论文总字数：17292字

摘 要

在炉管服役工作的过程中，因为炉管炉膛内火焰的燃烧方式以及炉管内发生的各种催化反应，导致炉管各位置处的温度不一致，各位置处的损伤程度也不一致，^[1]因此在综合考虑安全问题的同时为了减少工厂的经济损失，需要将炉管损伤较轻部位与新炉管进行焊接达到延长使用寿命的目的。^[2]针对25Cr35Ni1Nb炉管在服役工作过程中会出现的局部更换以及修复问题，本研究利用光学显微镜提取焊缝、母材和热影响区的微观组织形貌，通过扫描电子显微镜和X射线能谱观察材料析出相的形貌并确定碳化物的类型，通过高温拉伸、常温拉伸以及蠕变实验对接头的力学性能进行分析。最终通过对新旧炉管焊接接头微观组织和力学性能的观察与分析，对新旧炉管焊接接头可焊性进行评估。^[3]

关键词：微观组织 力学性能 时效处理 可焊性

Abstract

In the service process of the furnace tube, due to the combustion mode of the furnace flame and the catalytic reaction in the furnace tube, the temperature at each position of the furnace tube is not consistent, so the damage degree at each position is not consistent, so in consideration of safety problems at the same time in order to reduce the economic loss of factory, need to be lighter parts and the new furnace tube furnace tube damage to prolong the service life of the welding to achieve. For 25 cr35ni1nb furnace tube in service work will appear in the process of partial replacement and repair problems, this study optical microscope is utilized to extract weld and parent metal and heat affected zone microstructure morphology, by scanning electron microscope and X-ray energy spectrum observing the morphology of material precipitated phase and determine the type of carbide, through the high temperature tensile, room temperature tensile and creep experiment to analyze the mechanical properties of joint. Finally, through the observation and analysis of the microstructure and mechanical properties of the welded joint of old and new furnace tubes, the weldability of the welded joint of old and new furnace tubes was evaluated.

Key words: microstructure；mechanical property；aging treatment；weldability

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究的意义及背景 1

1.2 25Cr35NiNb可焊性研究现状 1

1.2.1 25Cr35NiNb材料的力学性能 1

1.2.2 25Cr35NiNb材料的可焊性分析 2

1.3新旧炉管微观组织性能及可焊性 2

1.3.1新旧炉管微观组织性能 2

1.3.2新旧炉管的可焊性及焊接工艺 3

1.4实验内容 4

第二章 焊接接头可焊性评价 5

2.1引言 5

2.2试验内容与方法 5

2.2.1试验材料 5

2.2.2试验内容 5

2.3结果与讨论 9

2.3.1焊接接头微观结构观察和分析 9

2.3.2焊接接头的力学性能分析 11

第三章 焊接接头损伤评价 16

3.1损伤力学本构方程与参数确定 16

3.2应力分布及损伤演变分析 17

第四章 经济性分析 20

第五章 结论 21

参考文献 22

致谢 25

第一章 绪论

1.1课题研究的意义及背景

在炉管服役过程中，由于炉膛火焰的燃烧方式以及炉管内发生的各种催化反应，这会导致炉管各位置处的温度不一致，因此炉管各位置处损伤程度也不相同，从经济与安全方面综合考虑，需要将损伤较轻的炉管部位与新材料进行焊接达到延长寿命的目的。^[1]

25Cr35NiNb材料是高碳高铬镍奥氏体不锈钢材料，在炉管服役工作的过程中，25Cr35NiNb材料广泛用于制作乙烯裂解炉炉管和制氢转化炉炉管。联想到25Cr35NiNb的高合金含量 (即25Cr-35Ni-1Nb-0.1Ti)，耐热转化管在石化转化装置的成本中占相当大的比例。^[2]管子的底部在熔炉中经历了最高的温度，导致了微观结构的变化、蠕变损伤和使用寿命的损失，在这种情况下是20年。只更换这一部分的管焊接相比，更换整套管是常见的工业实践。然而，由于微观结构的差异，从新焊到老化可能会导致机械性能的差异，从而导致可靠性问题。^[3]

在目前的研究中，对新老管材的组织和拉伸性能进行了评估，以保证焊接件的机械完整性进行了焊接试验，研究了新老焊缝的显微组织，并将其与拉伸性能(特别是延伸率)联系起来。^[4]

为了达到节省成本和时间的目的，只更换部分损伤较严重的转化管而不是更换整个炉管，因为它经历了最高温度损伤最为严重。然而，由于老化会导致微观结构变化和机械性能下降，因此需要对老化后的新管接头进行可焊性评估。^[5]

1.2 25Cr35NiNb可焊性研究现状

1.2.1 25Cr35NiNb材料的力学性能

25Cr35NiNb焊丝的力学性能都高于标准的要求，在满足抗拉强度和屈服强度的同时，25Cr35NiNb焊丝的延展率也达到了标准的要求。在保证焊丝力学强度的同时，25Cr35NiNb材料也兼顾了焊接接头在塑性方面的要求，石油裂解炉焊缝在具备耐腐蚀性能的同时还达到了的强度和塑性方面的要求，焊缝的力学性能甚至会高于母材的力学性能和抗高温性能，因此25Cr35NiNb材料可以有效保障炉管的使用要求。^[6]

表1-1 25Cr35NiNb 合金炉管样品成分

1.2.2 25Cr35NiNb材料的可焊性分析

以往的焊接和修复焊接都曾在热影响区或焊接金属中遇到裂纹的形成,在老化的管中严重的裂纹导致很少或没有焊接性。通常，可焊性是根据焊后宏观裂纹的缺失来判断的。此外，在某些技术指南中，室温总伸长率等于或高于4%的时效管被认为是可焊的。^[7]由于可检测裂纹长度和伸长率很大程度上取决于评价方法的检出限和时效组织，因此上述可焊性判据并不完全可靠。因此，要对焊接过程的可靠性进行评估，需要对老化的管材和新老焊缝进行细致的微观结构分析和力学性能评估。在20年老化的试管中没有观察到有害的西格玛相，NbC似乎已经完全进入了g阶段。g相的形成不影响可焊性，高展弦比的二次碳化物在奥氏体晶粒内部形成，其特征为拉长的M23C6并导致硬化。在以后的研究中将会提出关于NbC分解为g相和二次碳化物的补充分析。^[8]

1.3新旧炉管微观组织性能及可焊性

1.3.1新旧炉管微观组织性能

老化管材的室温伸长率明显低于新鲜管材，时效管的平均延伸率略高于4%，在避免宏观裂纹的情况下，勉强满足焊接要求。^[9]虽然未观察到宏观裂纹，但发现了碳化物裂纹和局部碳化物网络熔融等微观缺陷，特别是在时效管根部通热影响区。^[10]由于较粗的初级碳化物具有更连续的网络，碳化物微裂纹和早期熔化的程度随着时效管的较热段(0.5 m)的增大而增大。^[11]碳化物微裂纹是由焊后热收缩引起的，与填充孔型相比，根孔型的冷却速度最快，热应力最大，根孔型承载热收缩载荷的材料较少。^[12]尽管存在碳化物微裂纹，但焊缝的拉伸伸长率并没有受到严重影响，因为从时效到新焊缝的延伸率与时效母材的延伸率相当，且略高于时效母材，微裂纹似乎垂直于碳化物网络，而不是沿着奥氏体边界或碳化物网络形成。^[13]

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