乙烯裂解爐高合金爐管異種鋼焊接組織性能及強化相分析

張勝男 唐元生 馬 宏 趙 茜

1.中石化第十建設有限公司 山東青島 266555；2.山東大學 山東濟南 256510

提高裂解溫度是提高乙烯裂解爐熱效率和生產能力的有效措施，但隨著裂解溫度的提高，對乙烯裂解爐爐管材質的高溫性能提出了更高的要求。乙烯裂解爐爐管常用材質為高合金含量的鐵鎳基合金，如20Cr- 32Ni- Nb、25Cr- 35Ni- Nb 和35Cr- 45Ni- Nb 等。這些高合金爐管通常在高溫下具有良好的瞬時強度、持久強度和蠕變性能。乙烯裂解爐內還存在多處異種鋼焊接接頭，這些異種鋼焊接接頭也應具有與母材匹配的高溫性能。但不同的乙烯裝置設計單位對爐管異種鋼焊接接頭焊材型號的選擇不盡相同。以下選取一種典型的高合金爐管異種鋼焊接接頭（20Cr- 32Ni- Nb 與25Cr- 35Ni- Nb），進行基體組織和強化相研究，并結合其他力學性能數據，分析不同焊材選擇對組織成分的影響，及其導致不同焊接接頭機械性能差異的原因。

1 母材及焊接接頭機械性能

20Cr- 32Ni- Nb 與25Cr- 35Ni- Nb 母材Cr、Ni 合金含量總差異在10%左右，屬于典型的乙烯裂解爐高合金爐管材料。20Cr- 32Ni- Nb 最高許用溫度為900℃，25Cr- 35Ni- Nb 最 高 許 用 溫 度 為 1100℃ 。20Cr- 32Ni- Nb 與25Cr- 35Ni- Nb 異種鋼焊接接頭機械性能指標參照20Cr- 32Ni- Nb 選取，詳見表1。

表1 20Cr- 32Ni- Nb與25Cr- 35Ni- Nb異種鋼焊接接頭機械性能指標

2 焊接接頭機械性能分析

為減少試驗過程中的誤差，分別選用制造廠商、生產批次、管徑、壁厚完全相同的20Cr- 32Ni- Nb 和25Cr- 35Ni- Nb 母材，采用施工現場焊接常用的ERNiCr- 3、ERNiCrCoMo- 1、ER21- 33MnNb、H4Cr25Ni35Nb 四種焊絲進行焊接，并分別編號：選用ERNiCr- 3 焊絲的焊接接頭編號為LG- A；選用ERNiCrCoMo- 1 焊絲的焊接接頭編號為LG- B；選用ER21- 33MnNb 焊絲的焊接接頭編號為LG- C；選用H4Cr25Ni35Nb 焊絲的焊接接頭編號為LG- D。對上述四種焊接接頭進行常溫拉伸、高溫短時力學性能、高溫持久性能和高溫蠕變極限試驗，發現四種焊接接頭的常溫拉伸、高溫短時和高溫持久性能均能達到對母材高溫持久性能標準的要求，但LG- A 和LG- B 的接頭強度、延伸率及接頭穩定性略高于LG- C和LG- D。

3 母材及熱影響區基體組織及強化相分析

3.1 母材金相組織分析

圖1 （a） 和 圖1 （b） 分 別 為25Cr35NiNb 和20Cr32NiNb 母材金相組織，通過對比可以發現，兩類母材的基體組織均為魚骨狀奧氏體，但25Cr35NiNb 的晶粒略小于20Cr32NiNb，這可能是由于前者晶界處存在著大量的強化相，阻礙了其晶粒的進一步長大所致。圖1（c）和圖1（d）為25Cr35NiNb 和20Cr32NiNb 側熱影響區，對比發現，與母材相比，兩者晶界處富集的第二相含量明顯增多，但基體晶粒尺寸沒有明顯變化，這可能會導致熱影響區位置產生一定的第二相強化效應。此外，不同道次焊縫位置的熱影響區差別不大。

圖1 25Cr35NiNb 和20Cr32NiNb 母材及熱影響區金相組織

3.2 母材強化相分析

圖2（a）為25Cr35NiNb 耐熱鋼中放大1000 倍下顯微組織掃描圖，圖2（b）、（c）、（d）分別為圖2（a）對應各點的EDS 譜圖。從圖2（a）中可以觀察到片層狀共晶組織沿晶界接析出。結合表2 各位點的分析結果發現，共晶組織由白色富Nb 相，即Fe- Ni- Cr- Nb 相，以及深灰色的富Si 相組成。富Nb 相與富Si 相均在晶界處存在，但看不出其先后析出的順序。根據Fe- Si 二元相圖及Fe- Cr- Ni三元相圖分析，這可能由于在液體冷卻過程中，兩種相的析出溫度處在相似溫度區間，富Nb 相與富Si 相會以元素偏析的方式在晶界處析出。

表2 25Cr35NiNb 能譜分析成分表 （at%）

圖2 母材25Cr35NiNb 顯微掃描圖（a）及各點EDS 譜圖（b—d）

圖3（a）為20Cr32NiNb 母材放大1000 倍下的顯微組織圖，圖3（b）和（c）分別為圖3（a）對應各點的EDS 譜圖。由圖3（a）觀察到共晶組織同樣以片層狀形貌存在于奧氏體基體中。結合表3 可知，共晶組織僅由白色富Nb相組成。 這是由于20Cr32NiNb 的母材中缺少25Cr35NiNb 中所含有的微量元素導致的。

圖3 20Cr32NiNb 顯微掃描圖及各點EDS 譜圖（b、c）

表3 20Cr32NiNb 能譜分析成分表 （at%）

4 焊接接頭基體組織及強化相分析

分別針對四種焊接接頭進行顯微組織及強化相分析。考慮到兩側母材的差異，所分析區域為每道焊縫和兩道焊縫交界位置的熔合線左側、中心及熔合線右側。以LG- A 類焊接接頭典型位置組織成分及強化相為例進行分析。

4.1 第一道焊縫組織及強化相分析

圖4 為第一道焊縫的交界面組織，由圖可見，焊縫左右兩側熔合區與焊縫中心組織均為奧氏體，但存在一定的形貌差異。焊縫左右兩側熔合區由于受到較快冷卻速度和垂直于熔合線溫度梯度的影響，形成了垂直于熔合線向焊縫中心生長的柱狀晶；而中心區域由于溫度梯度較小和散熱較慢形成了細小的等軸奧氏體晶粒組織，且包含了部分由兩側熔合區延伸生長的柱狀晶。

圖4 第一道焊縫的交界面組織

圖5（a）為采用ERNiCr- 3 焊絲焊接的耐熱鋼接頭第一道焊縫中心區域顯微電子掃描圖，圖5（b）、（c）、（d）分別為圖5（a）對應各點的EDS 譜圖。結合表4 中對焊縫中點的成分分析可知，基體主要由Cr、Ni 等元素組成，白色析出物由富Nb 相組成，并呈顆粒狀彌散分布在晶界處。這可能是由于焊接過程中冷卻速度過快，所以不能形成穩定的共晶組織。同時，在晶界位置并沒有發現明顯的富Si相的存在。通過對基體的EDS 點分析（點3）發現，其Si 含量高于ERNiCr- 3 焊絲中Si 含量，因此Si 可能以固溶體的形式存在于基體中。

圖5 第一道焊縫中心顯微掃描圖（a）及各點EDS 譜圖（b、d）

表4 第一道焊縫中心能譜分析成分表 （at%）

4.2 第一道、二道焊縫界面位置組織分析

圖6 為第一道和第二道焊縫的交界面組織，由圖可見，焊縫左右兩側熔合區與焊縫中心同為奧氏體組織，但形貌存在一定差異。焊縫交界中心的第一道焊縫受第二道焊縫的熱影響，晶粒有略微長大，且有重熔區的存在。而第二道焊縫由于受到冷卻速度和溫度梯度的影響，在左側、中心和右側均形成了垂直于界面向中心生長的柱狀晶。焊縫交界熔合區（右側）產生了黑色的弧狀條紋，這是由于打磨后表面仍舊比較粗糙，在下一道焊接過程中，可能會導致熔融的母材材料進入到上一道焊縫或者熔合區的間隙中，進而出現了圖中母材或熔融金屬以楔形的方式插入焊縫區的現象。

圖6 第一道與第二道焊縫的界面組織

4.3 第二道焊縫強化相分析

第二道焊縫中心掃描電子圖和各點EDS 譜圖如圖7所示。結合表5 中的EDS 點分析結果，并與第一道焊縫中心對比分析，發現晶界處強化相同樣由白色富Nb 相組成。該道焊縫強化相的形貌與第一道焊縫的強化相形貌區別不大。

表5 第二道焊縫中心能譜分析成分表 （at%）

圖7 第二道焊縫中心顯微掃描圖像（a）和各點的EDS 譜圖（b、c、d）

4.4 四種焊接接頭組織及強化相匯總

采用相同的組織分析方法，對四種焊接接頭組織成分及強化相進行分析，結果分別見表6 和表7。

表6 不同焊材焊接接頭組織分析匯總

表7 不同焊材焊接接頭強化相分析匯總

5 結論

對乙烯裂解爐高合金爐管異種鋼焊接接頭，采用四種不同種類的焊絲制備，并橫向對比不同種類焊絲對接頭顯微組織和性能的影響。

（1）采用四種不同焊絲的接頭焊縫基體組織雖仍為奧氏體組織，但形貌由于受到了焊絲合金元素、散熱條件的影響，在不同位置有著明顯的區別。在焊縫靠近熔合區側，由于受到較快冷卻作用的影響，該位置主要以細長柱狀晶和胞狀晶存在。焊縫中心區域多以胞狀晶或等軸晶組成。而當如ER21- 33MnNb 焊絲中含有促進二次相形成的Mn 等合金元素存在時，焊縫處晶粒則由大量的胞狀晶組成。

（2）接頭焊縫中心的強化相顯著受到焊絲合金元素含量的影響，出現了不同種類及形態。其中ERNiCr- 3 焊絲和ERNiCrMo- 1 焊絲接頭在焊縫位置強化相分別以顆粒狀的富Nb、Cr、Mo 相存在；ER21- 33MnNb 焊絲的接頭強化相在前幾道焊縫處以片狀共晶富Nb、Mn 相存在；H4Cr25Ni35Nb 焊絲的接頭強化相以鏈狀或顆粒狀富Cr 和Nb、Ti 相存在；

（3）ERNiCr- 3 焊絲和ERNiCrMo- 1 焊絲焊接接頭的基體組織及強化相分布均勻性略優于ER21- 33MnNb 焊絲和H4Cr25Ni35Nb 焊絲的接頭，其高溫性能較高或具有較高的穩定性。所以，建議優先選擇ERNiCr- 3 和ERNiCrMo- 1 焊絲。但值得提出的是，其他兩類接頭的性能也達到了相關標準對母材高溫性能的要求。