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310S奥氏体不锈钢管子管板焊接.pdf
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1、西部特种设备第 7 卷 第 1 期2024 年 2 月Vol.7 No.1Feb.2024WESTERN SPECIAL EQUIPMENT310S 奥氏体不锈钢管子管板焊接刘玉祥叶旭东徐健巴斯夫(中国)有限公司 上海 200023摘 要:本文介绍了 310S 奥氏体不锈钢管子管板 GTAW 焊接试验,通过采用低应力结构的焊接接头、小电流焊接、严格控制层间温度等措施,避免焊接热裂纹的产生。焊后对管头进行 PT、RT 检测,检测结果合格;对管头进行宏观金相试验、微观金相试验、金属和合金的腐蚀 奥氏体及铁素体奥氏体(双相)不锈钢晶间腐蚀试验方法(GB/T 43342020)标准中的 C 法晶间腐蚀
2、试验,试验结果满足标准的要求。关键词:310S 奥氏体不锈钢;管子管板;焊接;晶间腐蚀中图分类号:TG44 文献标志码:B 文章编号:2096-4765(2024)01-056-008310S Austenitic Stainless Steel Tube to Tube-sheet WeldingLiu Yuxiang Ye Xudong Xu JianBASF(China)Co.,LTD,Shanghai,200023Abstract:The GTAW welding test of 310S austenitic stainless steel tube to tube-sheet is
3、 introduced in this paper.The welding joints with low stress structure,small current welding and strict control of inter-pass temperature are adopted to avoid the occurrence of welding hot cracks.After welding,the tube to tube-sheet joint was tested by PT and RT,and the test results were qualified.M
4、acroscopic and microscopic metallographic tests andCorrosion of metals and alloysTest methods for intergranular corrosion of austenitic and ferriticaustenitic(duplex)stainless steels(GB/T 43342020)standard C method intergranular corrosion test were carried out on the tube to tube-sheet joint,and the
5、 test results met the requirements of the standard.Keywords:310S austenitic stainless steel;Tube to tube-sheet;Welding;Intergranular corrosion收稿日期:2023-11-9 作者简介:刘玉祥(1988),男,国际焊接工程师,主要从事压力容器焊接热处理工艺工作。引言某装置中的尾气预热器原设计采用 304L 不锈钢,设备运行两年后,在管板处发生严重的腐蚀。经过分析,该设备运行时,左侧管箱中的高温 NOx气体通过换热管冷却的过程中,会形成少量的 HNO3液体。H
6、NO3液体从右侧管箱的管孔流出后,再次受右侧管箱的高温作用,致使 HNO3液体发生沸腾,严重腐蚀右侧管箱的管板面。第 7 卷 第 1 期57刘玉祥,等:310S 奥氏体不锈钢管子管板焊接为了提高管子管板对沸腾 HNO3的耐腐蚀性能,后期对尾气预热器进行选材改进,管子管板采用耐腐蚀性能更好的 310S 奥氏体不锈钢材料制作。310S 奥氏体不锈钢具有严重的热裂纹倾向,为了保证管子管板的焊接质量以及在沸腾 HNO3工况下的耐腐蚀性能,对管子管板进行焊接工艺性试验,并通过无损检测、金相试验、腐蚀试验对焊接接头的性能进行验证。1 310S 奥氏体不锈钢介绍1.1 化学成分及力学性能310S 奥氏体不锈
7、钢(后简称 310S 不锈钢)是耐热型不锈钢的一种,具有很好的抗氧化性、耐腐蚀性,特别是具有良好的耐高温性能,最高使用温度可以达到 1 200。310S 不锈钢被广泛应用于锅炉、汽轮机、石化压力容器的制造1。310S 不锈钢标准型号为 S31008,板材满足承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带(GB/T 245112017)标准的要求,换热管满足锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管(GB/T 132962013)标准的要求,S31008 板材及换热管的化学成分与力学性能如表 1、表 2 所示。1.2 焊接热裂纹奥氏体不锈钢对焊接热裂纹具有一定的敏感性,相对于 304(L)、316(L)牌号的不锈钢,3
8、10S 不锈钢对热裂纹的敏感性更加严重。与304(L)、316(L)不锈钢相匹配的焊接材料ER308(L)、ER316(L)的熔敷金属中含有一定的铁素体组织,铁素体组织对 S、P 等杂质元素的溶解度高,降低了 S、P 元素与 Ni、Fe 元素形成低熔点共晶体的倾向,同时也减小了杂质元素发生偏析的可能。与 310S 不锈钢相匹配的焊接材料为 ER310,310S 材料中的 Ni 元素含量高,且焊缝熔敷金属为单相奥氏体组织,不含有铁素体组织,因此更容易产生焊接热裂纹。焊接热裂纹分为结晶裂纹和液化裂纹,310S不锈钢焊接时焊缝金属容易产生结晶裂纹,热影响区容易产生液化裂纹。结晶裂纹产生的主要原因是:
9、在焊缝金属凝固过程中,S、P 杂质元素与Ni、Fe 形成的低熔点共晶体富集于晶界,焊缝金属已经凝固成固态,低熔点共晶体还处于液态,表 1S31008 不锈钢化学成分(质量分数,%)表 2S31008 不锈钢力学性能名称C,maxSi,maxMn,maxP,maxS,maxCrNiMoNGB/T 24511 S310080.081.502.000.0350.01524.026.0 19.022.0-GB/T 13296 S310080.081.502.000.0350.03024.026.0 19.022.0-试验管板材料成分0.0140.110.910.0100.00125.321.20.06
10、0.06试验换热管材料成分0.0160.101.740.0170.00224.1720.140.060.02标准数字代号 规定塑性延伸强度 Rp 0.2/MPa抗拉强度 Rm/MPa断后延伸率 A/%硬度值/HVGB/T 24511S31008 205 515 40 220GB/T 13296S31008 205 520 35 200582024 年 2 月西 部 特 种 设 备在焊接拉应力的作用下形成裂纹2。液化裂纹多发生于焊接热影响区,液化裂纹形成的原因与结晶裂纹相接近,焊接过程中母材中的低熔点共晶体被液化,在焊缝金属收缩时所产生的拉应力作用下发生开裂3。根据上述焊接热裂纹形成原因的分析,
11、降低310S 不锈钢热裂纹倾向应从四个方面着手:一是降低原材料中的 S、P 杂质元素的含量;二是减小焊接接头的焊接应力;三是采用小电流进行焊接;四是采用锰元素含量高的焊材,通过锰进行脱硫,降低焊接热裂纹的产生。2 晶间腐蚀分析奥氏体不锈钢在 300950的温度范围内可能在晶界处析出碳化铬以及其他含铬金属间化合物。碳化铬、含铬金属间化合物的析出消耗了晶界大量的铬,形成了贫铬区。当加热过程较短时,晶粒本体的铬原子来不及向贫铬区扩散补充,温度下降后,贫铬区得以保存。当接触到某些晶间腐蚀介质时,贫铬区会产生晶间腐蚀4。焊接过程中,受焊接热循环的作用,不可避免会析出碳化铬。为了降低碳化铬的析出,提高抗晶
12、间腐蚀的能力,需要降低 310S 不锈钢母材及焊材中的碳含量。另外,焊接电流不能过大,焊接层间温度不宜过高,避免焊接接头在敏化温度区间停留时间过长,生成更多的碳化铬,降低耐腐蚀性。3 管子管板接头设计将换热管管束穿入管板孔,然后在管板正面焊接,是换热器管子管板最常用的一种结构形式5。在该结构形式下,管子管板焊接接头又可细分为三种结构形式,即外伸结构形式、平齐结构形式、内缩结构形式,这三种结构形式如图 1 所示。三种结构形式的焊接接头焊后应力状态存在一定的差异,内缩结构形式的管子管板焊接后,焊接接头的轴向及径向应力低于外伸结构以及平齐结构6。310S 不锈钢对焊接热裂纹敏感,热裂纹产生的因素之一
13、是焊接应力的作用,为了减小310S 不锈钢的热裂纹倾向,选择内缩结构形式的焊接接头更为合理。管子管板的焊接坡口形式通常有 V 形和 J 形两种。相比 V 形坡口,J 形坡口根部平缓,焊接过程中的液态金属更容易铺开,便于坡口根部的焊透7。根据上述管子管板不同结构的接头应力分析以及焊接坡口的形式分析,此次项目的管子管板结构形式及坡口形式设计成管子内缩 J 形坡口,如图 2 所示。图 2 管子管板结构形式及坡口形式图 1 管子管板焊接接头结构形式(a)外伸结构(b)平齐结构(c)内缩结构31.75 mm2.11 mm3R3225 第 7 卷 第 1 期59图 3 管孔布置32.10+0.1232.1
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