鎳基合金800H(N08810)制壓力容器的焊后熱處理要求探討

湖南省特種設備檢驗檢測研究院 湖南 長沙 410000

1 引言

鎳基合金是一種在高溫條件下具有較好的強度,其耐腐蝕性和抗氧化性能均能夠達到較高的水平,鎳基合金在600℃時能保持較好的韌性和強度,在700℃的高溫環境中,仍能保持韌性,還具有較好的還原、氧化和氮化介質耐腐蝕性能,在一些高溫環境、耐腐蝕要求較為嚴格的石油化工項目中得到廣泛的應用。

2 合金800H(N08810)材料特性

2．1 材料成分 800H合金是一種含有碳、鋁、鈦、硅、錳及限量固溶態高強度奧氏體鎳鐵鉻合金。該合金的主要成分組成表見表1所示。

表1 800H合金的主要成分表

通過表1的數據可以看出,800H合金中的碳含量相對于N08800合金系列其他材料高,碳含量高可以更好地保證高溫條件下的持久強度和蠕變強度,能夠適應高溫環境中的要求。通過控制合金中的碳含量不低于0．05%,即可能保證合金良好的高溫使用條件,一般而言,N08800合金適用于低于590℃的環境使用,而800H合金能夠適用于高于600℃環境使用,同時具有良好的抗拉強度。

2．2 材料的性能

(1)容易產生熱裂紋。從上述的成分表中不難看出,合金中含有較多的鎳,該材料在液態凝固成固態過程中容易與S、P、O等元素形成一些低熔點的結晶體,這些結晶體是形成裂紋的主要原因,合金在進行焊接時,材料在焊接區域容易形成粗大的樹枝狀的奧氏體結晶,低熔點的結晶體容易聚集在晶界,如果出現凝固收縮應力和焊接拉伸應力時,低熔點的結晶體很容易被拉伸而導致出現熱裂紋。此外,除了焊接熱裂紋外,對那些由于冷成型、厚度不一致以及接管比較多容易導致應力集中的合金800H(N08810)制壓力容器,在受熱(熱影響)部位、冷變形處,特別是壁厚較厚的材料在制造中更容易出現應力松弛導致的熱裂紋。

(2)容易出現氣泡。該合金材料的密度大,導熱性能差,熔體的粘度相對較高,氣體的自由逸出能力差,因此容易導致未逸出的氣體形成氣泡。

3 焊接過程易產生熱裂紋的原因分析

多變化裂紋產生原因:一般縱向裂紋,斷口處沒有明顯的塑性變形,為高溫低塑性開裂特征,同時裂紋的出現時間為固相線以下的再結晶溫度區間,應為多變化裂紋。該裂紋的形成原因是高溫和應力的雙重作用下,晶格的缺陷出現了位移,因焊接過程本身屬于不平衡的冶金過程,容易出現較多的空位等缺陷,這些晶格缺陷匯集、擴大,最終形成了多變化裂紋。

高溫液化裂紋產生原因:出現過熱的情況,導致高溫液化裂紋的出現。產生高溫液化裂紋的主要原因是發生了晶間液膜,在焊接熱循環峰值溫度的作用下,在熱影響區和多層焊的層間出現了重熔,拉應力作用下產生裂紋。鎳金屬容易與一些元素形成低熔點的晶體,這些晶體會以液化膜的形式存在于晶界面,溫度低于固相線時在收縮應力的作用下產生開裂的情況。

4 焊后熱處理的作用

800 H合金進行的焊后熱處理技術主要包括兩種:固熔處理和穩定化處理。

固熔處理主要是將產生的低熔點的結晶物質重新熔化并再次進入基體中,消除粗大的奧氏體組織,保證晶粒的均勻性成長,提升晶面的塑性性能。細化粗大晶粒,可以有效降低或消除熱裂紋,同時提升材料自身的強度性能。

穩定化處理目的是解決焊縫的晶界貧鉻現象提高抗焊縫的抗晶間腐蝕能力,為了保證碳元素的充分溶解,除了加入穩定的鈦元素外,同時需要選擇在熱穩定的溫度區間內進行處理,一般850－910℃,減少碳化鉻的析出,這樣在熱處理溫度經過敏化溫度時,也不會有很多碳化鉻析出,降低了焊縫的晶間腐蝕敏感性。

5 防止焊接熱裂紋出現的措施

(1)鋁和鈦的穩定加入。鋁和鈦加入能夠促進鎳金屬與鋁、鈦形成穩定的金屬間化合物,從而減少低熔點結晶物質產生,但兩種金屬的加入會在一定程度上降低合金的焊接性能,因此需要選擇合適的添加比例。

(2)為了保證焊接接頭與母體具有相同的高溫蠕變性能及抗氧化性能。為保證接頭的高溫強度,焊接金屬需與母體的材質具有相同含量的鉻和鉬含量。而過高的鉻含量會在焊接過程中形成復雜的碳化物,對焊接質量產生影響。因此,可以選用鈮、釩等元素對鉻鉬鋼滲合金,這些合金產生的碳化物在短時間的焊接熱周期內來不及溶解到固熔體中,提高金屬的韌性和抗裂性能。

(3)焊材的合理管理與選擇。為了保證焊接的質量,需要對焊材進行品質控制,首先對來樣進行嚴格的質量檢測,篩選出不滿足要求的焊材。另外,焊材的存儲環境需要進行控制,一般需要保證環境中的溫度在5℃以上,環境濕度不超過60%,否則需要進行除濕。倉管需要每天定時檢測環境的溫度和濕度。焊條使用前,需要按照使用說明進行烘干處理,烘干時升溫速度一般控制在每小時150℃以下,避免升溫速度過快對藥皮產生開裂影響。

(4)選擇合適的晶粒細化的加工條件,同時對粗晶粒在成形和焊接后需進行退火處理,在焊接時,應快速冷卻,避免焊接區在高溫時停留過長,防止產生晶間腐蝕。

6 結語

800 H因其高溫條件下具有較好的強度,在一些特殊領域得到應用。但在高溫和高壓的作用下,合金材料在進行焊接時容易出現裂紋,使得其應用效果得到威脅,因此對焊接造成的裂紋進行控制十分關鍵。焊后熱處理能夠有效控制焊接過程中產生的熱裂紋,保證材料焊接的質量。另外,本文還對焊接過程中熱裂紋控制措施進行簡要分析,兩種措施共同消除和控制熱裂紋。