壓力容器用不銹鋼及其焊接特點(diǎn)

所謂不銹鋼是指在鋼中加進(jìn)一定量的鉻元素后,使鋼處于鈍化狀態(tài),具有不生銹的特性。為達(dá)到此目的,其鉻含量必須在12%以上。為進(jìn)步鋼的鈍化性,不銹鋼中還往往需加進(jìn)能使鋼鈍化的鎳、鉬等元素。一般所指的不銹鋼實(shí)際上是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。不銹鋼并不一定耐酸,而耐酸鋼一般均具有良好的不銹性能。

      不銹鋼按其鋼的組織不同可分為四類,即奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。

1. 奧氏體不銹鋼及其焊接特點(diǎn)

      奧氏體不銹鋼是應(yīng)用最廣泛的不銹鋼,以高Cr-Ni型最為普遍。目前奧氏體不銹鋼大致可分為Cr18-Ni8型、Cr25-Ni20型、Cr25-Ni35型。奧氏體不銹鋼有以下焊接特點(diǎn):

① 焊接熱裂紋 奧氏體不銹鋼由于其熱傳導(dǎo)率小,線膨脹系數(shù)大,因此在焊接過(guò)程中,焊接接頭部位的高溫停留時(shí)間較長(zhǎng),焊縫易形成粗大的柱狀晶組織,在凝固結(jié)晶過(guò)程中,若硫、磷、錫、銻、鈮等雜質(zhì)元素含量較高,就會(huì)在晶間形成低熔點(diǎn)共晶,在焊接接頭承受較高的拉應(yīng)力時(shí),就易在焊縫中形成凝固裂紋,在熱影響區(qū)形成液化裂紋,這都屬于焊接熱裂紋。防止熱裂紋最有效的途徑是降低鋼及焊材中易產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)元素和使鉻鎳奧氏體不銹鋼中含有4% ~ 12%的鐵素體組織。

② 晶間腐蝕 根據(jù)貧鉻理論,在晶間上析出碳化鉻,造成晶界貧鉻是產(chǎn)生晶間腐蝕的主要原因。為此,選擇超低碳焊材或含有鈮、鈦等穩(wěn)定化元素的焊材是防止晶間腐蝕的主要措施。

③ 應(yīng)力腐蝕開裂 應(yīng)力腐蝕開裂通常表現(xiàn)為脆性破壞,且發(fā)生破壞的過(guò)程時(shí)間短,因此危害嚴(yán)重。造成奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的主要原因是焊接殘余應(yīng)力。焊接接頭的組織變化或應(yīng)力集中的存在,局部腐蝕介質(zhì)濃縮也是影響應(yīng)力腐蝕開裂的原因。

④ 焊接接頭的σ相脆化 σ相是一種脆硬的金屬間化合物,主要析集于柱狀晶的晶界。γ相和δ相都可發(fā)生σ相轉(zhuǎn)變。比如對(duì)于Cr25Ni20型焊縫在800℃ ~ 900℃加熱時(shí),就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的γ→δ轉(zhuǎn)變。對(duì)于鉻鎳型奧氏體不銹鋼,特別是鉻鎳鉬型不銹鋼,易發(fā)生δ→σ相轉(zhuǎn)變,這主要是由于鉻、鉬元素具有明顯的σ化作用,當(dāng)焊縫中δ鐵素體含量超過(guò)12%時(shí),δ→σ的轉(zhuǎn)變非常明顯,造成焊縫金屬的明顯的脆化,這也就是為什么熱壁加氫反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊層將δ鐵素體含量控制在3%~10%的原因。

2. 鐵素體不銹鋼及其焊接特點(diǎn)

      鐵素體不銹鋼分為普通鐵素體不銹鋼和超純鐵素體不銹鋼兩大類,其中普通鐵素體不銹鋼有Cr12 ~ Cr14型,如00Cr12、0Cr13Al;Cr16 ~ Cr18型,如1Cr17Mo;Cr25 ~ 30型。由于普通鐵索體不銹鋼中的碳、氮含量較高,故加工成形及焊接都較困難,耐蝕性也難以保證,使用受到限制,在超純鐵素體不銹鋼中嚴(yán)格控制了鋼中的碳和氮總量,一般控制在0.035% ~ 0.045%、0.030%、0.010% ~ 0.015%三個(gè)層次,同時(shí)還加進(jìn)必要的合金元素以進(jìn)一步進(jìn)步鋼的耐腐蝕性和綜合性能。與普通鐵素體不銹鋼相比,超純高鉻鐵素體不銹鋼具有很好的耐均勻腐蝕、點(diǎn)蝕及應(yīng)力腐蝕性能,較多的應(yīng)用于石化設(shè)備中。

鐵素體不銹鋼有以下焊接特點(diǎn):

① 焊接高溫作用下,在加熱溫度達(dá)到1000℃以上的熱影響區(qū)特別在近縫區(qū)的晶粒會(huì)急劇長(zhǎng)大,焊后即使快速冷卻,也無(wú)法避免因晶粒粗大化引起的韌性急劇下降及較高的晶間腐蝕傾向。

② 鐵素體鋼本身含鉻量較高,有害元素碳、氮、氧等也較多,脆性轉(zhuǎn)變溫度較高,缺口敏感性較強(qiáng)。因此,焊后脆化現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

③ 在400℃ ~ 600℃長(zhǎng)時(shí)間加熱緩冷時(shí),會(huì)出現(xiàn)475℃脆化,使常溫韌性嚴(yán)重下降。在550℃ ~ 820℃長(zhǎng)時(shí)間加熱后,則輕易從鐵素體中析出σ相,也明顯降低其塑、韌性。

3. 馬氏體不銹鋼及其焊接特點(diǎn) 

      馬氏體不銹鋼可分為Cr13型馬氏體不銹鋼、低碳馬氏體不銹鋼和超級(jí)馬氏體不銹鋼。Cr13型具有一般抗腐蝕性能,從Cr12為基的馬氏體不銹鋼,因加進(jìn)鎳、鉬、鎢、釩等合金元素,除具有一定的耐腐蝕性能,還具有較高的高溫強(qiáng)度及抗高溫氧化性能。 

馬氏體不銹鋼的焊接特點(diǎn):Cr13型馬氏體不銹鋼焊縫和熱影響區(qū)的淬硬傾向特別大,焊接        接頭在空冷條件下便可得到硬脆的馬氏體,在焊接拘束應(yīng)力和擴(kuò)散氫的作用下,很輕易出現(xiàn)焊接冷裂紋。當(dāng)冷卻速度較小時(shí),近縫區(qū)及焊縫金屬會(huì)形成粗大鐵素體及沿晶析出碳化物,使接頭的塑、韌性明顯降低。

      低碳及超級(jí)馬氏體不銹鋼的焊縫和熱影響區(qū)冷卻后,固然全部轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞捡R氏體,但沒有明顯的淬硬現(xiàn)象,具有良好的焊接性能。

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