焊后热处理对异种钢换热管对接焊缝的影响

低合金钢SA-213T22与镍基合金Incoloy800H材料用于核电换热设备的设计和制造两种材料之间的异种钢对接焊缝的性能和质量是影响换热设备性能和使用寿命的关键。通过试验对比两种材料异种钢对接接头焊态和热处理态的金相组织变化和力学性能变化,了解焊后热处理对异种钢对接焊缝的性能影响,制订合理的制造工艺,并成功应用于核电换热设备异种钢换热管的焊接

铁素体SA-213T22225Cr-1Mo)换热管为低合金耐热钢,多用于锅炉、过热器的制造,具有耐高温、持久等特点;镍基合金SB-163UNSN08810Incoloy800H)换热管为Ni-Cr-Fe系镍基耐蚀合金,多用于制造蒸汽发生器传热管,具有高强度、耐高温、焊接性能优异、耐腐蚀等特点。两种材料的线膨胀系数、热导率和磁导率不同,化学成分、金相组织及性能存在较大差异。两种材料的换热管对接焊缝为铁素体钢与奥氏体钢的异种钢焊缝,其存在以下几个固有问题:高温下或高温长期运行后,焊接接头区的力学性能(如拉伸、冲击、弯曲等)性能劣于母材;受到两侧母材稀释,接头热强性、抗腐蚀和抗氧化性能等降低,接头残余应力较大;焊后热处理或高温运行过程中,在焊缝边界两侧出现富碳区和贫碳区,焊缝边界及热影响区附近易产生裂纹源等。SA-213T22SB-163UNSN08810异种钢对接接头中,焊缝金属和SA-213T22侧热影响区将是最为薄弱的区域

目前,铁素体钢与奥氏体钢异种钢对接焊缝常采用堆焊镍基或不锈钢隔离层,并采用镍基或不锈钢材料进行填充

、德等国家早期在第四代核电高温气冷堆蒸汽发生器设计和研究过程中225Cr-1Mo材料与Incoloy800H材料异种钢对接焊缝进行试验研究时,采用镍--铁镍基合金作为过渡金属进行对接接头填充

1工艺材料及方法

11试验材料

试验选用19mm×3mm的镍基合金SB-163UNSN08810Incoloy800H)和低合金耐热钢SA-213T22换热直管,其中换热管材质化学分析结果和力学性能结果分别见表1~3

12焊接试件制备

选用长度为100150mmSA-213T22钢和Incoloy800H换热管直管管端加工坡口。为了降低异种钢对接焊缝T22钢侧热影响区的成分稀释,避免明显的碳迁移现象,保证焊缝在高温运行环境下的性能,异种钢换热管焊缝采用填充ERNiCr-3过渡金属的焊接接头形式。焊接时,采用焊缝正面氦气保护,焊缝背面氩气保护的自动钨极氩弧焊工艺

依据ASMEBPVC-第一册NB分卷要求,对于SA-213T22换热管(P-No5A)材料焊接后需要进行675760℃,不少于30min的焊后热处理,与此同时,对于名义厚度t13mm,名义直径100mm,检测的wCr300wC015的管对接焊缝可以通过焊前预热(150℃)免除强制性焊后热处理

焊接试验分为2:一组对接试件采用焊前预热,焊后不进行焊后热处理的焊接工艺(后称焊态试件)。另外一组对接试件采用焊前不预热,焊后局部热处理的焊接工艺(后称热处理态试件)。

121焊态试件

选取第1组对接试件,焊前完成试件清理和组对装配后,通过火焰加热的方式,将试件预热到150℃以上后,采用自动钨极氩弧焊焊接工艺焊接试件

122热处理态试件

选取第1组对接试件,焊前完成试件清理和组对装配后,未经焊前预热,采用自动钨极氩弧焊焊接工艺焊接试件

在完成对接接头焊接后,对焊接接头进行690±10℃×3045min的局部热处理,其中400℃以上的升降温速率200℃/h

2接头性能分析及结果

SA-213T22钢与Incoloy800H换热管对接接头为铁素体钢和镍基合金的异种钢对接焊缝,焊接接头的构成如图1所示

分别对焊态和热处理态两种SA-213T22Incoloy800H异种钢对接接头的常规性能进行对比分析包括室温拉伸试验、高温(550℃)拉伸、弯曲试验硬度和金相组织

21室温拉伸试验

选取焊态与热处理态换热管异种钢对接接头分别进行室温拉伸试验。试样的制备和试验依据GB/T26512008进行

试验结果表明2种状态的T22Incoloy800H异种材料对接焊缝的室温拉伸断裂值为655740MPa,均高于T22钢侧母材的最低抗拉强度(415MPa),试样的断裂位置均在T22钢侧母材区域,为韧性断裂。相比较而言,经历了焊后热处理的焊接接头室温拉伸断裂强度略有下降

22高温拉伸试验

选取焊态与热处理态的换热管异种钢对接接头分别进行高温(550℃)拉伸试验。高温拉伸试样的制备和试验依据GB/T43382006进行。试验结果表明,焊接接头的高温拉伸试样断裂在T22钢侧母材,断裂位置距离焊缝最宽处边缘约15mm,为韧性断裂,拉伸断裂值为320358MPa,均大于T22钢侧母材的最低抗拉强度(358MPa)。两种状态焊接接头高温拉伸断裂强度值无明显变化

23接头面弯、背弯试验

依据GB/T26532008,对焊态与热处理态的异种钢换热管对接接头制备面弯和背弯试样。利用万能试验机进行对接接头的面弯和背弯试验;弯头直径D4a,弯曲角度为180°。异种钢对接由于焊缝两侧的2种材料的热膨胀系数存在差异,焊接接头中存在残余应力2种母材存在不同的延展性,致使在进行接头面弯和背弯试验时,容易造成部分弯曲试样无效

SA-213T22材料在焊接时,易在热影响区中产生淬硬组织,致使在进行接头背弯试验时,熔合线附近出现局部开裂现象的几率较高

对比焊态和焊后热处理态的异种钢对接接头试验,焊后热处理态接头的弯曲试验结果明显优于焊态接头的试验结果,如图2所示。其中,焊态试件在SA-213T22钢侧熔合线附近产生局部开裂的几率明显高于热处理态试件

24焊接接头的硬度试验

侧弯试验时,发现异种钢对接接头SA-213T22侧热影响区附近常常出现开裂现象,然而热处理态的异种钢对接接头有明显改善

分别选取焊态以及焊后热处理状态对接接头,按图3所示采用机械法切取硬度测试试样,试样包括焊缝、两侧热影响区及两侧母材

硬度测试试样的检验面选取换热管厚度截面,检验面经抛磨腐蚀后,在接头截面垂直于焊缝方向沿截面中心线进行维氏硬度打点测试,以焊缝中心为原点,向接头两侧每隔05mm进行载荷为100N的维氏硬度测定

对比分析焊态与热处理态两种状态异种钢对接接头的HV10硬度变化曲线如图4所示。接头焊缝金属的硬度值约为HV10140,焊后热处理对焊缝金属硬度影响不大

焊态接头SA-213T22钢侧热影响区随着与熔合线距离的增大硬度迅速升高,在距焊缝中心约5mm处达到峰值HV10320,而后迅速下降,在距焊缝中心约8mm处硬度值恢复至母材的硬度值HV10178;热处理态的焊接接头SA-213T22钢侧热影响区硬度峰值降低到了约HV10250

25焊接接头的金相试验

对比预热不焊后热处理(焊态)和不预热焊后热处理(焊后热处理态2种工艺状态下的异种钢对接接头各个区域的微观金相组织,焊态和热处理态焊接接头两侧的母材及焊缝金属的金相组织均未发生变化,其中SA-213T22钢侧母材为铁素体组织;焊缝Incoloy800H合金侧母材及热影响区组织为奥氏体组织

只有SA-213T22钢侧焊缝热影响区的组织发生了明显变化,如图5所示,由焊态下的贝氏体马氏体少量铁素体组织变化成了热处理状态下的贝氏体回火索氏体少量铁素体组织。焊后热处理对T22钢侧热影响区的微观组织结构有所改善,有效地改善了接头性能

3结论

1)笔者通过采用自动钨极氩弧焊实现了SA-213T22钢与Incoloy800H合金异种金属换热管对接焊。采用预热不焊后热处理和不预热进行焊后热处理,这2种工艺均可以得到满足设计要求的异种金属对接焊焊缝

2)通过室温拉伸试验和高温拉伸试验结果对比,进行焊后热处理的异种金属对接接头抗拉强度略有下降,相比较焊态对接接头变化不大

3)对经焊后热处理的异种钢对接接头进行面弯、背弯试验,其结果明显优于焊态焊接接头的试验结果。异种钢对接接头易在SA-213T22钢侧热影响区附近产生淬硬组织造成弯曲试样失效和开裂

4SA-213T22Incoloy800H异种金属对接接头中SA-213T22钢侧热影响区的硬度值明显高于接头其他区域,最大硬度峰值达到约HV10320。焊后热处理能够降低SA-213T22钢侧热影响区的硬度,使最大硬度峰值达到约HV10250

5)合理的焊后热处理制度能够适当地消除异种金属对接接头及热影响区的残余应力,降低应力腐蚀的敏感性,软化热影响区,提高焊缝金属的塑性等作用

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|不锈钢换热管

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