧化等優(yōu)異性能，是一種耐高壓、耐腐蝕及抗高溫的材料，在合成氨、甲醇、城市煤氣，煉鋼工廠蒸汽轉(zhuǎn)換爐及乙烯裝置的裂解爐得到廣泛得有應(yīng)用。我公司承建的某裝置蒸汽過(guò)熱爐輻射室的爐管使用該材料，其介質(zhì)為588℃-812℃的蒸汽。

1. HP40Nb的成分與性能

HP40Nb爐管的化學(xué)成分見下表：

HP40Nb化學(xué)成分表

元素 C Si Mn Ni Cr Nb S P

標(biāo)準(zhǔn)值 0.35-0.45 <2.00 <2.00 32-37 24-27 0.6-1.5 <0.03 <0.03

實(shí)際值 0.419 1.35 0.82 34.55 24.5 0.81 0.019 0.026

HP40Nb爐管中Si含量高達(dá)1.8%，提高了爐管的高溫抗?jié)B碳能力，同時(shí)也增加了出現(xiàn)大量微裂紋的傾向，為了解決這個(gè)矛盾，將C含量提高到0.4%，有助于提高爐管的焊接性能。Cr元素大部分成為固溶元素，另一部分則與碳形成鉻的碳化物，使合金具有良好的耐熱性和較高的高溫蠕變斷裂強(qiáng)度;由于鉻元素在爐管表面形成一層致密的氧化膜，從而使?fàn)t管具有良好的抗氧化性和一定的抗?jié)B碳能力;與奧氏體不銹鋼一樣，在氧化性介質(zhì)和某些還原性介質(zhì)中，由于鉻和鎳的共同作用，使這種爐管具有良好的耐蝕性。該爐管中的鎳含量高達(dá)35%，一方面鎳起到穩(wěn)定奧氏體的作用，并能提高爐管的高溫強(qiáng)度、高溫韌性以及抗?jié)B碳作用;另一方面由于含有較高的鎳，可以減少碳在奧氏體中的溶解度，與HK-40爐管相比，在碳含量相同的情況下具有較多的共晶碳化物和較高的蠕變斷裂強(qiáng)度。爐管中加入一定量的鈮，也是為了提高爐管的蠕變斷裂強(qiáng)度、高溫塑性及抗?jié)B碳能力。HP40Nb爐管具體力學(xué)性能見下表：

HP40Nb力學(xué)性能表

常溫力學(xué)性能 高溫力學(xué)性能

高溫短時(shí)力學(xué)性能 高溫持久強(qiáng)度/h

屈服強(qiáng)度

σs/MPa 抗拉強(qiáng)度

σb/MPa 伸長(zhǎng)率

δ5（%） 試驗(yàn)溫度

T/℃ 抗拉強(qiáng)度

σb/MPa 伸長(zhǎng)率

δ5（%） 試驗(yàn)溫度

T/℃ 試驗(yàn)壓力

Pb/MPa 最小持續(xù)時(shí)間t/h

≥245 ≥440 ≥8 900 ≥147 ≥24 900 49 100

2. 焊接性能分析

HP40Nb爐管含碳量高，并存在一定量的共晶，焊接熔池的流動(dòng)性好，但由于含有較高的Cr和Ni合金元素，在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋及氣孔等缺陷，焊接性能較差：

（1）HP40Nb爐管Ni含量高達(dá)35%左右，Si在Ni含量較高時(shí)易于偏析，在晶界上形成底熔點(diǎn)共晶物;該爐管具有較大的熱膨脹系數(shù)、較差的導(dǎo)熱性及較大的電阻率，在焊接過(guò)程中遇到局部加熱和冷卻的情況，焊接接頭會(huì)形成較大的拉應(yīng)力，從而增加了出現(xiàn)較大熱裂紋的幾率。

（2）焊接時(shí)采用手工鎢極氬弧焊打底，如果氬氣保護(hù)不好，造成管內(nèi)充氬保護(hù)過(guò)程中空氣沒(méi)有排盡，一方面容易出現(xiàn)難溶氧化渣，另一方面空氣中的氣體容易混入焊縫中形成氣孔;如果用于填充和蓋面的焊條沒(méi)有按要求進(jìn)行烘干，藥皮中存在結(jié)晶水，也會(huì)產(chǎn)生氣孔。

（3）焊接過(guò)程中會(huì)造成HAZ高溫停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，較大應(yīng)力作用和殘余應(yīng)力的存在會(huì)引起晶粒粗大，同時(shí)產(chǎn)生Cr23C6。Cr23C6在奧氏體晶界沉淀，S、P、Si與Cr、Ni之間的共晶物析出，從而導(dǎo)致耐腐蝕性能下降。

3. 焊接

3.1 焊接方法選擇

焊接方法采用氬電聯(lián)焊，即手工鎢極氬弧焊打底，手工焊條電弧焊填充蓋面。手工鎢極氬弧焊具有熱量集中、焊接過(guò)熱區(qū)較小、高溫停留時(shí)間較短、冷卻速度快，反面焊縫成形質(zhì)量好，以及管道內(nèi)部清潔度高等特點(diǎn);手工焊條電弧焊是最常用的焊接方法，其特點(diǎn)為靈活方便、可進(jìn)行全位置焊接，及勞動(dòng)效率高。

3.2 焊接材料選擇

根據(jù)化學(xué)成分和力學(xué)性能相當(dāng)?shù)脑瓌t，焊絲采用HPNb。HPNb焊絲具有良好的焊接性，其熔敷金屬具備高溫長(zhǎng)期服役過(guò)程所需要的蠕變斷裂強(qiáng)度。在焊條的選擇上，我們根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用鎳基焊條ENiCrMo3。焊材具體化學(xué)見下表：

HPNb（焊絲）化學(xué)成分表

元素 C Si Mn P S Cr Ni Nb

含量 0.42 1.20 1.30 0.012 0.008 25.13 35.3 1.12

ENiCrMo3（焊條）化學(xué)成分表

元素 C Si Mn P S Cr Ni Nb+Ta

含量 0.038 0.50 0.58 0.008 0.005 21.21 61.5 3.62

3.3 坡口選擇與加工

因?yàn)楹附硬牧系幕瘜W(xué)成分不同于母材本體，所以母材在焊縫金屬所占的比例份量愈少愈好，這樣能提高焊縫金屬的抗裂性能。另外，結(jié)合坡口形式的溶透性能，我們選用如下坡口：

坡口加工采用機(jī)加工，打磨采用專用砂輪片。加工后的坡口不得有氣孔、沙眼、毛刺及裂紋等影響焊接質(zhì)量的缺陷，焊接前坡口應(yīng)進(jìn)行滲透檢測(cè)。

3.4 試件焊縫坡口表面清理

鎳合金對(duì)雜質(zhì)比較敏感，爐管表面的物質(zhì)（油脂、油漆、鐵銹及記號(hào)筆印記等）會(huì)給焊縫帶來(lái)一些有害元素（Pb、P及S），容易產(chǎn)生氣孔及裂紋等缺陷，因此在焊接試件前對(duì)坡口兩側(cè)20mm范圍內(nèi)進(jìn)行清理，清理時(shí)先用專用磨光機(jī)打磨至金屬光澤，然后再用丙酮進(jìn)行清理。焊接前還要將坡口兩側(cè)100mm范圍內(nèi)涂上白堊粉，防止焊接過(guò)程中飛濺對(duì)試件產(chǎn)生污染。