奧氏體不銹鋼焊管

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超長奧氏體不銹鋼焊管光亮固溶處理工藝改進

超長奧氏體不銹鋼焊管光亮固溶處理工藝改進

來源:310S大口徑耐高溫焊接管 ? 發布:2020-08-09 00:13:40 ? 類別:不銹鋼焊管

長奧氏體類不銹鋼焊接管連續光亮固溶熱處理工藝受技術裝備的制約,高溫固溶時間不足,焊管在高溫下金相組織轉變不充分,導致奧氏體組織不純、應力消除不徹底;急冷時間過長,存在Cr23C6被析出的可能,容易產生晶間腐蝕等質量問題。通過改造熱處理設備,將傳統的二段式改進為三段式光亮固溶熱處理工藝,增加高溫區保溫恒溫段,以提高奧氏體組織純度、消除應力;同時縮短急冷時間,防止Cr23C6在奧氏體晶界析出,使奧氏體類不銹鋼焊管得到理想的組織和性能。

,絕大多數用于石油化工和煤化工業等領域的低耗高效繞管換熱器均采用奧氏體不銹鋼。作為繞管換熱器的核心部分,超長奧氏體不銹鋼換熱管20200 m直接影響換熱設備的使用性能和使用壽命,而這類換熱管的主要質量性能取決于生產過程中的光亮固溶處理工藝。因此,選擇合理的熱處理工藝是保證超長奧氏體類不銹鋼換熱管優良性能的重要環節。

1超長奧氏體不銹鋼換熱管生產過程中的主要問題

1部分超長奧氏體類不銹鋼換熱管是由奧氏體類不銹鋼鋼帶經冷彎成型、TIG焊接和焊縫內外壓延整平而成。在該工藝過程中,會產生應力和因晶粒重新結晶發生相變而引起碳偏析。有關研究表明,該工藝不銹鋼管內外表面會產生10%~12%的應變,奧氏體類不銹鋼的應力腐蝕主要表現為拉應力腐蝕,壓應力對腐蝕一般不起作用,應力腐蝕可能是穿晶腐蝕,也可能為晶間腐蝕。

2氏體類不銹鋼鋼帶經焊接后,焊縫及熱影響區在許多腐蝕性介質中會發生晶間腐蝕,嚴重的造成晶粒剝落,鋼件崩潰,因此,晶間腐蝕比起應力腐蝕,危害更大。

3前,超長奧氏體類不銹鋼焊管的熱處理方法普遍采用光亮固溶處理工藝,但是受光亮固溶處理設備的制約,一般達不到理想的奧氏體組織,不能完全消除應力腐蝕和晶間腐蝕的可能,這樣將降低鋼管的化學穩定性和力學性能,直接影響換熱設備的整體使用壽命。

為解決奧氏體類不銹鋼管在冷彎成型、焊接和焊縫內外壓延整平過程中產生的應力和碳原子的偏析,導致晶間腐蝕而影響表面質量等問題,得到理想的奧氏體組織,必須對傳統的光亮固溶處理設備及工藝進行改進。

2二段式光亮固溶處理

合奧氏體類不銹鋼焊管光亮固溶處理的理論工藝是被處理的管材在H2保護下,快速加熱(t1段)到1 0501 100℃,通過給定的時間(t2段)使Cr23C6完全溶解于奧氏體中。管材在高溫下表面氧化物被還原,然后快速冷卻(t3段)到450℃以下,以達到防止Cr23C6在奧氏體晶界析出,消除應力,使鋼管表面光亮潔白的一種工藝。固溶處理溫度控制曲線如圖1所示。經過光亮固溶處理后的管材只要不再焊接和其他冷熱加工,一般不會產生晶間腐蝕。

目前雖然對奧氏體類不銹鋼焊管光亮固溶處理的方法很多,工藝大同小異,但受光亮固溶處理設備制約,光亮固溶處理的工藝過程始終不到位,其產品是不是適合特定的質量要求,是值得商榷的。傳統的奧氏體類不銹鋼焊管光亮固溶處理有3種方法。

方法1爐膽內H2保護下網帶爐+封閉式無填料水冷夾套隧道方法。該方法適用于鋼管離線集中處理,特點是加熱段長(一般在8 m以上),升溫緩慢,而冷卻段更長(不少于工件長度),不能達到迅速降溫的目的,鋼管在升溫冷卻過程中敏化溫度區(450850 C°)停留過長,使Cr23C6在奧氏體晶界析出;無高溫恒溫段,使Cr23C6不能完全溶解于奧氏體中,這種工藝顯然是一種不理想的光亮固溶處理方法。而且熱處理設備體積龐大,長度長,占地面積大,投資高,功耗大。

方法2爐膽內H2保護下箱式爐+封閉式無填料水冷夾套隧道方法(如圖2所示)。該方法適用于鋼管在線處理,加熱段長6 m左右,冷卻段長不少于8 m,雖然其特點比方法稍有改良,但結果仍不盡人意。

方法3爐膽內H2保護下感應加熱+封閉式石墨填料水冷夾套隧道方法(意大利艾美迪公司技術,如圖3所示)。該方法是目前國內外最普遍在用的在線光亮固溶處理設備,這種方法采用中頻感應加熱電源和石墨隧道加水夾套。其特點是加熱升溫快,但受管壁厚薄不均、電流和線速度波動等因素影響,導致工件爐出口溫度波動大,經處理后的鋼管力學性能和金相組織存在明顯不。冷卻段一般在46 m,理論上石墨具有良好的導熱性能,實際上工件與石墨之間存在著間隙,并不能起到快速傳遞熱量的效果。產品檢驗結果同樣不夠理想。

SUS32118 mm×1.8 mm焊接鋼管為例,在線速度為1.2 m/min,采用第3種光亮固溶處理工藝方法,鋼管隨機取樣送國家級檢驗中心檢驗,檢驗報告的關鍵數據并不理想。焊管母材金相組織為奧氏體+變形馬氏體(如圖4a)所示);焊管焊縫金相組織為奧氏體+鐵素體(如圖4b)所示)。3個試樣單管爆破試測的爆破部位均在熔合線上(如圖5所示)。

3三段式光亮固溶處理

針對超長奧氏體類不銹鋼焊管光亮固溶處理存在的問題,應從改變高溫段和冷卻段的工藝著手,對熱處理設備進行重新組合和改進。新的設計方案如圖6所示,熱處理設備由二段改為三段,即升溫、保溫恒溫和急冷,長度分別為0.5m,2m1.8m,改進的目的是加快升溫速度,適當地增加保溫恒溫段,盡量縮短冷卻時間,實現超長奧氏體類不銹鋼焊管光亮固溶處理最佳工藝。

1)升溫段改進及效果。在滿足生產線速度的同時,將原中頻電源的頻率提高到40kHz,采用超音頻感應加熱電源,以加快加熱速度,把經焊接后的管子迅速加熱到1000℃,使Cr2sC6即時到達溶解點。

2)增設箱式電阻爐及效果。中段設箱式電阻爐達到保溫恒溫的目的在于滿足鋼管在高溫區有足夠的固溶時間,得到理想奧氏體組織;同時由于箱式電阻爐溫度相對穩定,克服了爐出口溫度波動大的缺陷,從而保證固溶處理后的鋼管力學性能和金相組織一致性。

3)冷卻段改進及效果。利用保護氣導熱性高的物理特性(H2的導熱系數為6.69,H2的表面散熱系數是空氣的1.5倍),在風機和氣體冷卻器的作用下H2進行高速內循環,通過風道將冷H2直吹鋼管,同時補充新H2,形成一個強制密閉循環系統。這一工藝的目的是達到快速冷卻,縮短敏化溫度區(450850℃)停留時間,避免Cr23C6在奧氏體晶界析出產生應力腐蝕。在該工藝中,H的特性表現十分突出,主要有3大特性:氧化還原性,焊接后的鋼管表面會有氧化物的產生,在高溫下,HO反應,起到還原作用;保護作用,H2圍繞在鋼管的四周,隔離了Fe和其他元素的反應,起到保護作用;導熱載體,一定流量的H2以一定流速吹到鋼管表面,帶走鋼管的熱量,使鋼管快速冷卻。這里H2既參與熱量的傳導,又參與了熱量的對流,同時翅片冷卻器極大地擴展了熱交換面積,有效提升了溫度梯度,顯而易見,這種形式的冷卻器的冷卻效果是十分理想的。

SUS32125 mm×1.5 mm焊接鋼管為例,在線速度為1.4 m/min,熱處理工藝參數見表1,溫度曲線如圖7所示。

鋼管經光亮固溶處理后,隨機取樣送國家級檢驗中心檢驗,檢驗報告中所有數據均達到或高于國家標準,屈服強度和抗拉強度均高出標準值50%左右,延伸率高出標準值40%左右,壓扁和擴口試驗合格;金相檢驗母材組織為奧氏體(如圖8a)所示),焊縫組織為奧氏體+鐵素體(如圖8b)所示);3個試樣單管爆破試驗爆破部位均位于母材上(如圖9所示)。

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機理上分析,三段光亮固溶處理工藝不僅適用于奧氏體類不銹鋼鋼管,同樣適用于奧氏體+鐵素體雙相不銹鋼焊管和其他同類型鋼管、有色金屬管類的光亮固溶處理。該光亮固溶熱處理結構,不僅能滿足各類管子在線光亮固溶處理工藝,也能滿足各類管子的離線光亮固溶處理工藝。如果將這種新的工藝技術推廣應用到相關領域,會有巨大的潛在市場,會產生更大的經濟效益和社會效益。

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