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高壓鍋爐管之異種鋼焊管的金相分析

 電廠高壓鍋爐管的爆破往往會(huì)導(dǎo)致其周邊的管道損壞，迫使整個(gè)機(jī)組關(guān)閉，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。小型機(jī)組設(shè)備由于投資少，可以根據(jù)實(shí)際情況全部使用高性能鋼(如TP304H鋼)。但是對(duì)于大型機(jī)組設(shè)備，全部使用高性能鋼則會(huì)使成本大幅提高，而且機(jī)組不同部件對(duì)材料的性能要求也不同，因此為了節(jié)省材料，提高經(jīng)濟(jì)效益，可以根據(jù)機(jī)組的使用要求采用不同的材料。這時(shí)就產(chǎn)生了異種鋼管道的焊接問(wèn)題。由于異種鋼含碳量的巨大差異以及合金元素的不同，導(dǎo)致在焊縫處力學(xué)性能和金相組織也不同，往往成為爆管的多發(fā)地區(qū)。焊接方法的采用以及焊接材料的選擇直接影響管道的焊接效果和使用性能。 
　　1試驗(yàn)方法 
　　1.1試驗(yàn)材料 
　　選用的材料為T(mén)P304H不銹鋼與12cr1M0V低合金鋼。TP304H是一種常用的高溫過(guò)熱器及高溫再熱器材料，相當(dāng)于我國(guó)的0Cr19Ni9，碳含量為0.073t0.080%，屬奧氏體鋼。12Cr1MoV鋼是我國(guó)和蘇聯(lián)等國(guó)家用于管壁溫度小于580℃的超高壓以上鍋爐的過(guò)熱器和蒸氣管的主要鋼種，碳含量為0.08--0.15%，屬于珠光體鋼種。 
　　1.2刪H和12CrlMoV的焊接 
　　焊接的兩種基體為T(mén)P304H鋼管(外直徑50.8mm，厚度4.6mm)和12CrlMoV鋼管(外直徑50.8mm，厚度5ram)，焊絲牌號(hào)為HOCr19Ni9(直徑2.4mm)。HOCr19Ni9也是一種不銹鋼，其化學(xué)成分與TP304H十分相似。焊接的方法采用氬氣保護(hù)手工電弧焊對(duì)焊，焊接過(guò)程一共分三道，正面的氬氣流量為7---10L/min，背面保護(hù)氣體流量為3～5L/min。 
　　1.3實(shí)驗(yàn)溫度選擇 
　　火力發(fā)電廠鍋爐高溫過(guò)熱器和高溫再熱器的正常使用溫度約為540℃。在使用過(guò)程中，往往會(huì)由于某種原因造成爐管的局部過(guò)熱，有時(shí)爐管的溫度可以達(dá)到800℃以上，因此本實(shí)驗(yàn)采用650℃、750℃、850℃三個(gè)溫度進(jìn)行試驗(yàn)。試樣分別放人設(shè)定好溫度的馬弗爐中長(zhǎng)時(shí)間保溫，并間隔一定時(shí)間取出部分試樣進(jìn)行分析。 
　　1.4金相分析 
　　金相樣品從爐中取出空冷，然后打上鋼號(hào)以便記錄。金相組織的觀察主要在OLYMPUS金相顯微鏡下完成。 
　　2試驗(yàn)結(jié)果與討論 
　　2.1選擇金相組織侵蝕劑 
　　因?yàn)楸敬卧囼?yàn)的金相試樣實(shí)際上為三種金屬的組合(12Cr1M0V、H0Cr19Ni9、TP304H)，所以單純以一種侵蝕劑同時(shí)顯示三種金屬的組織是不會(huì)很理想的，需采用分類(lèi)侵蝕顯示的方法，由于TP304H和HOCrl9Ni9較為相近，可以選擇同一種侵蝕劑。常用顯示TP304H奧氏體不銹鋼的侵蝕劑為FeCl—HC1水溶液，可以較好地顯示碳化物析出相。但是如果碳化物消失，或在供貨狀態(tài)下還未析出碳化物，使用FeC1s—HC1水溶解就得不到預(yù)期的結(jié)果。此時(shí)可以采用Cr03—HC1水溶液或王水溶液，王水溶液侵蝕時(shí)間短，不易掌握，故一般采用Cr03—HC1水溶液。12Cr1MoV的侵蝕劑一般采用硝酸酒精溶液，侵蝕10S左右更可以看到珠光體組織。 
　　2.2TP304H鋼的碳化物析出變化規(guī)律 
　　TP304H鋼經(jīng)過(guò)高溫固溶熱處理，形成奧氏體單相組織，在一定溫度下保溫時(shí)，碳化物又會(huì)沿奧氏體晶界析出長(zhǎng)大。在650℃溫度條件下，碳化物呈麻點(diǎn)狀在晶界及其附近區(qū)域析出。在750℃溫度條件下，碳化物析出明顯加快，在晶界和孿晶上可以清晰地看到碳化物顆粒。而在850℃溫度條件下，短時(shí)間內(nèi)便有碳化物顆粒析出，且碳化物鏈已斷開(kāi)，奧氏體晶內(nèi)亦有麻點(diǎn)狀碳化物析出。通過(guò)金相分析可以看到，隨著試驗(yàn)溫度的升高，碳化物析出的一般過(guò)程為：析出小顆粒一小顆粒長(zhǎng)大并連成鏈一碳化物鏈長(zhǎng)大一碳化物鏈斷開(kāi)形成大顆粒。 
　　碳化物的析出使材料出現(xiàn)高溫脆化現(xiàn)象，對(duì)材料的使用性能是有害的。在不同的溫度條件下，碳化物析出形態(tài)和析出程度有很大變化。溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，碳化物析出越快，顆粒越大，高溫脆化現(xiàn)象越嚴(yán)重。 
　　2.3焊縫的組織變化 
　　試驗(yàn)所用焊絲的牌號(hào)為HOCr19Ni9，是一種與TP304H相似的18—8型奧氏體不銹鋼焊絲。焊縫的原始組織為奧氏體+鐵素體，鐵素體呈樹(shù)枝狀分布。18—8奧氏體鋼平衡態(tài)為奧氏體+鐵素體+碳化物復(fù)相組織，實(shí)際的單相奧氏體是通過(guò)熱處理的配合獲得的。焊縫未經(jīng)過(guò)高溫固溶處理，所以得到鑄態(tài)組織，與平衡態(tài)組織相似。由于焊接時(shí)溫度較高，即相當(dāng)于在高溫下加熱，所以會(huì)形成鐵素體，在650℃～85O℃下還會(huì)有盯相析出。盯相與碳化物混合在一起，需經(jīng)過(guò)染色才能區(qū)別于碳化物。盯相的析出導(dǎo)致鋼的脆性增加，耐蝕性和抗氧化能力下降。 
　　焊縫經(jīng)過(guò)一段時(shí)間保溫后，在奧氏體與鐵素體交界處開(kāi)始有碳化物析出。隨著在不同溫度下保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，碳化物漸漸聚集長(zhǎng)大，最后碳化物呈顆粒狀分布于晶界上。不同溫度下碳化物形態(tài)有所不同，高溫下碳化物析出較快，顆粒長(zhǎng)大現(xiàn)象明顯。650℃溫度下晶界呈樹(shù)枝狀，隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)樹(shù)枝晶漸漸變短，碳化物在晶界上析出長(zhǎng)大，最后形成碳化物顆粒;在750℃下，上述變化更明顯，樹(shù)枝晶變短、變寬，碳化物顆粒清晰可見(jiàn);在850℃下碳化物析出嚴(yán)重，碳化物呈球狀，并聚集長(zhǎng)大。