镍基合金800H(N08810)制压力容器的焊后热处理要求探讨

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1 引言

镍基合金是一种在高温条件下具有较好的强度,其耐腐蚀性和抗氧化性能均能够达到较高的水平,镍基合金在600℃时能保持较好的韧性和强度,在700℃的高温环境中,仍能保持韧性,还具有较好的还原、氧化和氮化介质耐腐蚀性能,在一些高温环境、耐腐蚀要求较为严格的石油化工项目中得到广泛的应用。

2 合金800H(N08810)材料特性

2．1 材料成分 800H合金是一种含有碳、铝、钛、硅、锰及限量固溶态高强度奥氏体镍铁铬合金。该合金的主要成分组成表见表1所示。

表1 800H合金的主要成分表

通过表1的数据可以看出,800H合金中的碳含量相对于N08800合金系列其他材料高,碳含量高可以更好地保证高温条件下的持久强度和蠕变强度,能够适应高温环境中的要求。通过控制合金中的碳含量不低于0．05%,即可能保证合金良好的高温使用条件,一般而言,N08800合金适用于低于590℃的环境使用,而800H合金能够适用于高于600℃环境使用,同时具有良好的抗拉强度。

2．2 材料的性能

(1)容易产生热裂纹。从上述的成分表中不难看出,合金中含有较多的镍,该材料在液态凝固成固态过程中容易与S、P、O等元素形成一些低熔点的结晶体,这些结晶体是形成裂纹的主要原因,合金在进行焊接时,材料在焊接区域容易形成粗大的树枝状的奥氏体结晶,低熔点的结晶体容易聚集在晶界,如果出现凝固收缩应力和焊接拉伸应力时,低熔点的结晶体很容易被拉伸而导致出现热裂纹。此外,除了焊接热裂纹外,对那些由于冷成型、厚度不一致以及接管比较多容易导致应力集中的合金800H(N08810)制压力容器,在受热(热影响)部位、冷变形处,特别是壁厚较厚的材料在制造中更容易出现应力松弛导致的热裂纹。

(2)容易出现气泡。该合金材料的密度大,导热性能差,熔体的粘度相对较高,气体的自由逸出能力差,因此容易导致未逸出的气体形成气泡。

3 焊接过程易产生热裂纹的原因分析

多变化裂纹产生原因:一般纵向裂纹,断口处没有明显的塑性变形,为高温低塑性开裂特征,同时裂纹的出现时间为固相线以下的再结晶温度区间,应为多变化裂纹。该裂纹的形成原因是高温和应力的双重作用下,晶格的缺陷出现了位移,因焊接过程本身属于不平衡的冶金过程,容易出现较多的空位等缺陷,这些晶格缺陷汇集、扩大,最终形成了多变化裂纹。

高温液化裂纹产生原因:出现过热的情况,导致高温液化裂纹的出现。产生高温液化裂纹的主要原因是发生了晶间液膜,在焊接热循环峰值温度的作用下,在热影响区和多层焊的层间出现了重熔,拉应力作用下产生裂纹。镍金属容易与一些元素形成低熔点的晶体,这些晶体会以液化膜的形式存在于晶界面,温度低于固相线时在收缩应力的作用下产生开裂的情况。

4 焊后热处理的作用

800 H合金进行的焊后热处理技术主要包括两种:固熔处理和稳定化处理。

固熔处理主要是将产生的低熔点的结晶物质重新熔化并再次进入基体中,消除粗大的奥氏体组织,保证晶粒的均匀性成长,提升晶面的塑性性能。细化粗大晶粒,可以有效降低或消除热裂纹,同时提升材料自身的强度性能。

稳定化处理目的是解决焊缝的晶界贫铬现象提高抗焊缝的抗晶间腐蚀能力,为了保证碳元素的充分溶解,除了加入稳定的钛元素外,同时需要选择在热稳定的温度区间内进行处理,一般850－910℃,减少碳化铬的析出,这样在热处理温度经过敏化温度时,也不会有很多碳化铬析出,降低了焊缝的晶间腐蚀敏感性。

5 防止焊接热裂纹出现的措施

(1)铝和钛的稳定加入。铝和钛加入能够促进镍金属与铝、钛形成稳定的金属间化合物,从而减少低熔点结晶物质产生,但两种金属的加入会在一定程度上降低合金的焊接性能,因此需要选择合适的添加比例。

(2)为了保证焊接接头与母体具有相同的高温蠕变性能及抗氧化性能。为保证接头的高温强度,焊接金属需与母体的材质具有相同含量的铬和钼含量。而过高的铬含量会在焊接过程中形成复杂的碳化物,对焊接质量产生影响。因此,可以选用铌、钒等元素对铬钼钢渗合金,这些合金产生的碳化物在短时间的焊接热周期内来不及溶解到固熔体中,提高金属的韧性和抗裂性能。

(3)焊材的合理管理与选择。为了保证焊接的质量,需要对焊材进行品质控制,首先对来样进行严格的质量检测,筛选出不满足要求的焊材。另外,焊材的存储环境需要进行控制,一般需要保证环境中的温度在5℃以上,环境湿度不超过60%,否则需要进行除湿。仓管需要每天定时检测环境的温度和湿度。焊条使用前,需要按照使用说明进行烘干处理,烘干时升温速度一般控制在每小时150℃以下,避免升温速度过快对药皮产生开裂影响。

(4)选择合适的晶粒细化的加工条件,同时对粗晶粒在成形和焊接后需进行退火处理,在焊接时,应快速冷却,避免焊接区在高温时停留过长,防止产生晶间腐蚀。

6 结语

800 H因其高温条件下具有较好的强度,在一些特殊领域得到应用。但在高温和高压的作用下,合金材料在进行焊接时容易出现裂纹,使得其应用效果得到威胁,因此对焊接造成的裂纹进行控制十分关键。焊后热处理能够有效控制焊接过程中产生的热裂纹,保证材料焊接的质量。另外,本文还对焊接过程中热裂纹控制措施进行简要分析,两种措施共同消除和控制热裂纹。