HP40Nb爐管焊接技術探討

朱國民

摘 ?要：本文簡要介紹了離心鑄造鐵基高溫耐熱合金鋼HP40Nb的材料特點及焊接性，并結合工程實例系統介紹了HP40Nb的焊接方法、操作技術、質量保證措施及焊接過程中的注意事項，對同類工程的施工有一定的借鑒意義。

關鍵詞：高溫耐熱合金鋼;離心鑄造用鋼管;HP40Nb

引言

HP40Nb（ZG40Cr25Ni35Nb）鋼為鐵基高溫耐熱合金鋼，屬于離心鑄造用鋼管。其具有良好的抗滲碳、抗高溫蠕變斷裂和抗氧化等優異性能，是一種耐高壓、耐腐蝕及抗高溫的材料，在合成氨、甲醇、城市煤氣，煉鋼工廠蒸汽轉換爐及乙烯裝置的裂解爐得到廣泛得有應用。我公司承建的某裝置蒸汽過熱爐輻射室的爐管使用該材料，其介質為588℃-812℃的蒸汽。

1. HP40Nb的成分與性能

HP40Nb爐管的化學成分見下表：

HP40Nb化學成分表

元素 C Si Mn Ni Cr Nb S P

標準值 0.35-0.45 <2.00 <2.00 32-37 24-27 0.6-1.5 <0.03 <0.03

實際值 0.419 1.35 0.82 34.55 24.5 0.81 0.019 0.026

HP40Nb爐管中Si含量高達1.8%，提高了爐管的高溫抗滲碳能力，同時也增加了出現大量微裂紋的傾向，為了解決這個矛盾，將C含量提高到0.4%，有助于提高爐管的焊接性能。Cr元素大部分成為固溶元素，另一部分則與碳形成鉻的碳化物，使合金具有良好的耐熱性和較高的高溫蠕變斷裂強度;由于鉻元素在爐管表面形成一層致密的氧化膜，從而使爐管具有良好的抗氧化性和一定的抗滲碳能力;與奧氏體不銹鋼一樣，在氧化性介質和某些還原性介質中，由于鉻和鎳的共同作用，使這種爐管具有良好的耐蝕性。該爐管中的鎳含量高達35%，一方面鎳起到穩定奧氏體的作用，并能提高爐管的高溫強度、高溫韌性以及抗滲碳作用;另一方面由于含有較高的鎳，可以減少碳在奧氏體中的溶解度，與HK-40爐管相比，在碳含量相同的情況下具有較多的共晶碳化物和較高的蠕變斷裂強度。爐管中加入一定量的鈮，也是為了提高爐管的蠕變斷裂強度、高溫塑性及抗滲碳能力。HP40Nb爐管具體力學性能見下表：

HP40Nb力學性能表

常溫力學性能 高溫力學性能

高溫短時力學性能 高溫持久強度/h

屈服強度

σs/MPa 抗拉強度

σb/MPa 伸長率

δ5（%） 試驗溫度

T/℃ 抗拉強度

σb/MPa 伸長率

δ5（%） 試驗溫度

T/℃ 試驗壓力

Pb/MPa 最小持續時間t/h

≥245 ≥440 ≥8 900 ≥147 ≥24 900 49 100

2. 焊接性能分析

HP40Nb爐管含碳量高，并存在一定量的共晶，焊接熔池的流動性好，但由于含有較高的Cr和Ni合金元素，在焊接過程中容易產生裂紋及氣孔等缺陷，焊接性能較差：

（1）HP40Nb爐管Ni含量高達35%左右，Si在Ni含量較高時易于偏析，在晶界上形成底熔點共晶物;該爐管具有較大的熱膨脹系數、較差的導熱性及較大的電阻率，在焊接過程中遇到局部加熱和冷卻的情況，焊接接頭會形成較大的拉應力，從而增加了出現較大熱裂紋的幾率。

（2）焊接時采用手工鎢極氬弧焊打底，如果氬氣保護不好，造成管內充氬保護過程中空氣沒有排盡，一方面容易出現難溶氧化渣，另一方面空氣中的氣體容易混入焊縫中形成氣孔;如果用于填充和蓋面的焊條沒有按要求進行烘干，藥皮中存在結晶水，也會產生氣孔。

（3）焊接過程中會造成HAZ高溫停留時間過長，較大應力作用和殘余應力的存在會引起晶粒粗大，同時產生Cr23C6。Cr23C6在奧氏體晶界沉淀，S、P、Si與Cr、Ni之間的共晶物析出，從而導致耐腐蝕性能下降。

3. 焊接

3.1 焊接方法選擇

焊接方法采用氬電聯焊，即手工鎢極氬弧焊打底，手工焊條電弧焊填充蓋面。手工鎢極氬弧焊具有熱量集中、焊接過熱區較小、高溫停留時間較短、冷卻速度快，反面焊縫成形質量好，以及管道內部清潔度高等特點;手工焊條電弧焊是最常用的焊接方法，其特點為靈活方便、可進行全位置焊接，及勞動效率高。

3.2 焊接材料選擇

根據化學成分和力學性能相當的原則，焊絲采用HPNb。HPNb焊絲具有良好的焊接性，其熔敷金屬具備高溫長期服役過程所需要的蠕變斷裂強度。在焊條的選擇上，我們根據設計要求選用鎳基焊條ENiCrMo3。焊材具體化學見下表：

HPNb（焊絲）化學成分表

元素 C Si Mn P S Cr Ni Nb

含量 0.42 1.20 1.30 0.012 0.008 25.13 35.3 1.12

ENiCrMo3（焊條）化學成分表

元素 C Si Mn P S Cr Ni Nb+Ta

含量 0.038 0.50 0.58 0.008 0.005 21.21 61.5 3.62

3.3 坡口選擇與加工

因為焊接材料的化學成分不同于母材本體，所以母材在焊縫金屬所占的比例份量愈少愈好，這樣能提高焊縫金屬的抗裂性能。另外，結合坡口形式的溶透性能，我們選用如下坡口：

坡口加工采用機加工，打磨采用專用砂輪片。加工后的坡口不得有氣孔、沙眼、毛刺及裂紋等影響焊接質量的缺陷，焊接前坡口應進行滲透檢測。

3.4 試件焊縫坡口表面清理

鎳合金對雜質比較敏感，爐管表面的物質（油脂、油漆、鐵銹及記號筆印記等）會給焊縫帶來一些有害元素（Pb、P及S），容易產生氣孔及裂紋等缺陷，因此在焊接試件前對坡口兩側20mm范圍內進行清理，清理時先用專用磨光機打磨至金屬光澤，然后再用丙酮進行清理。焊接前還要將坡口兩側100mm范圍內涂上白堊粉，防止焊接過程中飛濺對試件產生污染。