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西安高压管异种钢焊管的金相分析 |
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电厂西安高压锅炉管的爆破往往会导致其周边的管道损坏，迫使整个机组关闭，造成巨大的经济损失。小型机组设备由于投资少，可以根据实际情况全部使用高性能钢(如TP304H钢)。但是对于大型机组设备，全部使用高性能钢则会使成本大幅提高，而且机组不同部件对材料的性能要求也不同，因此为了节省材料，提高经济效益，可以根据机组的使用要求采用不同的材料。这时就产生了异种钢管道的焊接问题。由于异种钢含碳量的巨大差异以及合金元素的不同，导致在焊缝处力学性能和金相组织也不同，往往成为爆管的多发地区。焊接方法的采用以及焊接材料的选择直接影响管道的焊接效果和使用性能。
1试验方法
1.1试验材料
选用的材料为TP304H不锈钢与12cr1M0V低合金钢。TP304H是一种常用的高温过热器及高温再热器材料，相当于我国的0Cr19Ni9，碳含量为0.073t0.080%，属奥氏体钢。12Cr1MoV钢是我国和苏联等国家用于管壁温度小于580℃的超高压以上锅炉的过热器和蒸气管的主要钢种，碳含量为0.08--0.15%，属于珠光体钢种。
1.2删H和12CrlMoV的焊接
焊接的两种基体为TP304H钢管(外直径50.8mm，厚度4.6mm)和12CrlMoV钢管(外直径50.8mm，厚度5ram)，焊丝牌号为HOCr19Ni9(直径2.4mm)。HOCr19Ni9也是一种不锈钢，其化学成分与TP304H十分相似。焊接的方法采用氩气保护手工电弧焊对焊，焊接过程一共分三道，正面的氩气流量为7---10L/min，背面保护气体流量为3～5L/min。
1.3实验温度选择
火力发电厂锅炉高温过热器和高温再热器的正常使用温度约为540℃。在使用过程中，往往会由于某种原因造成炉管的局部过热，有时炉管的温度可以达到800℃以上，因此本实验采用650℃、750℃、850℃三个温度进行试验。试样分别放人设定好温度的马弗炉中长时间保温，并间隔一定时间取出部分试样进行分析。
1.4金相分析
金相样品从炉中取出空冷，然后打上钢号以便记录。金相组织的观察主要在OLYMPUS金相显微镜下完成。
2试验结果与讨论
2.1选择金相组织侵蚀剂
因为本次试验的金相试样实际上为三种金属的组合(12Cr1M0V、H0Cr19Ni9、TP304H)，所以单纯以一种侵蚀剂同时显示三种金属的组织是不会很理想的，需采用分类侵蚀显示的方法，由于TP304H和HOCrl9Ni9较为相近，可以选择同一种侵蚀剂。常用显示TP304H奥氏体不锈钢的侵蚀剂为FeCl—HC1水溶液，可以较好地显示碳化物析出相。但是如果碳化物消失，或在供货状态下还未析出碳化物，使用FeC1s—HC1水溶解就得不到预期的结果。此时可以采用Cr03—HC1水溶液或王水溶液，王水溶液侵蚀时间短，不易掌握，故一般采用Cr03—HC1水溶液。12Cr1MoV的侵蚀剂一般采用硝酸酒精溶液，侵蚀10S左右更可以看到珠光体组织。
2.2TP304H钢的碳化物析出变化规律
TP304H钢经过高温固溶热处理，形成奥氏体单相组织，在一定温度下保温时，碳化物又会沿奥氏体晶界析出长大。在650℃温度条件下，碳化物呈麻点状在晶界及其附近区域析出。在750℃温度条件下，碳化物析出明显加快，在晶界和孪晶上可以清晰地看到碳化物颗粒。而在850℃温度条件下，短时间内便有碳化物颗粒析出，且碳化物链已断开，奥氏体晶内亦有麻点状碳化物析出。通过金相分析可以看到，随着试验温度的升高，碳化物析出的一般过程为：析出小颗粒一小颗粒长大并连成链一碳化物链长大一碳化物链断开形成大颗粒。
碳化物的析出使材料出现高温脆化现象，对材料的使用性能是有害的。在不同的温度条件下，碳化物析出形态和析出程度有很大变化。温度越高，保温时间越长，碳化物析出越快，颗粒越大，高温脆化现象越严重。
2.3焊缝的组织变化
试验所用焊丝的牌号为HOCr19Ni9，是一种与TP304H相似的18—8型奥氏体不锈钢焊丝。焊缝的原始组织为奥氏体+铁素体，铁素体呈树枝状分布。18—8奥氏体钢平衡态为奥氏体+铁素体+碳化物复相组织，实际的单相奥氏体是通过热处理的配合获得的。焊缝未经过高温固溶处理，所以得到铸态组织，与平衡态组织相似。由于焊接时温度较高，即相当于在高温下加热，所以会形成铁素体，在650℃～85O℃下还会有盯相析出。盯相与碳化物混合在一起，需经过染色才能区别于碳化物。盯相的析出导致钢的脆性增加，耐蚀性和抗氧化能力下降。
焊缝经过一段时间保温后，在奥氏体与铁素体交界处开始有碳化物析出。随着在不同温度下保温时间的延长，碳化物渐渐聚集长大，后碳化物呈颗粒状分布于晶界上。不同温度下碳化物形态有所不同，高温下碳化物析出较快，颗粒长大现象明显。650℃温度下晶界呈树枝状，随保温时间延长树枝晶渐渐变短，碳化物在晶界上析出长大，后形成碳化物颗粒;在750℃下，上述变化更明显，树枝晶变短、变宽，碳化物颗粒清晰可见;在850℃下碳化物析出严重，碳化物呈球状，并聚集长大。
2.412CrlMoV钢的碳化物析出变化规律
12CrlMoV钢典型的组织是铁素体+珠光体，珠光体中碳化物的主体是层片状，铁素体在钢管运行过程中变化不大。12CrlMoV钢主蒸汽管运行温度在540℃左右，运行后珠光体的变化非常明显，其形态变化特征鲜明，即层片状的碳化物(主要是渗碳体)逐渐分解、聚集和球化，同时碳化物颗粒趋于增大，试验结果与12CrlMoV的碳化物标准准评级方法(五级法)是一致的。
3结论
通过对焊接试样的金相分析，初步探讨了两种基体材料(1O4H、12Cr1M0V)及焊缝(H0Cr19Ni9)中碳化物的析出和变化规律，以及不同温度下碳化物的形貌特征，并对TP304H碳化物的析出球化过程进行了分级评定，得出如下结论：
(1)观察1O4H奥氏体不锈钢和H0Cr19Ni9焊丝的金相组织时，采用FeC1s—HC1水溶液;观察12CrlMoV钢的金相组织时采用0.3硝酸酒精溶液。
(2)不同温度下保温时，TP304H钢的金相组织有很大的差异：650℃时碳化物颗粒稍微长大，有麻点在晶界周围聚集;750℃时晶界上碳化物呈链状;850℃时晶界上碳化物呈断开的链状，并聚集长大成球状。
(3)焊缝的原始组织为奥氏体+铁素体，加热保温时碳化物在奥氏体和铁素体的交界处析出，>650℃还含有盯相析出。
(4)管道金属中碳化物在晶界析出，使材料产生高温脆化，对材料的使用性能产生不良影响，因此应严格控制使用温度。
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