焊接热输入对25Cr35NiNb+微合金炉管焊接接头性能的影响

任明皓 刘春娇 连晓明 卜华全

摘要：选用6组焊接热输入对25Cr35NiNb+微合金材质的乙烯裂解炉炉管进行焊接，研究各组焊接热输入对应的焊缝组织和焊接接头高温持久性能。结果表明：在试验温度1 050 ℃、试验应力25 MPa的条件下，焊接热输入为9 kJ/cm、11 kJ/cm时，高温持久断裂时间分别为132 h、119 h;焊接热输入为6、8、12、16 kJ/cm时，高温持久断裂时间分别为78 h、84 h、105 h、109 h;热输入为9～11 kJ/cm的25Cr35NiNb+微合金炉管焊接接头能够获得较长的高温持久断裂时间。微观组织观察发现，不同的焊接热输入下焊缝金属的微观组织形貌存在明显差异，是造成焊接接头的高温持久性能变化的主要原因。

关键词：乙烯裂解炉炉管;焊接热输入;焊缝组织;高温持久性能

0 前言

乙烯裂解炉炉管作为裂解炉的核心部件，长期在高温、渗碳介质环境以及一定的应力条件下服役，最高设计温度达1 150 ℃[1-3]。一根裂解炉管长约15 m，通常由3～5根离心铸造炉管焊接而成，乙烯裂解炉管上的典型焊缝如图1所示。

乙烯裂解炉管服役过程中，因焊接接头高温蠕变性能较差而产生的开裂现象时有发生。某乙烯企业SL-IIM型裂解炉自投用4～6年间共发生4次焊缝及热影响区开裂，严重影响生产计划，造成较大的经济损失[4]。某乙烯裂解辐射炉在施工时发现炉管焊缝共存在32处裂纹等缺陷，热裂纹照片如图2所示[5]。

对炉管进行焊接时，若焊接工艺选择不当，极易在焊缝或热影响区产生未焊透、咬边、热裂纹等焊接缺陷[6-7]。HG/T2601-2011标准要求乙烯裂解炉炉管焊接接头的力学性能不得低于母材性能。在炉管焊接中，由于焊接接头的高温性能较差，焊缝依然是乙烯裂解炉管服役时的薄弱位置。文献[5]最终解决了焊接缺陷，但并未提及炉管焊接接头的高温持久性能。在HG/T 2601-2011《高温承压用离心铸造合金炉管》标准中，焊接接头的抗高温蠕变性能是乙烯裂解炉管中重要的性能指标之一，直接影响乙烯裂解装置的长周期安全运行[5]。

文中采用6种不同的焊接热输入对典型炉管材料25Cr35NiNb+微合金进行焊接试验，研究焊接热输入对焊接接头性能的影响。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

试验材料为25Cr35NiNb+微合金离心铸造炉管，直径φ60 mm，壁厚7.5 mm，化学成分如表1所示。焊丝选用同质焊丝，直径2.4 mm。熔敷金属的化学成分如表2所示。

1.2 焊接工艺

试板采用手工钨极氩弧焊进行焊接，氩气纯度≥99.99%。待焊炉管试板采用对接接头、Y型坡口，焊接工艺参数如表3所示。炉管焊接为多层多道焊，每对炉管打底焊电流均为90 A，电压11 V，层间温度不超过100 ℃。由于炉管为高铬镍合金，其熔池中的液态金属流动性较差，在焊接过程中必须采取措施，确保焊接试板无未焊透、气孔等缺陷。

1.3 试验方法

采用SHT4505型电液伺服万能材料试验机在23±5 ℃的实验室大气环境中进行室温拉伸试验，选用直径8 mm的圆形截面室温拉伸试样。

采用RDJ-30型机械式持久试验机进行高温持久试验，在1 050 ℃、25 MPa拉伸应力作用下测试焊接接头试样的高温持久性能。

采用配有Oxford的X射线能谱仪ZEISS Supra 40场发射扫描电子显微镜对炉管金相试样进行微观观察分析。

2 试验结果与讨论

2.1 室温拉伸试验

不同热输入下的25Cr35NiNb+微合金炉管焊接接头室温拉伸性能如图3所示。根据HG/T2601要求，25Cr35NiNb+微合金炉管室温拉伸试验屈服强度最低值均为250 MPa，抗拉强度最低值均为450 MPa。从图中可以看出，在不同热输入下，25Cr35NiNb+微合金炉管焊接接头的室温拉伸性能均满足母材的要求。

2.2 高温持久试验

根据HG/T2601要求，在1 050 ℃、25 MPa拉力下，25Cr35NiNb+微合金炉管的高温持久断裂时间应大于100 h。炉管焊接接头的高温持久试验结果如图4所示。25Cr35NiNb+微合金炉管在热输入为9 kJ/cm时，持久断裂时间为139 h;热输入11 kJ/cm时，持久断裂时间为119 h;热输入为6 kJ/cm时，持久断裂时间为78 h，没有达到标准要求。

2.3 焊接接头的显微组织分析

根据6个试样的焊接接头高温持久断裂时间，将焊接热输入范围分成3组，分别为6～8 kJ/cm、9～11 kJ/cm、12～16 kJ/cm，并观察其焊缝组织。

热输入分别为6、9、12 kJ/cm时的焊接接头电子金相照片如图5～图7所示，其显微组织为奥氏体和沿晶界分布的碳化物。3种热输入下焊缝组织均呈骨架状，基体均为奥氏体，焊缝组织有析出相存在（见图5a、图6a、图7a）。其中块状、细条状分布碳化物为Cr的碳化物，短棒状、颗粒状碳化物为Nb的碳化物（见图5b、图6b、图7b）。

在高温持久试验后，观察热输入分别为6 kJ/cm、9 kJ/cm的焊接接头试样的焊缝组织，结果如图8所示。在热输入为9 kJ/cm时，焊缝组织仍呈骨架状，焊缝区枝晶明显粗化，枝晶间析出相大量增多，析出相碳化物种类与持久试验前一致，为灰白色NbC与灰黑色CrC（见图8a）。在采用热输入6 kJ/cm时，高温持久后焊缝组织骨架状特征不明显（见图8b）。

2.4 讨论

作为典型的乙烯裂解爐管材料，25Cr35NiNb+微合金的Cr、Ni较高，焊接性较差。25Cr35NiNb+微合金炉管的焊缝组织为奥氏体+沿骨架状晶界析出的碳化物。焊接热输入为9～11 kJ/cm时，大量的析出相呈骨架状偏聚在晶界上，在高温持久过程中阻碍了位错滑移[9-10]，从而提高了材料的持久性能;当热输入较小（6～8 kJ/cm）时，其骨架状结构并不明显，在高温持久过程中，析出相对位错滑移的钉扎作用有限，不利于材料的高温持久性能;当热输入过大（12～16 kJ/cm）时，熔池存在时间越长，焊缝凝固时间就越长，促使合金元素的均匀扩散，导致形成析出物过少，不利于高温性能的提高。

3 结论

为了获得优异的高温持久性能，在6～16 kJ/cm范围内选用了6种焊接热输入对25Cr35NiNb+微合金炉管进行焊接，并进行了电子金相观察、室温拉伸试验及高温持久试验，研究了焊接热输入对25Cr35NiNb+微合金炉管焊接接头性能的影响，得到以下结论：

（1）焊接热输入对炉管组织及高温持久性能有明显影响，当热输入在9～11 kJ/cm范围内时，焊缝组织均匀，析出相呈骨架状，高温持久性能较佳。

（2）热输入为9～11 kJ/cm时，高温持久时间较长，高温持久性能较好。

参考文献：

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