高温下1Cr5Mo合金管异种钢焊接焊材的选择

一、问题的由来

         1Cr5Mo珠光体耐热钢广泛地应用于石油化工装置中，它具有优良的耐高温硫腐蚀、耐氧化性及较高的高温强度。但可焊性差，空气淬硬倾向严重，焊后易产生高硬度的马氏体和贝氏体。焊后经过回火处理，其接头的综合性能较好，被设计规范广泛的认同而选用。但对于炼油厂的炉管及高温临氢管线，在抢修或返修情况下，因现场条件限制，不能进行热处理，多采用25-13型奥氏体焊条焊接，在采用上述工艺情况下，仍发生一些异种钢焊接接头部位早期失效，有关这方面的情况，时有报道。 

用25-13型奥氏体焊条焊接1Cr5Mo合金管，在焊接及服役中存在下列问题。

1．碳迁移问题。在高温服役过程中，铬作为强碳化物形成元素，促使低铬钢中的碳向高铬焊缝金属中扩散迁移，在低铬钢侧产生脱碳层，高铬钢侧产生增碳层。由于碳扩散而形成的增碳层和铁索体带宽5～20 μm。 

2．由于合金成分的差异，造成稀释熔合区产生脆性马氏体组织，熔合区的高硬度带为350 HB左右。 

3. 奥氏体钢热膨胀系数比珠光体大30％～50％，导热系数只有珠光体的1/3，巨大的差异在焊接及热处理高温运行中产生较大的热应力。 

由于上述原因，导致了异种钢接头在高温状态下或周期性加热、冷却条件下的失效。

 二、解决问题的途径 

为解决施工存在的困难，保证焊接接头的安全可靠性，经综合比较决定选用镍基焊材来解决这个问题。镍基焊缝金属的热膨胀系数与1Cr5Mo钢较为接近，又能很好的防止碳迁移，从而使异种钢接头在高温以及交变应力状态下能够安全运行。但是到目前为止1Cr5Mo合金管用镍基焊材焊接异种钢接头的高温性能研究尚无报道。

三、试验内容 

为了使镍基焊材焊接的异种钢接头在宏观、微观性能上有所比较，故选用下述焊接接头作为评价对象。

1．1Cr5Mo炉管用R507焊材同钢种焊接，焊后消应力处理，其试验数据作为评判基准（焊接参数参照合格的焊接工艺评定）。

2．1Cr5Mo炉管用Inconel l82镍基焊材焊接。 

3．1Cr5Mo炉管用A302焊材焊接。

 金相组织分析：分析三种接头及熔合区的微观组织。

 微观组织分析

 

编号	母材	焊材	焊缝组织	焊合区
03#	1Cr5Mo	Inconel 182	奥氏体	有一窄黑带
04#	1Cr5Mo	A302	奥氏体	有碳迁移窄带
05#	1Cr5Mo	R507	珠光体+少量碳化物 回火贝氏体	正常组织

 

微观硬度测定（HV）

 

编号	焊缝区	焊缝区	半结晶区	母材
03#	170.33	246.75	213	147.18
04#	206	224.8	206	160.42
05#	172.94	175.6	181	170.28

 

 

高温短时拉伸(540 ℃)：三种接头试样，按高温试验标准加工试样，在540 ℃下进行高温短时拉伸试验，测量焊接接头的抗拉强度σb延伸率δ5和断面收缩率ψ对比三种焊接接头，在高温短拉时的薄弱部位。  高温短时拉伸(540 ℃)

 

编号	σb（平均）	δ5（平均）	ψ（平均）	断裂部位
03#	277.5	21.0	70.0	母材一侧
04#	270.0	22.5	70.5	母材一侧
05#	275.0	21.0	71.5	母材一侧

 

 

 

母材一侧  蠕变断裂试验：上述三种接头，在1Cr5Mo一侧熔合线附近加工缺口，进行蠕边断裂试验，评价焊接接头抵抗蠕边断裂的能力。 

高温缺口断裂试验

 

编号	断裂时间（h）	断裂部位	断口形态
03#	174	母材一侧	韧窝+准解理混合
04#	171	母材一侧	晶界低塑性断裂
05#	182	母材一侧	韧窝+准解理混合

 

 

断口形态变化说明，在较高的拉伸载荷作用下，镍基焊缝金属，表明其高塑性和高温强度对缓解接头的应力有贡献。

四、结论 

通过上述试验对比分析，以R507焊接接头为基准，镍基焊材及A302焊材的接头，在高温短时拉伸试验中，其抗拉强度σb延伸率δ s 和断面收缩率ψ等数据均相近，足以满足在 350 ℃以下的使用条件。从金相组织分析，A302接头有“碳迁移”窄带，宽度约为5～20 μm，随高温时间的延续而扩大。镍基焊缝有一窄黑带，宽度约为2～3 μm，且在高温运行中变化甚微，而二者微观硬度测量表明，镍基接头焊缝的硬度与R507焊材接头焊缝硬度相近。A302焊接接头的硬度比上述二者都高。 

据此可证，对于镍基焊条焊接1Cr5Mo钢种，焊后不热处理，其力学性能与R507焊接接头相近，而物理性能，尤其是热膨胀系数，镍基焊材与Cr5Mo母材相近。在高温长期运行，镍基焊材抑制碳扩散，缓解高变应力的作用比A302焊材好的多。鉴于上述原因，在炼油厂三套常减压装置辐射炉管1Cr5Mo以及1Cr5Mo与TP321炉管的焊接中选用了镍基Incone1 182焊接。经一年半的运行，效果良好。所以，对现场高温部位及现场抢修采用镍基焊条焊接1Cr5Mo钢具有较大的现实意义。

 当然，1Cr5Mo钢种并非不能用A302焊接，多年实践证明，它适用于操作温度T＜350 ℃，温度波动不大，非临氢介质条件下。 

上述试验结果是基于常规机械性能的比较和短时蠕变条件下取得，对于接头在长期服役下的性能变化，尚待进一步研究。但此结果足以使我们相信，在不具备热处理条件下，在高温条件及高变应力的场合，优选镍基焊材是恰当合适的。