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奥氏体不锈钢换热管在焊接中存在的问题分析

来源:至德钢业 日期:2020-10-18 01:35:52 人气:20

 全焊接板式换热器多使用于高温高压环境,且工作介质具有一定的腐蚀性,因此板片材料应具有良好的耐腐蚀性和较高的强度。奥氏体不锈钢换热管中含有一定量的铬、锰、镍、氮,常温下其组织主要为奥氏体相,故其具有良好的耐应力腐蚀、缝隙腐蚀和点蚀的性能,此外奥氏体不锈钢盘管还具有良好的强度和冲压成形性能,同时兼顾高性价比的特点,被广泛应用于板式换热器的生产制造。


 奥氏体不锈钢换热管的强度和低碳钢相近,室温最低屈服强度约为210MPa,但可通过冷作硬化实现有效强化,从而达到使用要求。奥氏体不锈钢换热管的工作温度也可达到760℃(1400°F)或更高,且在高温下具备良好的耐腐蚀能力,适用于要求有较高耐高温腐蚀能力的工作场合。


 奥氏体不锈钢换热管的种类有很多,其中应用历史最长且最为广泛的类型是300系列,该类钢大部分是在18Cr-8Ni(质量分数)的基础上加入合金元素或变质处理所得到的,使得性能得以改善或具有独特的性能。由于奥氏体钢自身特性,在焊接接头中存在以下几个常见的问题:


一、热影响区软化


 奥氏体不锈钢换热管含碳量较低,且其热导率约为碳钢的1/3。当焊接热输入较大时,热影响区中过热区的晶粒将明显粗大,且由于母材经冷作强化处理,则焊后热影响区会出现再结晶和晶粒长大的现象,使热影响区明显软化。


二、焊接变形

 

 奥氏体不锈钢换热管线膨胀系数大,约为碳钢的1.4倍,其数值会随着温度的升高而相应增大。同时,由于奥氏体不锈钢盘管热导率低,焊缝热量传导速度慢,焊接过程中工件热膨胀量和冷却收缩量大,导致焊后工件变形显著。


三、结晶裂纹


 奥氏体不锈钢换热管焊缝在凝固过程中会产生较大的拉应力,焊缝及近焊缝区易出现热裂纹,其中最常见的是结晶(凝固)裂纹,这取决于基材和填充材料的成分,尤其是磷、硫的含量。这是由于焊缝结晶生成方向性很强的粗大柱状晶,杂质元素及合金元素在焊缝中发生偏析,形成低熔点的共晶体,促进晶间液态夹层产生,提高了焊缝对热裂纹的敏感性,凝固后期均会导致结晶裂纹的产生。此外,在热影响区接近熔合线处的部分熔化区,晶界之间存在比奥氏体熔点更低的液态薄膜,在残余应力作用下薄膜处将产生裂纹。


四、腐蚀


 由于奥氏体不锈钢换热管和填充材料成分的不同及焊接工艺的差异,焊接接头易形成:晶间腐蚀、应力腐蚀及点腐等形式的腐蚀。其中最为常见的是晶间腐蚀。焊缝位置晶界处析出富铬碳化物,造成晶界贫铬区的出现,晶界抗腐蚀能力降低形成焊缝的晶间腐蚀。部分奥氏体不锈钢换热管焊缝过热区会出现“刀蚀”,这是由于在高温HAZ中起稳定作用的NbC和TiC溶解,在冷却时,形成很窄的敏化区间,该区域易形成晶间腐蚀。而热影响区母材经过敏化温度区(600~1000℃)时,晶界处析出碳化铬造成晶界贫铬,形成热影响区敏化温度区的晶间腐烛。


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