熱壁加氫精制反應器異種鋼焊接金相組織及分析
摘 要:通過對異種鋼焊縫組織進行顯微分析,得出堆焊層和過渡層組織為A+F,F含量為3%～10% ;母材熱影響區為B;母材組織為F+少量M;母材脫碳層組織為F. 由實驗得出,可以通過調整焊接工藝來控制F含量,采用低溫、短時間保溫的熱處理工藝防止焊縫脆化。
關 鍵 詞: 異種鋼焊接; 金相組織; 反應器
1 焊接特征區的劃分
熱壁加氫反應器采用的材料為13CrMo44鋼的板焊結構,為了防止焊接環境的腐蝕,反應器內壁采用帶不銹鋼的焊層,其過渡層為309L不銹鋼,內表層為347L不銹鋼. 焊接采用309L、347L手工堆焊,根據規范要求,反應器采用分段中間消除應力熱處理及整體最終熱處理狀態交化.其典型焊接特征區如圖1 所示, 309L 與母材13CrMo44 之間為異種鋼焊接,是本文重點分析部位.
圖1 焊接特征區示意圖
2 試樣的制備
加氫反應器的不銹鋼與結構鋼焊接金相試樣的制備與一般焊接材料的要求及制作過程相同,拋光好的試樣采用4%硝酸酒精溶液浸蝕,再經過鉻酐10g + 水100 ml 的電解液電解浸蝕后在顯微鏡下觀察,可同時進行母材組織、過熱區、近縫區及堆焊層金相組織評定及形貌分析.
3 各焊接特征區的組織
3.1 347L、309L 堆焊層及其過渡區組織
347L 、309L 均為奧氏體2鐵素體雙相不銹鋼焊帶及焊條,其堆焊層及過渡區組織均為奧氏體-鐵素體,其鐵素體含量為3 %～10 % ,左側為309L 堆焊,右側為347L 堆焊層. 試樣經620 ℃×15h + 675 ℃×4 h 熱處理.
3.2 309L 與13CrMo44 堆焊熔合線兩側組織
不銹鋼-結構鋼異種鋼焊接與同種鋼焊接不同,其熔合區位于熔合線之上,屬焊縫組成部分,未混合區和部分混合區位于熔合線之下,屬母材組成部分.309L 與13CrMo44 堆焊熔合線兩側特征區的分布及組織見圖2. 熔合區組織為奧氏體+ 少量馬氏體,其馬氏體為低合金馬氏體,見圖3.
圖2 近縫區組織
圖3 熔合區組織
3.3 母材及熱影響區的組織
13CrMo44 鋼板正火狀態供貨,其組織為鐵素體+ 珠光體。接熱影響區分為半熔化區、過熱區、正火區及半正火區,正火區及半正火區組織分別為貝氏體+ 鐵素體+ 珠光體。其組織細化,回火熱處理后性能最好, 過熱區位于1100 ～1350 ℃溫度區間,其組織為貝氏體+ 馬氏體.
4 實驗結果討論與分析
4.1 堆焊工藝對焊縫鐵素體的影響
為了防止在高溫高壓環境下操作的加氫反應器內壁受到腐蝕,也為了保證不出現熱裂紋和限制焊后熱處理中形成σ相的量,對于不銹鋼堆焊層一般規定其鐵素體含量最低為3 %～4 % ,最高為8 %～10 %. 組織中的鐵素體含量取決于焊層的成分. 在焊接材料確定的前提下,堆焊工藝對焊層成分有著很大的影響. 試驗證明,309L 焊帶堆焊時下坡傾斜角β增大,鐵素體含量增加,當傾斜角增加到某一值時鐵素體量的增加趨于平緩. 當在同一下坡傾斜角度時,堆焊電壓為30～40 V 時,鐵素體隨著電壓升高而增加,而在40 V后趨于平緩. 當堆焊速度增加時,鐵素體含量減少,二者基本成線性關系. 預熱溫度的提高將使鐵素體的含量減少,但150 ℃以下預熱溫度的提高使鐵素體含量的減少不明顯. 要保證堆焊層中鐵素體含量,就必須采用合適的堆焊工藝.
4.2 堆焊層中鐵素體分解及對韌性的影響
不銹鋼堆焊層中含有3 %～10 %的鐵素體相將提高焊縫抗結晶裂紋的能力和抗腐蝕性能,但在焊后進行620 ℃長時間去應力退火時鐵素體將發生分解,在620 ℃以下熱處理鐵素體分解產物是碳化物和低鉻奧氏體相,碳化物以NbC 和M23C26 為主,高溫長時間的熱處理,鐵素體將分解成σ相、碳化物和貧鉻的奧氏體相,高溫形成的奧氏體相以NbC 為主,碳化物和σ相的析出將使堆焊層金屬脆化. 實驗證明,焊后熱處理溫度越高、保溫時間越長,堆焊層的脆化就越嚴重. 因此,為了保證不銹鋼堆焊層的沖擊韌性,必須采用較低的去應力退火溫度和較短的保溫時間.
5 結 論
1)13CrMo44 鋼板結構熱壁加氫精制反應器最終金相組織,內壁347L 堆焊層和309L 過渡層為奧氏體+ 鐵素體, 其鐵素體含量為3 %～10 % ;母材過熱區為貝氏體;母材為鐵素體+ 少量馬氏體;母材脫碳層組織為鐵素體.
