固溶处理对不锈钢管性能的影响

主要研究固溶处理对新型奥氏体不锈钢(ASME CODE CASE 23281)焊接接头性能的影响。采用光学显微镜观察和分析了焊缝的显微组织;采用拉伸试验机、弯曲试验机测试了焊接接头的机械性能。结果表明:经过固溶处理后,硬度下降,常温抗拉强度提高,高温抗拉强度下降,抗腐蚀能力明显增强。

随着国民经济的快速发展,到2020年全国装机容量将达到95亿kW,其中火电装机容量占70%以上。为了提高火力发电机组效率,锅炉的运行温度和压力将显著提高。为此,改善锅炉用钢及其焊接接头的性能成为大型电站锅炉制造业的关键技术之一。

超超临界(USC)锅炉受热面中的高温过热器、再热器部件长期处于高温高压水蒸汽氧化、高温烟气中煤粉颗粒腐蚀的环境中,所用钢材在满足持久强度、蠕变强度要求的同时,还要满足管子外壁抗烟气腐蚀、抗飞灰冲蚀以及管子内壁抗蒸汽氧化等性能。

针对高参数、大容量电站锅炉的使用要求而最新开发的新型奥氏体不锈钢ASME CODE CASE23281是日本住友金属工业株式会社研制开发的新型奥氏体不锈钢管,该不锈钢管不仅具有优良的抗高温腐蚀性,而且抗高温蠕变强度较普通的奥氏体不锈钢也显著提高,持久断裂性能更加稳定。

1试验材料和方法

ASME CODE CASE 23281(01C18Cr9Ni3CuNbN)奥氏体不锈钢管是在ASME SA213TP304H的基础上加入适量阻止奥氏体晶粒长大的CuNbN等微量元素,使其具有较细的晶粒尺寸,从而达到高温强度、长期塑性和抗腐蚀性能的最佳组合,其许用应力值比SA213TP347H提高约20%,这种优良的蠕变断裂强度是通过细小的富铜相在奥氏体基体上的沉淀强化而获得的。该钢具有与细晶粒TP347HFG同样优良的耐蒸汽腐蚀性能。由于ASME CODE CASE 23281不含有MoW等昂贵的化学元素,因此其使用经济性要优于188钢系列中的TP347HTP321H

这种不锈钢管在实际应用中,焊接接头存在两种使用状态,一种是在焊接状态下直接使用,一种是焊接接头经过固溶处理后使用。为了研究固溶处理对焊接接头组织和性能的影响,本研究对常温和高温两种状态下焊接接头的力学性能、金相组织、硬度、塑性、耐蚀性能进行了系统比较。

试验采用不锈钢管的规格为φ54 mm×14 mm,化学成分如表1所示,力学性能如表2所示;焊接接头采用的填充金属为ERNiCr3(ASME标准号),化学成分如表3所示。

焊接接头的坡口形式为V型,角度75°。试验采用热丝TIG焊,工艺参数如表4所示。

2试验结果与分析

21焊接接头的微观组织

本试验中使用AXIOVERT 200 MAT显微镜(CCD图像采集系统)进行金相组织观察,图1显示的是两种状态下焊接接头(包括焊缝、热影响区、母材)组织的金相照片。由图1可以看出,焊缝组织致密,未见气孔、裂纹、夹渣等缺陷。热影响区非常狭窄,这主要是因为在焊接过程中采用水冷装置对焊接接头喷水冷却,严格控制了层间温度,加速了焊接接头的冷却速度,缩短了焊缝在高温区停留时间,同时也避免了焊接接头因敏化而导致抗晶间腐蚀能力下降,保证了焊缝的使用性能。

两种状态下母材的组织均为奥氏体,焊缝和热影响区的组织为奥氏体+铁素体,从微观组织上分析,固溶处理对焊接接头微观组织的影响很小。从金相照片上可以看出,固溶处理对焊接接头组织的影响不是很大,母材和热影响区组织为奥氏体,焊缝组织为奥氏体和铁素体,母材晶粒细小,热影响区晶粒受到热循环影响,晶粒过热粗化长大而发生多边形挤压塑性变形,有的晶粒被拉长,成为不规则的多边形。

22焊接接头硬度分析

试验采用HBRVU1875布洛维光学硬度计进行硬度测量。两种状态下焊接接头不同位置的维氏硬度分布曲线如图2所示。

从图2可以明显看出,焊态下焊缝的硬度与母材和热影响区的硬度相比略有降低,经过固溶处理后,母材的硬度略有降低,而热影响区显微硬度有了很大的下降,这主要是因为经过固溶处理后,热影响区的奥氏体组织得到了充分的恢复,晶粒间的碳化物或者其他化合物固溶于奥氏体中,使热影响区的韧性提高,硬度下降。焊缝区的硬度经过固溶处理后下降最为明显,因为焊接接头采用的填充材料是ERNiCr3,属于镍基合金,焊缝区的组织为奥氏体+铁素体,经过固溶处理后,焊缝中的一部分碳元素以化合物的形式固溶于奥氏体晶格中,导致焊缝中的铁素体含量大大减少,因此硬度降低。

23常温性能分析

焊接接头的常温力学性能按照《蒸汽锅炉安全技术监察规程》和ASME的室温拉伸试验方法测定,在AG10TA万能试验拉伸机进行试验,两种状态的焊接接头的测试结果均满足标准要求,试样均断于母材。

焊态和固溶处理后焊接接头的抗拉强度如图3所示,两种焊接接头的常温抗拉强度均高于母材要求的最低值,试验结果合格。从图3中可看出,经固溶处理后,焊接接头的抗拉强度有了明显的提高,这主要是因为经过固溶处理后,焊缝和热影响区的组织更加均匀,焊缝中铁素体数量减少,奥氏体数量增加,固溶处理减少了晶间碳化物和其他化合物的存在,因此抗拉强度有所提高。

24高温性能分析

由于这种新型奥氏体不锈钢主要用于超超临界的过热器、再热器等高温部件中,因此本研究中对焊接接头的高温性能进行了试验。根据这种材料在锅炉中的使用温度,确定了在620℃、650℃、700℃三个温度下进行高温短时拉伸试验,测试焊缝和母材在高温下的抗拉强度和屈服极限。

试样按照GBT43381995加工M126h圆形拉力棒,以焊接接头一侧热影响区为中心,如图4所示。

从图5可以看出,拉伸试样颈缩和断裂位置均发生在母材区域,说明这种新型奥氏体不锈钢焊接接头的高温强度高于母材,因为焊接接头采用镍基焊材作为填充金属,而镍基合金的典型特征就是具有优良的高温力学性能。

从图6可以看出,ASME CODE CASE 23281焊接接头高温短时抗拉强度、屈服极限均随试验温度的升高而降低。由屈服极限和抗拉强度的对比结果可以看出,经过固溶处理后,抗拉强度和屈服极限均有所降低,但是强度值的变化不大。

25抗腐蚀能力分析

对于材料的晶间腐蚀性能,通过对焊态接头和经过固溶处理后的焊接接头按照国家标准GBT433452000采用H 2 SO 4CuSO 4溶液腐蚀后,再通过弯曲试验来分析固溶处理对材料抗腐蚀能力的影响。图7是经过晶间腐蚀后进行弯曲试验试样的照片,通过对弯曲试样弯曲部位的分析可知,经过固溶处理后,热影响区的抗晶间腐蚀能力有了明显的提高。

引起奥氏体不锈钢焊缝和热影响区抗腐蚀能力降低的主要原因是铁素体含量和晶间贫铬,焊缝和热影响区的铁素体含量过高和铬含量减少,都会降低奥氏体不锈钢的抗腐蚀能力,经过固溶处理后,热影响区中晶间的碳化物和其他化合物已经固溶于奥氏体晶格中,晶间的碳化物和其他化合物的含量大大减少,因此热影响区的抗腐蚀能力增强。

3结论

通过金相分析、力学性能和腐蚀试验研究了焊接接头的显微组织、力学性能和抗腐蚀能力。结果表明:固溶处理对组织的影响不是很大,母材与热影响区的显微组织均为奥氏体,焊缝的显微组织为奥氏体+铁素体,经过固溶处理后,焊缝、母材、热影响区的硬度均有所下降,常温抗拉强度提高,高温拉伸性能降低,抗腐蚀能力增强。

文章作者:不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|小口径厚壁钢管

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