珠光体耐热钢采用奥氏体焊材焊接时接头产生裂纹的情况分析

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1、珠光体耐热钢采用奥氏体焊材焊接时接头产生裂纹的情况分析齐鲁石化公司检修公司聂振海一九八九年九月内容提要石油化工中的部分设备和管道采用珠光体耐热钢。以前由于现场施工条件的限制，一些单位常采用奥氏体不锈钢焊条焊接。这种焊接接头在使用中经常产生裂纹。本文针对这些具体事例进行分析，指出破坏的原因、检查方法和改进措施。石油化工厂中部分温度在400—500℃的压力容器和管道，常采用珠光体耐热钢。此种材料在高温下具有足够的强度和抗氧化性，还具有较好的抗硫腐蚀和抗氢腐蚀的性能，是优良、经济的材料。但由于焊接此种焊接材料需采用化学成分、耐高温性能与母材相同

2、的耐热钢焊条，而采用这种焊条焊接工艺较苛刻，需进行焊前预热和焊后消除焊接残余应力热处理，鉴于现场条件的限制，不少单位在进行焊接装配或缺陷返修时，常采用奥氏体焊条焊接。这些接头在焊接中和使用一段时间后（几年），常常产生裂纹。表１是齐鲁第一化肥厂部分珠光体耐热钢压力容器和管道奥氏体接头产生裂纹的情况。设备、管线名称使用温度材　质规　格裂　纹　情　况发现时间转化废热锅炉气包225℃12CrMo+16Mn25mm最长裂纹900mm，深15mm第七年中温变换炉410℃13CrMo4432mm拍片发现七条裂纹，最大肉眼可见返修中甲烷化炉400℃15C

3、rMo26mm拍片发现八条裂纹，最大肉眼可见返修中对流五段至二段炉管线500℃13CrMo44Φ273×8肉眼可见热裂纹焊接时对流六段至二段炉管线510℃12CrMoΦ219×8裂纹沿熔合线，最后爆开第七年转化废锅至中变炉管线12CrMoΦ377×10裂纹沿熔合线产生裂穿2~4年焊接特点及裂纹产生的原因一、珠光体耐热钢的焊接特点珠光体耐热钢是低合金耐热钢，含有不同成分的铬、钼、钒、钨、铌等合金元素，其可焊性与低碳调质高强钢相似，主要问题是近缝区的硬化和冷裂纹。这种钢的淬硬倾向较大，在冷却到较低温度时会发生马氏体转变，因此焊接此种钢种时，如

4、果冷却速度较大，最易形成淬硬组织，使焊缝和热影响区的塑性降低，脆性增大，往往产生冷裂纹。为防止冷裂纹产生，需要进行焊前预热和焊后热处理，焊接时应连续焊完，中途最好不要中断，在整个焊接过程中保持焊件不低于预热温度，采用较大的热输入量。二、奥氏体不锈钢的焊接特点奥氏体不锈钢的焊接的主要缺陷是热裂纹，特别是单相奥氏体不锈钢的热裂倾向更大。为防止热裂纹的产生，需要采取以下措施：采用较小的焊接热输入量（低电压、小电流、高焊速），低的层间温度，即需要等前一道焊层冷却后，再焊下一焊道，焊条不摆动的窄焊道，以减少焊缝过热，增强抗热裂纹的能力。三、异种钢的

5、焊接特点异种钢焊接，通常是指不锈钢与低碳钢或普通低合金钢的焊接。对于珠光体耐热钢采用奥氏体焊材焊接，虽然两侧母材是同种钢材，但综合焊缝材质来考虑，也具有异种钢焊接的特点。异种钢焊接时，会出现焊缝的稀释、熔合区过渡层低塑性带、碳的迁移及接头的应力差异，所有这些将对接头的可焊性及运行周期产生重大影响。（一）焊缝的稀释珠光体钢采用奥氏体焊条焊接时，由于珠光体钢中含合金元素较低，所以焊缝金属的合金成分将被稀释，使焊缝的奥氏体形成元素含量不足，结果焊缝可能出现脆性马氏体组织，恶化了接头质量，有产生裂纹的危险。（二）熔合区过渡层的低塑性异种钢焊接时，

6、奥氏体焊缝金属中紧邻熔合线处，存在一个窄的低塑性带，带宽一般为0.2~0.6mm，其化学成分和组织不同于焊缝的其余部分。其形成原因是因为珠光体钢与奥氏体填充金属成分相差悬殊，在熔池边缘上，液态金属温度较低，流动性较差，液态停留时间较短，所受到的机械搅拌作用也较弱而形成的。低塑性带的存在，会严重降低接头的冲击韧性，在焊接应力和拘束应力的作用下会造成熔合线开裂。如图1、图2所示。图1中变炉焊缝返修熔合线处裂纹图2中变炉焊缝返修熔合线处裂纹（三）熔合区碳的迁移在焊接过程中，特别是在焊后热处理及高温运行过程中，将在异种钢熔合线附近，发生碳的扩散迁

7、移现象。碳从珠光体钢一侧通过熔合线向奥氏体焊缝扩散，其结果在靠近熔合线的珠光体钢一侧产生脱碳层，形成铁素体而被软化，在相邻和奥氏体焊缝一侧产生增碳，形成了高硬度的黑色增碳层。增碳层的碳以铬的碳化物形态析出而硬化。如图3所示。中层熔合区上层熔合区图3转化废锅气包熔合线处金相照片×250由于增碳层和脱碳层变形阻力不同，将引起应力集中，其结果是使接头的高温持久强度、塑性和抗腐蚀性能下降，脆性增大，使接头在高温下沿熔合线产生开裂，如图4、5、6所示。图4、转化汽包熔合线裂纹着色照片（84.6）图5、图4裂纹处打磨后着色照片图6、图4所示裂纹X射线

8、片翻印片（四）焊接接头的应力差异珠光体钢与奥氏体钢的线膨胀系数不同，在20~600℃温度范围内，大多数珠光体钢为：13.5×10-6K-1－14.5×10-6K-1，而奥氏体钢为16×10-6