CN105081605B - 一种乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝 - Google Patents

一种乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝，其特征在于：以质量百分比为单位，含有C：0.40～0.45，Si：1.70～1.90，Mn：1.20～1.50，P：0.005～0.010，S：0.002～0.010，Cr：25～26，Ni：34～36，Nb：1.00～1.20，W：0.50～1.00，Mo：0.10～0.30，Cu：0.025～0.050，Al：0.10～0.20，Ti：0.05～0.15，Co：0.04～0.06，B:0.0010～0.0050，Pb:0～0.0020，Bi:0～0.0001，余量为Fe。本发明能有效提升乙烯裂解炉管焊接接头的高温持久性能，使其满足在1050℃、25MPa试验条件下高温持久断裂时间大于100小时的要求，从而达到保障乙烯裂解炉装置长周期安全运行的目的。

Description

一种乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝
技术领域
本发明属于乙烯裂解炉管焊接材料技术领域，具体涉及一种乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝。
背景技术
乙烯是石化工业领域中最重要的基础原料之一,随着乙烯装置规模的不断扩大,乙烯装置中关键设备裂解炉的大型化已成为乙烯工业发展的必然趋势。乙烯裂解炉管是石化乙烯装置的核心设备，一旦发生失效甚至爆炸事故，将严重影响整套装置的长周期安全运行。焊接接头的质量问题成为了乙烯裂解炉管早期失效的原因之一。根据调研发现，在乙烯装置投产后的3～4年，甚至在1～2年内开始出现焊接接头失效现象，尤其在投产后4～6年内集中出现焊缝开裂的问题。
焊材的选择对焊接接头的影响主要表现在影响焊接接头的高温性能，高温工况对乙烯裂解炉管焊接接头具有多方面的影响，主要为高温蠕变。焊缝金属蠕变性能与母材不匹配，在蠕变过程中会发生应力的再分布，较弱的母材将其承受的一部分应力卸放到焊缝中，引起应力集中，使得焊缝的损伤发展更快而成为薄弱环节。
虽然，HG/T2601-2011《高温承压用离心铸造合金炉管》中规定焊接接头力学性能符合母材的要求，即在1050℃、25MPa条件下高温持久断裂时间大于100小时。然而，根据调研及相关检测，炉管焊接接头的高温持久断裂时间不满足该标准要求，且远低于母材，导致裂纹易在焊缝部位萌生及扩展，最终导致炉管失效。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的不足，提供了一种有效提升乙烯裂解炉管焊接接头的高温持久性能、进而保障乙烯裂解炉装置长周期安全运行的乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝，以重量百分比为单位，含有C：0.40～0.45，Si：1.70～1.90，Mn：1.20～1.50，P：0.005～0.010，S：0.002～0.010，Cr：25～26，Ni：34～36，Nb：1.00～1.20，W：0.50～1.00，Mo：0.10～0.30，Cu：0.025～0.050，Al：0.10～0.20，Ti：0.05～0.15，Co：0.04～0.06，B:0.0010～0.0050，Pb:0～0.0020，Bi:0～0.0001，余量为Fe。
优选的，以质量百分比为单位，含有C：0.443，Si：1.86，Mn：1.25，P：0.0070，S：0.0043，Cr：25.66，Ni：34.01，Nb：1.11，W：0.94，Mo：0.115，Cu：0.045，Al：0.123，Ti：0.097，Co：0.056，B：0.0029，Pb：0.0011，Bi：0.000006，余量为Fe。
优选的，以质量百分比为单位，含有C：0.441，Si：1.70，Mn：1.30，P：0.0068，S：0.0044，Cr：25.63，Ni：34.25，Nb：1.05，W：0.64，Mo：0.115，Cu：0.035，Al：0.121，Ti：0.080，Co：0.052，B：0.0028，Pb：0.0006，Bi：0.000004，余量为Fe。
上述各元素对乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝耐高温持久性能的影响如下：
1.C(0.40～0.45质量％)
C与Cr、Mo、Ti、V、Nb等形成一次碳化物M7C3和NbC等，提高材料高温强度。在高温时效过程中，基体中的过饱和固溶碳以细小弥散的M23C6析出，会降低合金的韧性，恶化焊接性，因此，该焊丝中的含碳量为0.40～0.45质量％。
2.Si(1.70～1.90质量％)
Si是冶炼时必要的脱氧剂，可以提高钢液在铸造时的流动性。Si溶于奥氏体中提高钢的硬度和强度，同时，在高温氧化气氛中，Si与O结合形成SiO2薄膜，提高炉管的高温抗氧化性能。Si在Ni含量较高的环境中易于产生偏析，在晶界上形成低熔点共晶物，容易导致焊接热裂纹倾向，恶化钢的焊接性能。Si是促进σ相析出元素在，加入量过多将降低持久强度。因此，该焊丝中的含Si量为1.70～1.90质量％。
3.Mn(1.20～1.50质量％)
Mn是扩大奥氏体相区元素，与S生成球化的MnS，可消除S的危害，也能改善焊接性能。但Mn元素促进σ相析出，加入量过多会降低合金的抗氧化性能。因此，该焊丝中的含Mn量为1.20～1.50质量％。
4.P(0.005～0.010质量％)
P元素对高温持久强度有显著影响，随着P元素含量增加，高温持久强度降低，由于P元素在热处理过程中会产生偏聚，促进空洞的形核。因此，综合考虑高温持久断裂时间要求和经济成本因素，该焊丝中的含P量为0.005～0.010质量％。
5.S(0.002～0.010质量％)
S元素含量对高温持久寿命有显著影响，随着S元素的增加，高温持久强度降低。这是由于在热处理过程中硫偏聚到晶界形成硫化物，由于硫化物和基体的结合力较差，空洞很容易形核，在高温状态下由于局部应力集中导致空洞连接从而产生微裂纹，导致炉管快速失效。因此，综合考虑高温持久断裂时间要求和经济成本因素，该焊丝中的含S量为0.002～0.010质量％。
6.Cr(25～26质量％)
Cr元素是合金中主要的固溶强化元素和碳化物形成元素。Cr元素在材料表面形成致密的Cr2O3保护膜，对合金的抗氧化、强度、抗渗碳性能起决定性作用。但Cr含量过高会导致σ相析出，从而降低合金的强度和韧性。因此，该焊丝中的含Cr量为25～26质量％。
7.Ni(34～36质量％)
Ni元素是形成和稳定奥氏体，提高抗渗碳、抗氧化、高温强度和韧性的主要元素，可提高钢的强度而不显著降低其韧性，改善钢的加工性和可焊性。Ni原子将会降低C原子在合金中的溶解度，过量加入会导致超量的碳化物会析出。因此，该焊丝中的含Ni量为34～36质量％。
8.Nb(1.00～1.20质量％)
Nb元素形成晶界析出的NbC，有效提高材料的强度，同时使晶界碳化铬均匀弥散分布，延迟碳化物粗化过程，从而提高合金的高温强度。因此，该 焊丝中的含Nb量为1.00～1.20质量％。
9.W(0.50～1.00质量％)
W元素是固溶强化元素，能提高合金的高温强度，抑制碳的扩散速度，但是加入过量则会影响合金的抗氧化性能，并促进σ相析出，降低合金的强度和韧性。因此，该焊丝中的含W量为0.50～1.00质量％。
10.Mo(0.10～0.30质量％)
Mo元素是固溶强化元素，能提高合金的高温强度，抑制碳的扩散速度，但是加入过量则会影响合金的抗氧化性能，并促进σ相析出，降低合金的强度和韧性。因此，该焊丝中的含Mo量为0.10～0.30质量％。
11.Cu(0.025～0.050质量％)
Cu元素是扩大奥氏体相区的元素，提高材料强度和屈强比，但是Cu元素含量过高在热加工过程中易产生铜脆，导致开裂。因此，该焊丝中的含Cu量为0.25～0.50质量％。
12.Al(0.10～0.20质量％)
Al元素在铸造过程中用来脱氧，同时可与Ni形成化合物，提高热强性。但是Al元素含量过高会促进长期蠕变时σ相形成和粗化，降低蠕变寿命。因此，该焊丝中的含Al量为0.10～0.20质量％。
13.Ti(0.05～0.15质量％)
Ti元素含量超过0.10质量％时，可在晶界形成碳化钛，提高材料强度。因此，该焊丝中的含Ti量为0.05～0.15质量％。
14.Co(0.04～0.06质量％)
Co元素能提高材料的抗氧化性能，同时显著提高材料的热强性和高温硬度。因此，该焊丝中的含Co量为0.04～0.06质量％。
15.B(0.0010～0.0050质量％)
B元素具有细化晶粒，改善晶粒形貌，净化杂质等作用。同时能提高钢的淬透性和高温强度。B的添加不仅可以起到抑制S元素向空位等自由表面偏聚形成硫化物，而且还可以改变渗碳区碳化物的种类及形态。因此，该焊丝中的含B量为0.0010～0.0050质量％。
16.Pb(0～0.0020质量％)
Pb元素在高温拉伸应力情况下，向晶界偏聚，降低了表面能，促进了蠕变空洞的萌生，最终导致高温持久性能的降低。因此，综合考虑高温持久断裂时间要求和经济成本因素，该焊丝中的含Pb量为0～0.0020质量％。
17.Bi(0～0.0001质量％)
Bi元素与Pb元素类似，Bi元素向晶界偏聚，降低晶界表面能，增加空洞形核率。因此，综合考虑高温持久断裂时间要求和经济成本因素，该焊丝中的含Bi量为0～0.0001质量％。
本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝，通过对各种有益元素进行一定质量的混合比，以质量百分比为单位，含有C：0.40～0.45，Si：1.70～1.90，Mn：1.20～1.50，P：0.005～0.010，S：0.002～0.010，Cr：25～26，Ni：34～36，Nb：1.00～1.20，W：0.50～1.00，Mo：0.10～0.30，Cu：0.025～0.050，Al：0.10～0.20，Ti：0.05～0.15，Co：0.04～0.06，B:0.0010～0.0050，Pb:0～0.0020，Bi:0～0.0001，余量为Fe。本发明中的这种材料配比的焊丝能有效提高炉管焊接接头的高温持久断裂时间，使其满足在1050℃、25MPa试验条件下高温持久断裂时间大于100小时的要求，符合工业应用需求，具有较好的推广应用价值。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附表，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明中的焊丝采用常规制备方法即可。
实施例1
一种乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝化学成分见表1。
表1乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝化学成分
编号 C Si Mn P S Cr Ni Nb W
1# 0.443 1.86 1.25 0.0070 0.0043 25.66 34.01 1.11 0.94
编号 Mo Cu Al Ti Co B Pb Bi /
1# 0.115 0.045 0.123 0.097 0.056 0.0029 0.0011 0.000006 /
注：以质量百分比为单位。
对以表1中配比制作的乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝试样分别进行2次1050℃、25MPa试验条件下的耐高温持久强度试验，所得测试结果如表2所示。
表2乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝高温持久试验结果
由高温持久试验结果可见，满足本专利成分范围的焊丝高温持久强度满足高温持久断裂时间大于100h。
实施例2
一种乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝化学成分见表3。
表3乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝化学成分
编号 C Si Mn P S Cr Ni Nb W
2# 0.441 1.70 1.30 0.0068 0.0044 25.63 34.25 1.05 0.64
编号 Mo Cu Al Ti Co B Pb Bi /
2# 0.115 0.035 0.121 0.080 0.052 0.0028 0.0006 0.000004 /
注：以质量百分比为单位。
对以表3中配比制作的乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝试样分别进行2次1050℃、25MPa试验条件下的耐高温持久强度试验，所得测试结果如表4所示。
表4乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝高温持久试验结果
由高温持久试验结果可见，满足本专利成分范围的焊丝高温持久强度满足高温持久断裂时间大于100h。
实施例3
一种乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝化学成分见表5。
表5乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝化学成分
编号 C Si Mn P S Cr Ni Nb W
3# 0.427 1.44 1.75 0.0050 0.0037 26.89 35.21 0.66 0.035
编号 Mo Cu Al Ti Co B Pb Bi /
3# 0.228 0.0098 0.0074 0.082 0.012 0.0012 0.0010 0.00003 /
注：以质量百分比为单位。
对以表5中配比制作的乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝试样分别进行2次1050℃、25MPa试验条件下的耐高温持久强度试验，所得测试结果如表6所示。
表6乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝高温持久试验结果
由化学成分结果可见，该焊丝成分中Si、Mn、Cr、Nb、W、Cu、Al和Co元素成分均不在本发明提供焊丝的成分范围内，其高温持久断裂时间小于100h，且远小于实施例1及实施例2中焊丝的高温持久断裂时间。
实施例4
一种乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝化学成分见表7。
表7乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝化学成分
编号 C Si Mn P S Cr Ni Nb W
4# 0.371 1.08 0.94 0.0050 0.0024 25.31 34.09 0.139 4.65
编号 Mo Cu Al Ti Co B Pb Bi /
4# 0.16 0.012 0.015 0.015 0.05 0.0020 0.0010 0.00003 /
注：以质量百分比为单位。
对以表7中配比制作的乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝试样分别进行2次1050℃、25MPa试验条件下的耐高温持久强度试验，所得测试结果如表8所示。
表8乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝高温持久试验结果
由化学成分结果可见，该焊丝成分中C、Si、Mn、W、Cu、Ti元素成分均不在本发明提供焊丝的成分范围内，其高温持久断裂时间小于100h，且远小于实施例1及实施例2中焊丝的高温持久断裂时间。
综上实施例所述，本发明所提供的乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝配比满足在1050℃、25MPa试验条件下高温持久断裂时间大于100小时的要求，具有较大的应用价值。

Claims (3)

1.一种乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝，其特征在于：以质量百分比为单位，含有C：0.40～0.45，Si：1.70～1.90，Mn：1.20～1.50，P：0.005～0.010，S：0.002～0.010，Cr：25～26，Ni：34～36，Nb：1.00～1.20，W：0.50～1.00，Mo：0.10～0.30，Cu：0.025～0.050，Al：0.10～0.20，Ti：0.05～0.15，Co：0.04～0.06，B:0.0010～0.0050，Pb:0～0.0020，Bi:0～0.0001，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝，其特征在于：以质量百分比为单位，含有C：0.443，Si：1.86，Mn：1.25，P：0.0070，S：0.0043，Cr：25.66，Ni：34.01，Nb：1.11，W：0.94，Mo：0.115，Cu：0.045，Al：0.123，Ti：0.097，Co：0.056，B：0.0029，Pb：0.0011，Bi：0.000006，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的一种乙烯裂解炉管用微合金化25Cr35NiNb焊丝，其特征在于：以质量百分比为单位，含有C：0.441，Si：1.70，Mn：1.30，P：0.0068，S：0.0044，Cr：25.63，Ni：34.25，Nb：1.05，W：0.64，Mo：0.115，Cu：0.035，Al：0.121，Ti：0.080，Co：0.052，B：0.0028，Pb：0.0006，Bi：0.000004，余量为Fe。
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