离心铸造HP系耐热合金炉管的焊接性分析

王成

（甘肃建筑职业技术学院，甘肃兰州 730050）

离心铸造HP系耐热合金炉管的焊接性分析

王成

（甘肃建筑职业技术学院，甘肃兰州 730050）

HP系耐热合金主要应用于乙烯裂解炉炉管，制氢、合成氨和甲醇催化转化炉转化管， HP系耐热合金炉管采用离心铸造工艺，其C、Cr、Ni合金含量较高，炉管的焊接存在一定的困难。因此本文分析了HP系铸造耐热合金的焊接性，焊接性主要包括热裂纹、气孔、晶间腐蚀等问题。重点分析了焊接热裂纹的产生原因，并提出了防止焊接热裂纹产生的措施。

HP系耐热合金 离心铸造 炉管焊接性 防止措施

HP系列合金是高温承压用离心铸管材料，我国化工行业标准《HG/T 2601-2000 高温承压用离心铸造合金炉管》规定有34种耐热合金炉管，ZG45Ni35Cr25是Cr25Ni35成分的HP合金基本牌号。通过添加不同微量元素衍生的HP合金在本质上可分为两类：第一类通过添加Nb和W元素来改进其蠕变断裂性能，第二类是在第一类的基础上进一步加入Ti等微合金元素［1-4］，进一步改善晶粒的大小来提高材料的高温性能。主要牌号有Z G 4 0 N i 3 5 C r 2 5 N b、ZG40Ni35Cr25NbW、ZG10Ni35Cr25Nb、ZG45Ni35Cr25NbM、ZG40Ni35Cr25W4等。国内成熟应用于乙烯裂解炉炉管，制氢、合成氨和甲醇催化转化炉转化管等的材料主要是HP系耐热合金［5，6］。但由于HP系耐热合金炉管采用离心铸造工艺，其C、Cr、Ni合金含量较高，焊接性主要有热裂纹、气孔和晶界腐蚀。特别是热裂纹倾向较大［7-10］。因此本文主要分析HP系铸造耐热合金的焊接性，重点分析了焊接热裂纹的产生原因，并提出了防止焊接热裂纹产生的措施。

1 HP系耐热合金的焊接性

1.1 热裂纹

HP系铸造耐热合金的化学成分如表1所示。该合金中较高的C和Ni元素，容易造成焊缝及近缝区的热裂纹及液化裂纹。根据文献［11］炉管金相组织为奥氏体基体上镶嵌着网状碳化物及由基体中析出的一部分碳化物组成。从该合金的物理性能来看，合金具有导热系数小，热膨胀系数大和冷收缩率高的特点，在焊接过程中会造成HAZ高温或高温停留时间过长，较大热应力的作用和焊接残余应力的存在，这是产生热裂纹的主要原因。从组织来看，铸造微观组织方向性强，合金元素容易发生偏析，焊缝及HAZ在热应力和残余应力的作用下有较大的热裂纹倾向［12］。

1.2 焊缝气孔

焊前若工件表面潮湿，油垢、铁锈和氧化皮等清理不干净，在焊接加热过程中这些杂质被吸附和分解成氢、水气。特别在高温液态下， 焊接熔池能溶解较多的氢、氧、氮等气体。另由于镍基高温合金密度大，熔池流动性较差，气体的逸出会受到较大影响，因此焊后容易形成气孔。

手工钨极氩弧焊时若工艺措施及操作不当也会形成气孔。氩气纯度不纯不仅会造成合金元素的氧化烧损，而且焊接时会出现氧化物烟雾、钨极表面变黑，焊缝表面成形不良且容易产生气孔。其次是打底焊时未提前在内部充氩气保护，或在充氩保护时间过短，在未将空气排干净时就开始焊接，也会出现上述情况。另外焊工操作不当，氩气效果保护不好而造成空气侵入，也会造成气孔。

1.3 晶间腐蚀

加热时，过饱和的C以Cr23C6的形式沿晶界析出。Cr23C6析出消耗了大量的铬，因而使晶界附近的铬含量降到低于钝化所需的最低的铬含量，则在晶界表面形成了贫铬层。贫铬层的电极电位比晶粒内低得多。当金属与腐蚀介质接触时，就形成了微电池，电极电位低的晶界成为阳极，则被腐蚀溶解。晶间腐蚀对高温合金的耐腐蚀性能有严重的影响，导致晶界弱化，材料的耐蚀性降低。

2 热裂纹影响因素

2.1 合金元素对热裂纹的影响

有关合金元素对焊接热裂纹的影响相当复杂，HP系耐热合金对焊接热裂纹的影响元素如下：

（1）Nb的加入可明显减少热裂纹的出现，在合金中Nb的含量随着Ni/Fe比例发生变化，一般Ni/Fe比例越高则所需Nb的含量就增加。

（2）S对焊接热裂纹的影响比其他合金元素更为敏感。S的溶解度很小，但却容易形成晶界偏析，产生低熔点共晶的硫化物，如Ni-S共晶熔点为645℃，Ni-P共晶熔点为880℃，比Fe-S、Fe-P共晶的熔点更低，危害性也更大，促进结晶裂纹的产生。因此必须在焊接材料、焊接过程中严格控制硫的含量。

（3）P的影响与硫相似，主要是与镍形成低熔点共晶物偏析于晶界，形成有害的易熔晶界层，促使焊接热裂纹的产生。

（4）镍容易与硫、磷、硅、铅等多种杂质元素形成低熔点共晶，如Ni+Ni3S2（645℃），Ni十Ni3P（880℃），Fe+FeS（988℃）等。由于镍基合金中合金元素焊接时的凝固组织近似于不发生相变的方向性强的单相奥氏体柱状晶组织，促使杂质偏析，在焊接应力的作用下，热裂敏感性很大，工艺稍有不当，就会在收弧处和焊道中心产生结晶裂纹。

表1 标准HP系耐热合金的牌号和化学成分

（5）C与Cr、Mo、Ti、V、Nb等形成一次碳化物M7C3和NbC。在高温时效过程中，基体中过饱和的固溶碳以细小弥散的M23C6析出，这对合金的强度是有利的。但碳含量过高，会产生二次碳化物大量析出及粗化，这种碳化物会降低合金的韧性，对焊接性非常不利。

2.2 晶界上的碳化物对热裂纹的影响

引起液化裂纹的液膜主要是晶界上的碳化物相（MC或M6C）和γ'相。其原因主要有：① 由于焊接热循环作用，低熔点共晶在碳化物相（MC或M6C）和γ'相相界形成，这些低熔点共晶在焊接应力作用下会产生液化裂纹。且碳化物和γ'形成元素的含量越多，液化裂纹倾向越严重。②Ti是形成γ'相的主要元素，且Ti含量越高时液化裂纹倾向越严重。③Nb是γ'、γ"的形成元素，随着Nb含量的增加，液化裂纹的敏感性也会增大［13］。

3 热裂纹的防止措施

3.1 焊缝金属化学成分的控制

限制有害杂质特别是S、P含量是提高抗裂性的首要条件。镍含量越高，越应该严格控制S、P等有害杂质元素的含量。同时，加入稳定δ相的元素如Cr、Si、Mo、Ti、V等，可减少热裂倾向。在焊缝金属中加入少量的Ce、Zr等微量元素，可以细化晶粒，也可以减少热裂纹敏感性。适当提高Mn含量，硫化物FeS·MnS中的MnS占比例增多，同时硫化物由链状或网状分布在晶界逐渐变为球状或粒状，使其呈不连续地分布，可以有效的减少热裂倾向［14］。

3.2 焊缝组织的控制

调整焊缝化学成分，控制焊缝金属的Cr/Ni比，使焊缝金属出现双相组织。文献提出，含Ni量超过15%的奥氏体钢不能依靠采用γ +δ双相组织来提高抗裂性［15］。HP系耐热合金焊缝组织的控制最好使其成为奥氏体+一次碳化物（记为γ+C1）或奥氏休+一次硼化物（记为γ十B1） 的双相组织。这种双相组织对于提高焊缝的抗热裂纹能力是有效的，而且又不会损害其高温性能。

3.3 焊接工艺

HP合金铸件目前使用较广泛的焊接方法是焊条电弧焊和钨极氩弧焊。文献［16］实验结果认为焊缝产生结晶裂纹的倾向与金属在结晶过程中形成的一次结晶的晶粒有关，一次结晶的晶粒越粗大，柱状晶方向越明显，产生结晶裂纹的倾向就越大。但只要采取合适的焊接工艺焊缝质量完全可以满足要求。张展宇等人采用氩弧焊成功焊接了φ120mm×6.3mm的HP40Nb炉管对接接头［17］。兰宝彤等人用国产焊丝焊接了HP-Nb合金的炉管接长对接焊缝和炉管与法兰的异质接头焊缝［5］。焊接过程中应采用线能量小的焊接方法，同时用高Cr，Ni以及含较高碳化物稳定元素的焊条或焊丝，减少Cr23C6的沉淀析出，形成同母材成分相匹配的焊缝。此外，一般不要预热。加快焊缝冷却速度可以减少偏析，提高抗热裂能力。

4 结语

（1）HP系耐热合金炉管焊接接性主要包括热裂纹、气孔、晶间腐蚀等方面，其中焊接热裂纹是其存在的主要问题。

（2）HP系耐热合金中的C、Ni、Nb、S、P等元素对热裂纹有一定的影响。同时HP系耐热合金晶界上的碳化物相（MC或M6C）和γ'相也会引起热裂纹。

（3）从焊缝金属化学成分的控制、焊缝组织的控制以及焊接工艺等措施可以有效的减少或防止热裂纹的产生。

［1］王玉海，吴永华，刘向华，彭淑玲.采用微合金化方法提高离心铸管的高温性能［J］.特种铸造及有色合金，2001，（6）54.

［2］李德俊，王富岗，王来.碳对Hp－Nb合金显微组织和蠕变断裂强度的影响［J］.大氮肥，1995，（1）：52-56.

［3］A.F. Ribeiro， L.H. de Almeida， D.S. dos Santos， D. Fruchart， G. S. Bobrovnitchii. Microstructural modifications induced by hydrogen in a heat resistant steel type HP-45 with Nb and Ti additions ［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2003， 356 357： 693 696.

［4］M. Tanaka， J. Taguchi， R. Kato. Effects of microstructures on the creep-rupture properties and fracture mechanisms in austenitic heat-resistant steels［J］. Materials Science and Engineering， 2005， A 410-411：79-84.

［5］兰宝彤，于建平，石建繁.离心铸造HP-Nb高温合金炉管的对接［J］.焊接，1996（6）：18-21.

［6］夏天东，马宝玉，兰宝彤.离心铸造HP-Nb高温合金炉管与1Cr5Mo法兰的焊接［J］.焊接， 1999（3）： 15-18.

［7］宋庆杰，侯亚平，任国超，等.Cr25Ni20耐热炉管的焊接［J］.焊接，2001（4）：25-27.

［8］张展宇，黄惠详.高温耐热合金HP-40Nb的焊接［J］.机械工人（热加工），2004（3）：38-39.

［9］蒋受林，张征兵.乙烯装置中高铬镍高温合金的焊接［J］.化工建设工程，2004，26（6）：32-35.

［10］蒋受林，张征兵.乙烯装置中高铬镍高温合金的焊接［J］.化工建设工程，2004，26（6）：54-56.

［11］周丽英.乙烯裂解炉渗碳炉管的焊接［J］.安装，1995（6）：15-17.

［12］申大伟.乙烯裂解炉辐射炉管KKHR45A材料的焊接工艺［J］.焊接技术，2004，33（1）：54-56.

［13］李箕福，王移山，薛春月.不锈钢及耐蚀耐热合金焊接100问［M］.第1版.北京：化学工业出版社，2000：40.

［14］徐自立.高温金属材料的性能、强度设计及工程应用［M］.第1版.北京：化学工业出版社， 2006：159.

［15］A.F. Ribeiro， L.H.d.A.， D.S. dos Santos. Microstructural modifications induced by hydrogen in a heat resistant steel type HP-45 with Nb and Ti additions. Journal of Alloys and Compounds［J］. 2003. 356-357：693-696.

［16］王爱珍.全奥氏体钢焊接金属的显微裂纹［J］.郑州工学院学报，1995（3）：92-96.

［17］张展宇，黄惠祥.高温耐热合金HP_40Nb的焊接［J］.机械工人（热加工），2004（3）：38-39.

The main application of HP heat resistant alloy in ethylene cracking furnace tube，hydrogen， ammonia and methanol reformer tube and transformation. HP is a heat resistant alloy furnace tube using centrifugal casting process. The higher the C， Cr， Ni alloy， furnace pipe welding is difficult.So this paper analyzed the weldability of centrifugally casted HP heat resistant alloy pipe. And the weldability mainly includes the thermal cracks， pores， intergranular corrosion， etc. Focus on the analysis of the causes of welding hot crack， put forward to prevent welding hot cracks.

HP heat resistant alloy；Centrifugal casting；furnace pipe welding；Prevention measures