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      T91-奧氏體不銹鋼異種鋼接頭熱處理工藝研究

      2024-04-07 09:03:08王靜鴿銀潤邦魯進波朱超兵莫其鵬
      金屬加工(熱加工) 2024年3期
      關(guān)鍵詞:異種母材熱處理

      王靜鴿,銀潤邦,魯進波,朱超兵,莫其鵬

      東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司 四川德陽 618000

      1 序言

      隨著電站鍋爐高參數(shù),大容量,低排放的發(fā)展歷程,使用的材料等級越來越高,種類也越來越多,目前在100萬kW超超臨界鍋爐的高過、屏過及高再等部件中,既用到T91、T92高等級鐵素體類材料,又用到S30432,HR3C等新型奧氏體不銹鋼材料,在這類產(chǎn)品生產(chǎn)中就不可避免地存在9Cr馬氏體鋼與奧氏體鋼異種鋼的焊接[1]。由于兩類鋼的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、物理性能和力學(xué)性能存在著較大的差異,因此焊接難度較大,對焊接操作及焊后熱處理的要求也比較高。合適的焊后熱處理工藝關(guān)乎著電站鍋爐用鋼的使用性能[2]。

      膜式壁管屏中存在高等級材料的異種鋼接頭,該類異種鋼接頭材質(zhì)主要為T91材質(zhì)與奧氏體不銹鋼鋼管對接。此類SA-213T91+SA-213TP347HFG異種鋼接頭的熱處理工藝,兩種母材的熱處理條件都要考慮,ASME標(biāo)準(zhǔn)及GB/T 16507系列標(biāo)準(zhǔn)中均要求SA-213T91材料制造的受壓件任意厚度的焊接,焊后都必須進行熱處理,在ASME中規(guī)定最低保溫溫度≥705℃,在GB/T 16507.5—2022《水管鍋爐 第5部分:制造》中規(guī)定最低保溫溫度≥730℃。SA-213TP347HFG材料的Fe81類材質(zhì)熱處理在兩種標(biāo)準(zhǔn)中都不做規(guī)定。

      依據(jù)GB/T 16507.5—2022中SA-213T91+SA-213TP347HFG異種鋼最低保溫溫度可達(dá)到705℃。但SA-213T91與奧氏體焊接的異種鋼接頭,焊后熱處理應(yīng)避開脆化溫度敏感區(qū),防止晶間腐蝕和σ相脆化。一般工廠為熱處理穩(wěn)妥保障,熱處理溫度不會做到最下限,但降低熱處理溫度一方面有利于降低熱處理成本,另一方面在現(xiàn)場服務(wù)、返修條件有限或工況限制時,有利于解決因熱處理溫度高引起熱膨脹應(yīng)力過大而拉裂的問題。目前多數(shù)單位開展了一些關(guān)于SA-213T91以及SA-213TP347HFG 同種鋼、異種鋼的焊接工藝,在焊接接頭的蠕變、疲勞性能、失效機制,以及焊接接頭的運行可靠性等方面的研究工作[3],還沒有此類異種鋼接頭允許的最低熱處理溫度工藝研究。因此,研究此類異種鋼接頭的最低熱處理溫度就很有必要。此次試驗依據(jù)新版GB/T 16507.5—2022,主要從保溫溫度和保溫時間兩方面來展開不同熱處理工藝研究。分別開展SA-213T91+SA-213TP347HFG異種鋼接頭在715℃、730℃和750℃3種熱處理溫度,以及在保溫時間1.5h與返修情況下保溫時間3h的組合熱處理工藝研究,共開展715℃×1.5h、730℃×1.5h、750℃×1.5h、715℃×3h、730℃×3h和750℃×3h這6組不同熱處理規(guī)范試驗,為以后類似材料產(chǎn)品的熱處理工藝提供借鑒及參照。

      2 試驗材料及方法

      2.1 試驗材料及焊接條件

      試驗?zāi)覆臑棣?3.5mm×11.5mm的SA-213T91鋼管和φ63.5mm×11.5mm的SA-213TP347HFG鋼管,SA-213T91鋼管與SA-213TP347HFG鋼管對接坡口形式如圖1所示。焊接方法采用自動熱絲TIG焊,焊接材料采用ERNiCr-3焊絲,直徑1.0mm,試驗共分6組(編號為YC5、YC3、YC1、YD5、YD3和YD1),6組試樣所需母材均在同一根SA-213T91鋼管與SA-213TP347HFG鋼管上取樣,且所有試樣在同一臺直管熱絲TIG焊設(shè)備上進行焊接,焊接電流130~240A,電弧電壓8.5~13V,直流正接,焊接速度8~14 cm/min,保護氣體99.99% Ar。

      圖1 SA-213T91+SA-213TP347HFG鋼管對接坡口形式

      2.2 熱處理工藝

      熱處理設(shè)備采用臺車爐,進行整體熱處理。6組試樣不同熱處理工藝如圖2所示。

      圖2 6組不同熱處理工藝

      2.3 檢測方法

      對熱處理后的試件進行化學(xué)成分分析,按NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》進行力學(xué)性能試驗和宏微觀顯微金相檢測,包括拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗、硬度檢測與接頭宏微觀顯微金相檢測,以及T91熱影響區(qū)鐵素體占比測量。具體為每個YC1、YC3、YC5、YD1、YD3和YD5異種鋼接頭,做常溫拉伸2個、面彎2個、背彎2個;常溫沖擊在焊縫區(qū)3個,SA-213T91熱影響區(qū)3個,SA-213TP347HFG熱影響區(qū)3個;維氏硬度在熱影響區(qū)3個、焊縫區(qū)5個、母材區(qū)5個。試樣分別在T/4和T/2處取樣,接頭宏觀、微觀金相檢驗各1組。

      3 試驗結(jié)果及分析

      3.1 無損檢測結(jié)果

      所有異種鋼接頭焊后按NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第2部分:射線檢測》 規(guī)定的II級進行100%RT檢測,檢測范圍為焊縫及兩側(cè)各100mm區(qū)域,檢測結(jié)果均一次合格。

      3.2 母材化學(xué)成分分析

      焊縫、母材及焊絲化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。焊縫化學(xué)成分根據(jù)AWS A5.14M:2018《鎳和鎳合金光填充絲和焊絲標(biāo)準(zhǔn)》中對ERNiCr-3焊絲的規(guī)定進行分析,相比原始態(tài)有較大差別的主要是Ni、Fe元素。Ni元素因發(fā)生了一定程度的由焊縫向T91熱影響區(qū)的擴散而降低,F(xiàn)e元素因從T91熱影響區(qū)向焊縫擴散而升高[4]。其余主要成分在焊絲規(guī)定的范圍內(nèi)。

      表1 焊縫、母材及焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)

      3.3 常溫力學(xué)性能

      常溫力學(xué)性能檢測結(jié)果見表2。從表2可看出,6組熱處理工藝下的抗拉強度相差不大,在609~637MPa之間,其數(shù)值均大于母材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度的下限值550MPa,滿足NB/T 47014—2011規(guī)定的要求。YD1、YD3和YC5斷裂位置在焊縫上,YD5、YC1和YC3斷裂位置在一側(cè)母材上。YC5(熱處理工藝750℃×3h)抗拉強度最大。每個熱處理工藝試樣分別做2個面彎和2個背彎,結(jié)果顯示6組試樣均無開口缺陷,彎曲性能全部合格。

      表2 常溫力學(xué)性能檢驗結(jié)果

      從表2還可看出,6組沖擊值具有相同的規(guī)律,接頭中S A-213T91熱影響區(qū)沖擊值最高,焊縫和SA-213TP347HFG熱影響區(qū)沖擊值比較接近,SA-213TP347HFG熱影響區(qū)的沖擊值稍高于焊縫沖擊值,SA-213T91熱影響區(qū)沖擊值高出焊縫約30J。因本試驗制備寬度為5mm的非標(biāo)準(zhǔn)小尺寸試樣,沖擊吸收能量只需滿足標(biāo)準(zhǔn)值的50%,結(jié)合DL/T 868—2014《焊接工藝評定規(guī)程》中9%~12%Cr馬氏體型耐熱鋼的沖擊吸收能量≥41J的的驗收標(biāo)準(zhǔn),所有沖擊試驗結(jié)果均滿足>21J(41J的50%)的要求。

      在電廠實際運行過程中,由于此類接頭極易在靠近T91側(cè)焊縫區(qū)域產(chǎn)生裂紋缺陷[5],結(jié)合張杰等[6]研究此類接頭在不同熱處理工藝下力學(xué)性能最大的差別在于接頭的SA-213T91熱影響區(qū)硬度偏高,沖擊韌度下降,因此對SA-213T91熱影響區(qū)的沖擊性能及硬度進行重點研究。SA-213T91熱影響區(qū)沖擊吸收能量平均值與熱處理工藝關(guān)系如圖3所示。從圖3可看出,6組熱處理工藝下,SA-213T91熱影響區(qū)沖擊吸收能量平均值達(dá)到90J以上,則標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊吸收能量可達(dá)到180J以上,說明此區(qū)域沖擊韌度良好。對比YD1和YC1、YD3和YC3、YD5和YC5可看出,同種熱處理溫度下,保溫時間從1.5h增加到3h,沖擊吸收能量有所下降,結(jié)合圖6的金相推斷增長保溫時間后,晶粒尺寸變大,沖擊吸收能量降低。YD1沖擊吸收能量最大,YC1沖擊吸收能量最小,說明SA-213T91熱影響區(qū)工藝715℃×1.5h沖擊性能優(yōu)于工藝750℃×3h。

      圖3 SA-213T91熱影響區(qū)沖擊性能與熱處理工藝的關(guān)系

      3.4 硬度檢測

      維氏硬度檢測點的位置分布如圖4所示。測量點依次取在熱影響區(qū)3個、焊縫區(qū)5個、母材區(qū)5個,且分別在T/4和T/2處測量,硬度檢測結(jié)果見表3。

      表3 硬度檢測結(jié)果(HV10)

      圖4 維氏硬度檢測點的位置分布

      從表3可看出,SA-213T91熱影響區(qū)的硬度值最大,是整個接頭硬度最高的區(qū)域,檢測表面T/4比中心T/2位置硬度稍高一些。硬度值最高的SA-213T91熱影響區(qū)硬度值沒有超過DL/T 438—2023《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》要求的290HBW規(guī)范,其他硬度值也在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范內(nèi),6組熱處理工藝下的硬度值均滿足規(guī)范要求。

      異種鋼的焊接在加熱和冷卻過程中速度很快,是一種非平衡狀態(tài)[7],因此在T91熱影響區(qū)極易形成過飽和馬氏體組織,其中也含過飽和碳原子,會致使晶格發(fā)生畸變,導(dǎo)致馬氏體的硬度和殘余應(yīng)力增大,最終表現(xiàn)為T91熱影響區(qū)硬度最高[8],而焊后熱處理不充分或回火不足是造成接頭過熱區(qū)硬度偏高的關(guān)鍵原因之一,因此適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚥拍塬@得合格的T91熱影響區(qū)的硬度。

      為進一步直觀觀察不同熱處理工藝對硬度的影響,選取T/2位置接頭不同區(qū)域硬度值,如圖5所示。從圖5可看出,在6組熱處理工藝下,接頭硬度呈現(xiàn)相同的變化趨勢,在T91熱影響區(qū)硬度值達(dá)到最高(形成曲線凸點),其余的T91母材、焊縫、TP347母材和TP347熱影響區(qū)硬度波動較為平穩(wěn)。T91母材的硬度平均高于焊縫、TP347母材、TP347熱影響區(qū)的硬度。Y C3的曲線位于所有曲線最上方,說明在730℃×3h熱處理工藝下異種鋼接頭整體硬度最高。其余5組在除T91熱影響區(qū)外曲線位置比較接近,說明在T91母材,TP347母材及TP347熱影響區(qū),焊縫區(qū)的硬度差距不大。不同熱處理工藝下,差別較大的是T91熱影響區(qū)硬度,對比YD1、YD3和YC1、YC3曲線幾乎重合,可以看出保溫溫度從715℃增加到730℃時,硬度變化不大;對比YD1、YD3、YC1與YC3曲線高于YD5和YC5曲線,可見在715℃和730℃熱處理溫度下T91熱影響區(qū)的硬度大于在750℃熱處理溫度下的硬度,制造廠常規(guī)經(jīng)驗是這類異種鋼接頭一般都執(zhí)行750℃熱處理工藝[9],因此推測當(dāng)熱處理溫度降低到750℃以下時T91熱影響區(qū)硬度有增大的風(fēng)險。相同保溫溫度下,對比T91熱影響區(qū)YD1和YC1、YD3和YC3、YD5和YC5的曲線很接近,由此可見,隨保溫時間1.5h增加到3h時硬度差別不大,說明在其他工藝條件一致時,熱處理溫度在715~750℃之間延長保溫時間對硬度的影響不明顯。

      圖5 接頭不同區(qū)域硬度值

      3.5 接頭宏觀和微觀金相組織檢測

      6組接頭宏觀,微觀金相均無裂紋和過燒組織,宏觀、微觀金相合格。焊縫組織顯示為奧氏體+碳化物,T91熱影響區(qū)組織顯示為馬氏體+少量鐵素體,接頭宏觀,微觀金相檢測結(jié)果見表4。

      表4 接頭宏微觀檢測結(jié)果

      T91側(cè)母材,焊縫及熱影響區(qū)的顯微組織如圖6所示。從圖6可看出,異種鋼焊接接頭T91鋼側(cè)熔合線附近發(fā)現(xiàn)明顯的碳遷移特征,沿晶界邊緣析出黑色條狀碳化帶。以此碳化帶為界限,顏色偏淺,偏白的是焊縫組織,顏色偏暗,偏黑的是T91熱影響區(qū)。焊縫區(qū)結(jié)晶形態(tài)主要為等軸晶,黑點狀析出相碳化物彌散分布在等軸奧氏體晶內(nèi)或晶界處。在近表層焊縫附近沿T91側(cè)熔合線形成白色片狀的鐵素體組織和馬氏體。鐵素體的形成是由于靠近焊縫的熔合區(qū)在整個熱影響區(qū)內(nèi),焊接過程中熱循環(huán)溫度最高且高溫保持時間較長,有利于T91鋼中碳化物的析出和長大,最終導(dǎo)致鐵素體形成[7]。形成的鐵素體大多在原奧氏體晶界上分布,并在隨后的冷卻過程中逐漸合并成塊狀或片狀鐵素體。

      圖6 T91側(cè)母材、焊縫及熱影響區(qū)的顯微組織

      對比圖6a~f金相組織可看出,不同熱處理工藝下,金相組織結(jié)構(gòu)形態(tài)相同,但晶粒大小有區(qū)別。對比相同熱處理溫度時,YD1和YC1、YD3和YC3、YD5和YC5金相,可知隨保溫時間從1.5h增加到3h,晶粒尺寸有增大趨勢,等軸晶奧氏體組織增大較明顯。

      4 結(jié)束語

      1)常溫力學(xué)試驗結(jié)果表明,6種不同熱處理工藝下,抗拉強度相差不大,彎曲無開口缺陷,所有沖擊試驗結(jié)果遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求。在750℃×1.5h時SA-213T91熱影響區(qū)沖擊吸收能量最大為129J,所有試樣的拉伸、彎曲、沖擊性能均合格。

      2)硬度試驗結(jié)果表明,不同熱處理工藝下所有試樣硬度均滿足規(guī)范要求,SA-213T91熱影響區(qū)在接頭中硬度最高,此區(qū)域在715℃和730℃的硬度高于在750℃時的硬度,推測熱處理溫度低于750℃時,T91熱影響區(qū)硬度有增大風(fēng)險。相同保溫溫度下,延長保溫時間對硬度的影響不明顯。

      3)宏觀和微觀金相檢測結(jié)果表明,焊縫組織由條狀奧氏體+黑色點狀碳化物組成,SA-213T91熱影響區(qū)由少量白色片狀的鐵素體+馬氏體組成。

      綜上所述,6種不同熱處理規(guī)范下接頭力學(xué)性能均合格,滿足工藝質(zhì)量制造要求,確定了SA-213T91+SA-213TP347HFG異種鋼對接接頭允許的最低熱處理規(guī)范為715℃×1.5h,優(yōu)化了此類異種鋼接頭熱處理規(guī)范,為現(xiàn)場服務(wù)或返修焊接選取合理的熱處理溫度提供了參照。

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