热壁加氢精制反应器异种钢焊接金相组织及分析

李丽茹

(渤海船舶职业学院, 辽宁葫芦岛125005)

摘　要:通过对异种钢焊缝组织进行显微分析,得出堆焊层和过渡层组织为A+F,F含量为3%～10% ;母材热影响区为B;母材组织为F+少量M;母材脱碳层组织为F. 由实验得出,可以通过调整焊接工艺来控制F含量,采用低温、短时间保温的热处理工艺防止焊缝脆化。

关　键　词: 异种钢焊接; 金相组织; 反应器

1 　焊接特征区的划分

热壁加氢反应器采用的材料为13CrMo44钢的板焊结构,为了防止焊接环境的腐蚀,反应器内壁采用带不锈钢的焊层,其过渡层为309L不锈钢,内表层为347L不锈钢. 焊接采用309L、347L手工堆焊,根据规范要求,反应器采用分段中间消除应力热处理及整体最终热处理状态交化.其典型焊接特征区如图1 所示, 309L 与母材13CrMo44 之间为异种钢焊接,是本文重点分析部位.

图1 　焊接特征区示意图

2 　试样的制备

加氢反应器的不锈钢与结构钢焊接金相试样的制备与一般焊接材料的要求及制作过程相同,抛光好的试样采用4%硝酸酒精溶液浸蚀,再经过铬酐10g + 水100 ml 的电解液电解浸蚀后在显微镜下观察,可同时进行母材组织、过热区、近缝区及堆焊层金相组织评定及形貌分析.

3 　各焊接特征区的组织

3.1 　347L、309L 堆焊层及其过渡区组织

347L 、309L 均为奥氏体2铁素体双相不锈钢焊带及焊条,其堆焊层及过渡区组织均为奥氏体-铁素体,其铁素体含量为3 %～10 % ,左侧为309L 堆焊,右侧为347L 堆焊层. 试样经620 ℃×15h + 675 ℃×4 h 热处理.

3.2 　309L 与13CrMo44 堆焊熔合线两侧组织

不锈钢-结构钢异种钢焊接与同种钢焊接不同,其熔合区位于熔合线之上,属焊缝组成部分,未混合区和部分混合区位于熔合线之下,属母材组成部分.309L 与13CrMo44 堆焊熔合线两侧特征区的分布及组织见图2. 熔合区组织为奥氏体+ 少量马氏体,其马氏体为低合金马氏体,见图3.

图2 　近缝区组织

图3 　熔合区组织

3.3 　母材及热影响区的组织

13CrMo44 钢板正火状态供货,其组织为铁素体+ 珠光体。接热影响区分为半熔化区、过热区、正火区及半正火区,正火区及半正火区组织分别为贝氏体+ 铁素体+ 珠光体。其组织细化,回火热处理后性能最好, 过热区位于1100 ～1350 ℃温度区间,其组织为贝氏体+ 马氏体.

4 　实验结果讨论与分析

4.1 　堆焊工艺对焊缝铁素体的影响

为了防止在高温高压环境下操作的加氢反应器内壁受到腐蚀,也为了保证不出现热裂纹和限制焊后热处理中形成σ相的量,对于不锈钢堆焊层一般规定其铁素体含量最低为3 %～4 % ,最高为8 %～10 %. 组织中的铁素体含量取决于焊层的成分. 在焊接材料确定的前提下,堆焊工艺对焊层成分有着很大的影响. 试验证明,309L 焊带堆焊时下坡倾斜角β增大,铁素体含量增加,当倾斜角增加到某一值时铁素体量的增加趋于平缓. 当在同一下坡倾斜角度时,堆焊电压为30～40 V 时,铁素体随着电压升高而增加,而在40 V后趋于平缓. 当堆焊速度增加时,铁素体含量减少,二者基本成线性关系. 预热温度的提高将使铁素体的含量减少,但150 ℃以下预热温度的提高使铁素体含量的减少不明显. 要保证堆焊层中铁素体含量,就必须采用合适的堆焊工艺.

4.2 　堆焊层中铁素体分解及对韧性的影响

不锈钢堆焊层中含有3 %～10 %的铁素体相将提高焊缝抗结晶裂纹的能力和抗腐蚀性能,但在焊后进行620 ℃长时间去应力退火时铁素体将发生分解,在620 ℃以下热处理铁素体分解产物是碳化物和低铬奥氏体相,碳化物以NbC 和M23C26 为主,高温长时间的热处理,铁素体将分解成σ相、碳化物和贫铬的奥氏体相,高温形成的奥氏体相以NbC 为主,碳化物和σ相的析出将使堆焊层金属脆化. 实验证明,焊后热处理温度越高、保温时间越长,堆焊层的脆化就越严重. 因此,为了保证不锈钢堆焊层的冲击韧性,必须采用较低的去应力退火温度和较短的保温时间.

5 　结　论

1)13CrMo44 钢板结构热壁加氢精制反应器最终金相组织,内壁347L 堆焊层和309L 过渡层为奥氏体+ 铁素体, 其铁素体含量为3 %～10 % ;母材过热区为贝氏体;母材为铁素体+ 少量马氏体;母材脱碳层组织为铁素体.

2) 为了控制347L 堆焊层和309L 过渡层铁素体含量以保证加氢反应器的抗腐蚀性和韧性,在焊接材料热处理制度确定的条件下,可以通过调整焊接工艺来控制铁素体含量.

3) 为防止不锈钢堆焊层中铁素体在焊后热处理中大量分解析出碳化物和生成相而引起堆焊层脆化,可尽量采用低温、短保温时间的热处理工艺.