TP347H原材料检验及焊后稳定化热处理研究-束润涛

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对于 TP347H 是否必须进行焊后稳定化热处理,目前争议很大,SH/T3554-2013 《石油化工 钢制管道焊接热处理规范》的附录 C【2】中,指出“通常”应做稳定化热处理。
我国压力容器和美国 ASME 规范对奥氏体不锈钢设备都没有焊后热处理的强制规定和要求。根 据工程项目建设中的实践经验,该材料的大口径钢管焊后进行稳定化热处理会产生大量裂纹。在此 情况下,本公司决定立项,将“TP347&TP347H 焊接及焊后热处理专题试验研究”的课题委托给武汉 市润之达石化设备有限公司进行科研分析。
接头焊缝金属和热影响区常温冲击试验结果见表 7.
试件 编号 H001 H002
管材规格 (mm)
Φ273.1×14
焊接方法
GTAW +SMAW
表 7 常温冲击试验结果
热处理 状态
常温冲击值 Akv:(J)
焊缝
热影响区
焊态 138/133/135 220/215/204
900℃/3h 126/118/118 242/229/207
背弯
脆断
机械性能复验的强度拉伸结果满足标准规定的指标范围,ø273.1×14 的钢管弯曲试验合格,但
ø558.8×36 大口径钢管的 2 个背弯试样发生脆性断裂,后又补做 2 个试样仍然发生脆性断裂,不满
足标准要求。
2.1.3 原材料表面硬度检测结果
按 GB/T 231.1-2009 《金属材料布氏硬度试验 第 1 部分:试验方法》【4】对原材料进行了硬度
Φ558.8×36
GTAW +SMAW
焊态 900℃/4h
637,635 625,626
室温 室温
拉断 部位 母材 母材 母材 母材
180°侧弯
无裂纹 无裂纹 无裂纹 有 2 个微裂纹
经稳定化热处理后的抗拉强度都满足要求,但ø558.8×36 厚壁管侧弯后在 2 个试样上分别发现
有 1 个微小裂纹,一个微裂纹位于焊缝上,一个微裂纹位于母材侧的熔合线上。H004-1 在焊缝上的
焊接方式为管-管对接,焊接合格后按试验研究的项目要求进行标记和分切。
3.2 焊后稳定化热处理 将分切后的试件进行稳定化热处理: ø273.1×14 焊接试件的焊后稳定化热处理为 900±10℃保温 3h,风冷; ø558.8×36 焊接试件的焊后稳定化热处理为 900±10℃保温 4h,风冷。
3.3 焊接接头拉伸和弯曲试验 将两种材料焊接接头试样按要求加工成拉伸和侧弯试样,进行拉伸和侧弯试验。拉伸试样见图
图 1 点状碳化物和条状铁素体组织 1000×
图 2 晶内碳化物析出 5000×
2.1.6 其它性能检验 晶粒度检测:试样按 GB/T 6394-2002 《金属平均晶粒度测定方法》【6】进行草酸腐蚀后进行微 观判断,其晶粒度级别分别为:ø273.1×14 两个试样均为 8 级细晶粒材料,ø558.8×36 为 5 级和 7 级。 晶间腐蚀试验:试样按 GB/T 4334-2008 《金属和合金的腐蚀 不锈钢晶间腐蚀试验方法》【7】, 采用方法 A 进行草酸电解腐蚀试验,所有试样均没有晶间腐蚀痕迹。 残余铁素体:经过手持式磁性法测试仪,所有原材料的铁素体含量均为 0,无铁素体残留。经 相平衡计算,TP347H 应为无铁素体残留的纯奥氏体组织,但在高倍电子显微镜下发现两个规格的 钢管均存在少量条状铁素体。 经上述检验,可以判定Φ558.8×36 的原材料不符合标准要求,但该规格的钢管曾投入工程应用。 为了模拟实际工程项目的真实情况,本试验研究仍然用经检验分析判定为不合格的Φ558.8×36 厚壁 管与复验合格的Φ273.1×14 一道进行焊接及热处理试验研究。
的原材料存在不容忽视的质量问题。对两种规格焊接接头的焊态和稳定化热处理态进行了机械性能和晶间腐蚀试验, 以及针对微缺陷部位的微观电镜和能谱分析等相关试验研究,发现经稳定化热处理的焊接试样出现弯曲微裂纹的概 率较大。经分析,产生微裂纹的原因为母材脆性缺陷和焊缝金属中残留氧化物所致。 关键词:母材缺陷 焊接 稳定化热处理 微裂纹分析
3,侧弯试样见图 4,试验结果见表 5.
图 3 拉伸试样
图 4 侧弯试样
试件 编号 H001 H002 H003 H004
表 5 焊接接头拉伸和侧弯试验结果
管材规格 焊接方法 热处理状态
Rm
(mm)
(MPa)
Φ273.1×14
GTAW +SMAW
焊态 900℃/3h
625,625 631,633
试验 温度 室温 室温
试样编号 Y001 Y002
管材规格 (mm)
ø273.1×14
表 2 机械性能复验结果
RP0.2 (MPa)
Rm (MPa)
A (%)
403
624
47.0
396
621
43.5
弯曲试验
180°
结果
面弯
无裂纹
背弯
无裂纹
Y003
245
Φ558.8×36
Y004
246
565
47.5
面弯
无裂纹
566
47.5
3、焊接工艺、焊后稳定化热处理及机械性能检验
3.1 焊接工艺及检验 焊接工艺采用氩弧焊打底+手工焊(GTAW+SMAW)填充的方式进行焊接,采取单面焊双面成
型的焊接工艺,打底焊用氩弧焊焊接,进行填充焊时管内充氩气进行背面保护。氩弧焊焊接材料为 CHG-347,手工焊焊条牌号为 CHS-137。
焊接坡口为 24±1°的小角度 V 型坡口,层间温度按≤120℃进行严格控制。焊前对坡口进行 PT 检验,焊接过程进行 VT 目视检验,焊后进行 PT、UT 和 RT 检验,热处理后再进行一次 RT 检验。
微裂纹长度约 0.75mm,H004-2 在熔合线上的微裂纹长度约 0.2mm。
按 GB/T2653-2008《焊接接头弯曲试验方法》【8】和 NB/T 47016-2011《承压设备产品焊接试件
的力学性能检验》【9】的技术要求,裂纹单条长度不大于 3mm 的开口缺陷为合格,以上 2 个微裂纹
都在标准允许范围。
的目的是对原材料的韧性指标有一个最基本的判断和比对。本试验按 GB/T 229-2007《金属材料夏
比摆锤冲击试验方法》【5】进行试验,V 型缺口,试验结果见表 4.
试样编号 Y001 Y002
表 4 原材料常温冲击试验结果
管材规格 (mm)
温度
冲击值 Akv:(J)
测试值
平均值
常温
172,179,176
根据布氏硬度检测结果,按 ASME 材料 SA 312/SA312M 的标准规定(HB≤192),ø273.1×14
钢管的硬度测试结果满足标准技术要求,而Φ558.8×36 厚壁管的母材硬度测试结果都严重超标。
2.1.4 原材料常温冲击试验结果
无论是 ASME 标准还是中国相关标准,对于奥氏体不锈钢的冲击功均没有要求,做冲击功试验
倾向。
2.1.5 原材料金相检测 为了观察原材料的第二相析出情况,本课题组对原材料进行了微观检测和分析。在放大 100 倍 的电子扫描显微镜下,两种规格的样品均为纯奥氏体组织。但经放大 1000 倍和 5000 倍以后,在 两种规格的样品中都发现有条状铁素体和颗粒状碳化物析出。图 1 为放大 1000 倍时可以看到明显 的条形铁素体,图 2 为放大 5000 倍时可以看到明显的碳化物颗粒。
176
Φ273.1×14
常温
180,191,190
187
Y003 Y004
常温
88,116,110
104
Φ558.8×36
常温
102,98,108
103
从冲击试验的结果看,Φ558.8×36 大口径钢管的冲击韧性明显低于Φ273.1×14 的小口径钢管,
结合前面硬度测试值超标(不合格)及背弯断裂的情况来看,Φ558.8×36 厚壁钢管具有明显的脆性
TP347H 原材料检验及焊后稳定化热处理研究
赵岩 1 侯树军 1 束润涛 2 杨鹏 2 余亚文 2
(1 中海石油炼化有限责任公司惠州炼化分公司 邮编 516086 ) (2 武汉市润之达石化设备有限公司 邮编 430223)
摘要: 本文介绍了 TP347H 两种规格大口径钢管的原材料在进行机械性能检验和微观分析的情况,发现其中一种规格
3.4 焊接接头不同状态下表面硬度测试结果
表 6 焊缝金属表面布氏硬度检测结果比较(HB)
试件 编号
H001 H002 H003 H004
管材规格 (mm)
焊接方法
Φ273.1×14 GTAW+SMAW
Φ558.8×36 GTAW+SMAW
热处理状态
焊态 900℃/3h
焊态 900℃/4h
焊缝外表面 7 个点平均值 144 (1H4B6) 145 173 172 162 181 179 175 187 195 184
作者简介:赵岩,男,1964 出生,教授级高级工程师,硕士,中海石油炼化有限责任公司惠州炼
化分公司总经理兼惠州炼化二期项目组总经理, 邮编 516086,E-mail:zhaoyan3@cnooc.com.cn 本次试验研究采用 TP347H 的两种大口径无缝钢管,规格分别为ø273.1×14 和ø558.8×36。焊
3.5 焊接接头不同状态下的冲击试验
由于奥氏体不锈钢的韧性很好,故 ASME 标准和国家相关标准针对奥氏体不锈钢焊接接头的冲
击韧性均予豁免,但本项目进行冲击试验的目的是进行比较研究。试样用线切割设备按 10×10×50
的标准试样进行切割,用专用拉床开标准 V 型缺口,在摆锤式冲击试验机上进行冲击试验。其焊接
1.前言
TP347H 是美国 ASME SA312/SA312M-2010《无缝和焊接奥氏体不锈钢公称管》【1】中含铌的 稳定化奥氏体不锈钢材料,与 TP321 含钛的奥氏体不锈钢性能基本一致,但 TP347 和 TP347H 材 料比 TP321 的高温热强性更好,同时还具有耐连多硫酸腐蚀性能,已被广泛应用于石化电力系统 的高温高压以及连多硫酸腐蚀环境。
根据双方拟定的技术方案,对原材料进行了全面检验,制订了合理的焊接工艺及热处理工艺, 针对焊态、600℃退火、模拟工况的长时间(620℃/100h)退火试验和 900℃稳定化热处理的焊接 试样进行了大量的机械性能试验、晶间腐蚀试验、微观分析和能谱分析研究,获得了非常丰富的试 验数据,为公司二期项目提供了很好的技术支撑,该项目的研究报告也获得了项目验收评审专家的 一致认可。
S 0.005
P 0.029
ø558.8×36 0.071 0.38 1.62 17.58 9.2 0.73 0.005 0.033
按 GB/T 11170-2008《不锈钢多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法》【3】进行分析,
两种规格的钢管均满足标准规定的成分要求。
2.1.2 原材料机械性能复验结果(见表 2)
接工艺按手工焊和气保焊两种焊接方法进行了焊接及焊后热处理的全套试验研究工作,本文将仅针 对原材料、手工焊焊接试板及焊后稳定化热处理的相关试验研究进行概述。
2、原材料检验
本次科研项目试验研究的大口径钢管为第一期工程项目中使用后剩下的余料,本次试验不仅仅
是科研性质,更重要的是要为二期项目工程提供良好的技术支撑。用余料进行试验更能真实的反应
平均值 (HB)
145 169 1百度文库8 188
硬度测试是在钢管的 3 个部位做(30×30mm)的标记,热处理前后均在标记框内进行测试,
每个标记框测试 7 个数据为一组,表格中每个测试点的数据都是在一个标记框内 7 个测试数据的平
均值。两种规格的焊接试板经稳定化热处理后焊缝金属表面的布氏硬度均有所提高。
实际工程项目中存在的问题,并加以深入的研究和分析。由于原材料是工程项目中确保质量和安全
要素的第一环节,故对原材料进行重新检验是非常必要的。
2.1 原材料检验
2.1.1 TP347H 实测化学成分结果(见表 1)
表 1 TP347H 实测化学成分结果(%)
管材规格(mm) C
Si Mn
Cr
Ni Nb
ø273.1×14 0.055 0.38 1.27 17.34 9.7 0.48
测试,每个试样在固定区域测试 7 个点,以下是硬度试验检测结果(见表 3)。
表 3 布氏硬度检测结果(HB)
试样编号
管材规格 (mm)
Y001 Y002
Φ273.1×14 145
163
165 172
Y003 Y004
Φ558.8×36
222 191
205 230
表面硬度值
平均值
165 171 179 172 152 164 160 176 169 176 156 168 230 248 225 217 225 225 200 280 272 208 187 224
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