乙烯裂解炉高合金炉管异种钢焊接组织性能及强化相分析

张胜男 唐元生 马 宏 赵 茜

1.中石化第十建设有限公司 山东青岛 266555；2.山东大学 山东济南 256510

提高裂解温度是提高乙烯裂解炉热效率和生产能力的有效措施，但随着裂解温度的提高，对乙烯裂解炉炉管材质的高温性能提出了更高的要求。乙烯裂解炉炉管常用材质为高合金含量的铁镍基合金，如20Cr- 32Ni- Nb、25Cr- 35Ni- Nb 和35Cr- 45Ni- Nb 等。这些高合金炉管通常在高温下具有良好的瞬时强度、持久强度和蠕变性能。乙烯裂解炉内还存在多处异种钢焊接接头，这些异种钢焊接接头也应具有与母材匹配的高温性能。但不同的乙烯装置设计单位对炉管异种钢焊接接头焊材型号的选择不尽相同。以下选取一种典型的高合金炉管异种钢焊接接头（20Cr- 32Ni- Nb 与25Cr- 35Ni- Nb），进行基体组织和强化相研究，并结合其他力学性能数据，分析不同焊材选择对组织成分的影响，及其导致不同焊接接头机械性能差异的原因。

1 母材及焊接接头机械性能

20Cr- 32Ni- Nb 与25Cr- 35Ni- Nb 母材Cr、Ni 合金含量总差异在10%左右，属于典型的乙烯裂解炉高合金炉管材料。20Cr- 32Ni- Nb 最高许用温度为900℃，25Cr- 35Ni- Nb 最 高 许 用 温 度 为 1100℃ 。20Cr- 32Ni- Nb 与25Cr- 35Ni- Nb 异种钢焊接接头机械性能指标参照20Cr- 32Ni- Nb 选取，详见表1。

表1 20Cr- 32Ni- Nb与25Cr- 35Ni- Nb异种钢焊接接头机械性能指标

2 焊接接头机械性能分析

为减少试验过程中的误差，分别选用制造厂商、生产批次、管径、壁厚完全相同的20Cr- 32Ni- Nb 和25Cr- 35Ni- Nb 母材，采用施工现场焊接常用的ERNiCr- 3、ERNiCrCoMo- 1、ER21- 33MnNb、H4Cr25Ni35Nb 四种焊丝进行焊接，并分别编号：选用ERNiCr- 3 焊丝的焊接接头编号为LG- A；选用ERNiCrCoMo- 1 焊丝的焊接接头编号为LG- B；选用ER21- 33MnNb 焊丝的焊接接头编号为LG- C；选用H4Cr25Ni35Nb 焊丝的焊接接头编号为LG- D。对上述四种焊接接头进行常温拉伸、高温短时力学性能、高温持久性能和高温蠕变极限试验，发现四种焊接接头的常温拉伸、高温短时和高温持久性能均能达到对母材高温持久性能标准的要求，但LG- A 和LG- B 的接头强度、延伸率及接头稳定性略高于LG- C和LG- D。

3 母材及热影响区基体组织及强化相分析

3.1 母材金相组织分析

图1 （a） 和 图1 （b） 分 别 为25Cr35NiNb 和20Cr32NiNb 母材金相组织，通过对比可以发现，两类母材的基体组织均为鱼骨状奥氏体，但25Cr35NiNb 的晶粒略小于20Cr32NiNb，这可能是由于前者晶界处存在着大量的强化相，阻碍了其晶粒的进一步长大所致。图1（c）和图1（d）为25Cr35NiNb 和20Cr32NiNb 侧热影响区，对比发现，与母材相比，两者晶界处富集的第二相含量明显增多，但基体晶粒尺寸没有明显变化，这可能会导致热影响区位置产生一定的第二相强化效应。此外，不同道次焊缝位置的热影响区差别不大。

图1 25Cr35NiNb 和20Cr32NiNb 母材及热影响区金相组织

3.2 母材强化相分析

图2（a）为25Cr35NiNb 耐热钢中放大1000 倍下显微组织扫描图，图2（b）、（c）、（d）分别为图2（a）对应各点的EDS 谱图。从图2（a）中可以观察到片层状共晶组织沿晶界接析出。结合表2 各位点的分析结果发现，共晶组织由白色富Nb 相，即Fe- Ni- Cr- Nb 相，以及深灰色的富Si 相组成。富Nb 相与富Si 相均在晶界处存在，但看不出其先后析出的顺序。根据Fe- Si 二元相图及Fe- Cr- Ni三元相图分析，这可能由于在液体冷却过程中，两种相的析出温度处在相似温度区间，富Nb 相与富Si 相会以元素偏析的方式在晶界处析出。

表2 25Cr35NiNb 能谱分析成分表 （at%）

图2 母材25Cr35NiNb 显微扫描图（a）及各点EDS 谱图（b—d）

图3（a）为20Cr32NiNb 母材放大1000 倍下的显微组织图，图3（b）和（c）分别为图3（a）对应各点的EDS 谱图。由图3（a）观察到共晶组织同样以片层状形貌存在于奥氏体基体中。结合表3 可知，共晶组织仅由白色富Nb相组成。 这是由于20Cr32NiNb 的母材中缺少25Cr35NiNb 中所含有的微量元素导致的。

图3 20Cr32NiNb 显微扫描图及各点EDS 谱图（b、c）

表3 20Cr32NiNb 能谱分析成分表 （at%）

4 焊接接头基体组织及强化相分析

分别针对四种焊接接头进行显微组织及强化相分析。考虑到两侧母材的差异，所分析区域为每道焊缝和两道焊缝交界位置的熔合线左侧、中心及熔合线右侧。以LG- A 类焊接接头典型位置组织成分及强化相为例进行分析。

4.1 第一道焊缝组织及强化相分析

图4 为第一道焊缝的交界面组织，由图可见，焊缝左右两侧熔合区与焊缝中心组织均为奥氏体，但存在一定的形貌差异。焊缝左右两侧熔合区由于受到较快冷却速度和垂直于熔合线温度梯度的影响，形成了垂直于熔合线向焊缝中心生长的柱状晶；而中心区域由于温度梯度较小和散热较慢形成了细小的等轴奥氏体晶粒组织，且包含了部分由两侧熔合区延伸生长的柱状晶。

图4 第一道焊缝的交界面组织

图5（a）为采用ERNiCr- 3 焊丝焊接的耐热钢接头第一道焊缝中心区域显微电子扫描图，图5（b）、（c）、（d）分别为图5（a）对应各点的EDS 谱图。结合表4 中对焊缝中点的成分分析可知，基体主要由Cr、Ni 等元素组成，白色析出物由富Nb 相组成，并呈颗粒状弥散分布在晶界处。这可能是由于焊接过程中冷却速度过快，所以不能形成稳定的共晶组织。同时，在晶界位置并没有发现明显的富Si相的存在。通过对基体的EDS 点分析（点3）发现，其Si 含量高于ERNiCr- 3 焊丝中Si 含量，因此Si 可能以固溶体的形式存在于基体中。

图5 第一道焊缝中心显微扫描图（a）及各点EDS 谱图（b、d）

表4 第一道焊缝中心能谱分析成分表 （at%）

4.2 第一道、二道焊缝界面位置组织分析

图6 为第一道和第二道焊缝的交界面组织，由图可见，焊缝左右两侧熔合区与焊缝中心同为奥氏体组织，但形貌存在一定差异。焊缝交界中心的第一道焊缝受第二道焊缝的热影响，晶粒有略微长大，且有重熔区的存在。而第二道焊缝由于受到冷却速度和温度梯度的影响，在左侧、中心和右侧均形成了垂直于界面向中心生长的柱状晶。焊缝交界熔合区（右侧）产生了黑色的弧状条纹，这是由于打磨后表面仍旧比较粗糙，在下一道焊接过程中，可能会导致熔融的母材材料进入到上一道焊缝或者熔合区的间隙中，进而出现了图中母材或熔融金属以楔形的方式插入焊缝区的现象。

图6 第一道与第二道焊缝的界面组织

4.3 第二道焊缝强化相分析

第二道焊缝中心扫描电子图和各点EDS 谱图如图7所示。结合表5 中的EDS 点分析结果，并与第一道焊缝中心对比分析，发现晶界处强化相同样由白色富Nb 相组成。该道焊缝强化相的形貌与第一道焊缝的强化相形貌区别不大。

表5 第二道焊缝中心能谱分析成分表 （at%）

图7 第二道焊缝中心显微扫描图像（a）和各点的EDS 谱图（b、c、d）

4.4 四种焊接接头组织及强化相汇总

采用相同的组织分析方法，对四种焊接接头组织成分及强化相进行分析，结果分别见表6 和表7。

表6 不同焊材焊接接头组织分析汇总

表7 不同焊材焊接接头强化相分析汇总

5 结论

对乙烯裂解炉高合金炉管异种钢焊接接头，采用四种不同种类的焊丝制备，并横向对比不同种类焊丝对接头显微组织和性能的影响。

（1）采用四种不同焊丝的接头焊缝基体组织虽仍为奥氏体组织，但形貌由于受到了焊丝合金元素、散热条件的影响，在不同位置有着明显的区别。在焊缝靠近熔合区侧，由于受到较快冷却作用的影响，该位置主要以细长柱状晶和胞状晶存在。焊缝中心区域多以胞状晶或等轴晶组成。而当如ER21- 33MnNb 焊丝中含有促进二次相形成的Mn 等合金元素存在时，焊缝处晶粒则由大量的胞状晶组成。

（2）接头焊缝中心的强化相显著受到焊丝合金元素含量的影响，出现了不同种类及形态。其中ERNiCr- 3 焊丝和ERNiCrMo- 1 焊丝接头在焊缝位置强化相分别以颗粒状的富Nb、Cr、Mo 相存在；ER21- 33MnNb 焊丝的接头强化相在前几道焊缝处以片状共晶富Nb、Mn 相存在；H4Cr25Ni35Nb 焊丝的接头强化相以链状或颗粒状富Cr 和Nb、Ti 相存在；

（3）ERNiCr- 3 焊丝和ERNiCrMo- 1 焊丝焊接接头的基体组织及强化相分布均匀性略优于ER21- 33MnNb 焊丝和H4Cr25Ni35Nb 焊丝的接头，其高温性能较高或具有较高的稳定性。所以，建议优先选择ERNiCr- 3 和ERNiCrMo- 1 焊丝。但值得提出的是，其他两类接头的性能也达到了相关标准对母材高温性能的要求。