Inconel625鎳基合金焊接管無(wú)縫加工關(guān)鍵技術(shù)研究

李紅莉

浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江紹興 312000

1 序言

太陽(yáng)能光熱發(fā)電將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化為電能，如圖1所示。太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備中關(guān)鍵的零部件是鋼管，它的性能質(zhì)量對(duì)光熱技術(shù)的實(shí)施至關(guān)重要，除了需具備良好的耐高溫性能外，還要求壁厚薄，具備強(qiáng)度高、耐疲勞和耐應(yīng)力腐蝕等優(yōu)異性能。通常光熱發(fā)電管材采用高溫合金材料制成，其中，Inconel625鎳基合金管材是最普遍采用的光熱發(fā)電管材[1]。

圖1 太陽(yáng)能光熱發(fā)電原理

2 鎳基合金管材應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

Inconel625鎳基合金的成形管材分為無(wú)縫管材和焊接管材。其中，無(wú)縫管材因其良好的性能，備受關(guān)注，但價(jià)格昂貴。對(duì)應(yīng)的焊接管材雖較為經(jīng)濟(jì)，但焊縫的力學(xué)性能和組織特性卻很難接近基材本身，影響了Inconel625鎳基合金焊接管材應(yīng)用范圍的拓展[2，3]。目前光熱發(fā)電行業(yè)使用較多的管材，一種是寶鋼生產(chǎn)的Inconel625鎳基合金無(wú)縫鋼管，規(guī)格為φ19mm×1.2mm×12000mm，不僅價(jià)格昂貴，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，而且規(guī)格小；另一種是美國(guó)生產(chǎn)的Inconel625鎳基合金焊接鋼管，規(guī)格為φ44.45mm×1.2mm×12000mm。

隨著光電行業(yè)需求的進(jìn)一步提升，較大規(guī)格尺寸（φ44.45mm×1.2mm×12000mm）的Inconel625鎳基合金鋼管需求量增大，然而Inconel625鎳基合金的硬度高，加工硬化嚴(yán)重，難變形，導(dǎo)致無(wú)縫鋼管的直接加工較為困難，且價(jià)格昂貴。因此，在保證電站運(yùn)行可靠、滿足設(shè)計(jì)壽命要求的前提下，考慮對(duì)該規(guī)格的Inconel625鎳基合金鋼管的焊接管材進(jìn)行無(wú)縫加工，得到與無(wú)縫鋼管性能相同，甚至更好的合金鋼管，這是一個(gè)非常有意義的研究與探索。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)研究人員在熱擠壓技術(shù)制備高溫合金管材工藝方面做了詳細(xì)研究。胥國(guó)華等[4]對(duì)沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金GH202進(jìn)行了熱擠壓工藝研究，發(fā)現(xiàn)高溫合金GH202熱擠壓荒管表面質(zhì)量良好，組織均勻細(xì)小，經(jīng)多道次冷軋及熱處理后的無(wú)縫管材可滿足彎管的工藝要求；王忠堂等[5]通過(guò)玻璃潤(rùn)滑熱擠壓方法成功制備出了GH4169高溫合金管坯，經(jīng)多道次冷軋后合金管材質(zhì)量滿足要求；黃曉斌等[6]通過(guò)熱擠壓技術(shù)制備出高溫合金G3無(wú)縫管材；李鄭周等[7]采用玻璃潤(rùn)滑熱擠壓工藝制備出Inconel625合金荒管；趙鴻磊等[8]采用熱擠壓技術(shù)制備航天用GH3600合金管材，研究發(fā)現(xiàn)擠壓開(kāi)坯可以明顯細(xì)化組織，提高組織均勻性，經(jīng)冷軋加工的成品管材滿足航空技術(shù)指標(biāo)要求。綜上研究表明，高溫合金管材多經(jīng)熱擠壓技術(shù)制備，成本較高，并且缺少關(guān)于焊接合金管材焊縫處理優(yōu)化改進(jìn)的研究。

為此，針對(duì)光熱發(fā)電行業(yè)所用Inconel625鎳基合金的焊接管材進(jìn)行無(wú)縫加工關(guān)鍵技術(shù)研究，指導(dǎo)合金型材加工工藝的調(diào)整，最終得到太陽(yáng)能光熱發(fā)電行業(yè)所需的與無(wú)縫管材相同、甚至更好性能的Inconel625鎳基合金焊接管材，主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面。

1）Inconel625鎳基合金管材內(nèi)焊縫的輥軋?zhí)幚黻P(guān)鍵技術(shù)研究。

2）Inconel625鎳基合金焊接管材整管輥軋及熱處理等無(wú)縫加工關(guān)鍵處理技術(shù)研究。

3）對(duì)Inconel625鎳基合金焊接管材無(wú)縫加工改進(jìn)處理后的力學(xué)性能、工藝性能和微觀組織等進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)焊接管材和無(wú)縫管材的性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，提出加工工藝優(yōu)化方案。

4）確定合理的Inconel625鎳基合金管材的加工工藝，降低合金管材和相關(guān)零件的生產(chǎn)成本。

3 試驗(yàn)

Inconel625鎳基合金具有優(yōu)秀的應(yīng)用性能，并具有很好的抗氧化性、耐高溫、抗腐蝕性，在眾多的高溫合金中，是使用最廣泛、品種最繁多的一種合金[9-11]。試驗(yàn)用Inconel625鎳基合金化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用Inconel625鎳基合金化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

1）采用三軋冷軋機(jī)（見(jiàn)圖2），對(duì)焊接管材焊縫和整管進(jìn)行軋制，軋制過(guò)程如圖3所示，軋機(jī)送進(jìn)每分鐘65次，每次送進(jìn)量1mm。經(jīng)過(guò)軋制，獲得Inconel625鎳基合金焊接無(wú)縫管。熱處理采用天然氣連續(xù)式加熱爐（見(jiàn)圖4），溫度控制為1150℃，保溫時(shí)間6min，水冷方式進(jìn)行急冷工藝處理，冷卻速度為550～600℃/min。

圖2 冷軋機(jī)

圖3 軋制過(guò)程

圖4 連續(xù)式加熱爐

2）對(duì)實(shí)施軋制和熱處理加工后的管材采用金相分析儀，進(jìn)行微觀組織檢測(cè)，結(jié)果如圖5所示，焊縫與基體結(jié)合情況較好。

圖5 焊縫金相組織

3）為了構(gòu)建對(duì)比系統(tǒng)，選取一段試樣，先后進(jìn)行處理前母材和實(shí)施軋制與熱處理加工后整管的力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 加工前后力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

4）選取兩段試樣，在實(shí)施軋制和熱處理加工后進(jìn)行整管的力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 加工后力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)果與分析

1）對(duì)比加工前母材和加工后整管的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果，可以看出，加工后屈服強(qiáng)度增加5%，抗拉強(qiáng)度基本不變，伸長(zhǎng)率降低12.5%。由此表明，針對(duì)經(jīng)濟(jì)型的焊接管材進(jìn)行焊縫加工處理及整管的無(wú)縫加工，實(shí)現(xiàn)了焊接管材的工藝創(chuàng)新，使焊接鋼管的性能大幅度提升，幾乎達(dá)到與合金無(wú)縫鋼管母材差異不大的良好性能。

2）企業(yè)具體生產(chǎn)情況調(diào)研顯示，項(xiàng)目實(shí)施降低了高溫合金管材的加工成本約50%，實(shí)現(xiàn)了利潤(rùn)升級(jí)，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品轉(zhuǎn)型，提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；利用焊接管材替代無(wú)縫管材，有助于發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)、建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，可取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)光熱發(fā)電行業(yè)所用Inconel625鎳基合金的焊接管材進(jìn)行無(wú)縫加工關(guān)鍵技術(shù)研究，指導(dǎo)合金型材加工工藝的調(diào)整，得到太陽(yáng)能光熱發(fā)電行業(yè)所需的與無(wú)縫管材相同、甚至更好性能的Inconel625鎳基合金焊接管材，對(duì)探索合理的Inconel625鎳基合金加工工藝，降低高溫合金管材的生產(chǎn)成本以及加速合金產(chǎn)業(yè)化具有深遠(yuǎn)意義。同時(shí)，促進(jìn)難變形的高溫合金管材加工技術(shù)新方案的研發(fā)，為其他高溫合金管材的應(yīng)用提供新的加工可能性。