CN116174978A - 用于焊接导管连接件以用于高温应用的工艺 - Google Patents

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Abstract

一种用于焊接导管连接件以用于尤其是在功率设备中的高温应用的工艺，该导管连接件包括第一导管区段和第二导管区段，其中，第一导管区段由具有第一热膨胀系数(CTE1)的铁素体材料制成，并且其中，第二导管区段由具有不同于第一热膨胀系数(CTE1)的第二热膨胀系数(CTE2)的奥氏体材料制成，并且其中，焊接接头由具有处于第二热膨胀系数(CTE2)的范围中的第三热膨胀系数(CTE3)的奥氏体填充物材料制成，该工艺包括以下步骤：使将被连接的第一和第二导管区段轴向地对准、制作径向向内开口的至少局部V形的焊接接头，在将被连接的第一和第二导管区段内执行内部焊接工艺。本发明还涉及这种导管连接件。

Description

用于焊接导管连接件以用于高温应用的工艺
技术领域
本发明涉及用于焊接导管连接件以用于尤其是功率设备中的高温应用的工艺，该导管连接件包括第一导管区段和第二导管区段，其中，第一导管区段由具有第一热膨胀系数(CTE1)的铁素体材料制成，并且其中，第二导管区段由具有不同于第一热膨胀系数(CTE1)的第二热膨胀系数(CTE2)的奥氏体材料制成，并且其中，焊接接头由具有处于第二热膨胀系数(CTE2)的范围中的第三热膨胀系数(CTE3)的奥氏体填充物材料制成。本发明还涉及这种导管连接件。
背景技术
在高温应用中，尤其在功率设备应用中，已知使用导管连接件(也称为中间导管片)，其带有由铁素体材料制成的第一导管区段和由奥氏体材料制成的第二导管区段，其中，通过使用奥氏体填充物材料将该两个区段焊接在一起。这种由不同金属制成的导管连接件也称作异种金属焊接(DMW)。这种DMW导管连接件通常是从导管外利用至少局部V形的焊接凹槽而焊接的。
DE19527634 A1描述了带有这种外部焊接的导管连接件。此外，其涉及由铁素体材料制成的第一导管区段和由奥氏体材料制成的第二导管区段。为了将两个导管区段焊接在一起，使用带有与第一铁素体导管材料的热膨胀系数(CTE)相似/接近的热膨胀系数(CTE)的焊接填充物。
当生产异种金属焊接时，在奥氏体填充物材料和由铁素体材料制成的导管区段之间的熔接线处产生问题，这是由在热膨胀系数(CTE)上的差异引起的，由奥氏体材料制成的第二导管和由奥氏体材料制成的接头材料(填充物材料)比由铁素体材料制成的第一导管区段遭受更高程度的延长(ε)。
由于第二导管区段和焊接接头填充物材料通常具有相同的热膨胀系数(CTE)，或至少在相同的范围中的热膨胀系数(CTE)，因而在第二导管区段和焊接接头材料之间的连接通常是优良的。但是，当DMW导管连接件遭受高温时，在焊接接头材料和第一导管区段之间的热膨胀系数(CTE)上存在巨大的差异。这导致由延长(ε)上的差异引起的额外应力。将该额外应力附加至由操作参数(例如在导管连接件内的压力或弯曲力矩)引起的应力，使得在临界熔接线处的应力增加，并且这种导管连接件的寿命缩短。已知的是，在熔接线处的冶金学性质对在短期服务时间后导管连接件的故障负责，因为邻接奥氏体相形成硬质且脆性的马氏体层，并且形成在铁素体材料中的贫碳区域和在熔接线处的脆性沉淀物。
为了在高温管道系统中探测DMW的即将发生的故障，因而在短间隔中在这种导管连接件上有规律地执行无损测试(NDT)，并且包括异种金属焊接(DMW)的过渡件必须经常地更换。
还已知的是，通过优化在焊接接头的熔接线处的冶金学性质，例如通过执行焊接后热处理(PWHT)，克服由在热膨胀系数(CTE)上的差异引起的额外应力导致的减少寿命的问题。已知在其中可实现热膨胀系数(CTE)的更接近的匹配以便降低额外应力的材料组合。但是这些方法十分昂贵且耗时。
因而，所主张发明的目的为克服现有技术的缺点，并且以在导管连接件遭受高温时降低DMW区域中的应力的目标来提供用于焊接导管连接件的工艺和导管连接件。
发明内容
该目的通过提供一种用于焊接导管连接件以用于高温应用的工艺而实现。该工艺包括下列步骤：使将被连接的第一和第二导管区段轴向地对准、制作径向向内开口的至少局部V形的焊接凹槽、在将被连接的第一和第二导管区段内执行内部焊接工艺。在内部焊接工艺中，将导管从内径而不是从外径焊接。当通过使用径向向内开口的至少局部V形的焊接凹槽将第一和第二导管区段经由内部焊接而焊接在一起时，不在奥氏体填充物材料和由铁素体材料制成的第一导管区段之间的临界焊接接头熔接线上生成额外的法向张应力。当奥氏体第二导管区段和奥氏体填充物材料的热生成的延长发生时，焊接接头材料可由径向向内开口的至少局部V形的焊接凹槽的倾斜表面支撑。因而，压缩应力在焊接接头材料和第一导管区段之间生成，使得异种金属焊接连接的寿命和耐用性可被改进。
优选将由铁素体C钢制成的导管区段用作第一导管区段。尤其优选将P91钢或P22钢用作铁素体C钢。这种钢通常具有用于高温应用(例如在功率设备中的应用)的优选性质。
用于焊接导管连接件的工艺的另一优选备选项提供了，将由奥氏体钢或由镍基材料制成的导管区段用作第二导管区段。
在工艺的另一优选备选项中，将奥氏体钢或镍基材料用作奥氏体填充物材料。
上面提及的目的还通过一种导管连接件而实现。这种导管连接件的特征在于，焊接凹槽为至少局部V形且径向向内开口，并且第一和第二导管区段经由内部焊接而焊接在一起。由于通过使用径向向内开口的至少局部V形的焊接凹槽将第一和第二导管区段经由内部焊接而焊接在一起，因而不在奥氏体填充物材料和由铁素体材料制成的第一导管区段之间的临界焊接接头熔接线上生成额外的法向应力。当奥氏体第二导管区段和奥氏体填充物材料的热生成的延长发生时，由于内部焊接工艺，焊接接头材料可由径向向内开口的至少局部V形的焊接凹槽的倾斜表面支撑。因而，压缩应力在焊接接头材料和第一导管区段之间生成，使得可通过提供根据本发明的导管连接件而改进异种金属焊接连接的寿命和耐用性。
优选地，焊接凹槽是V形或Y形的或具有径向向内开口的焊接凹槽的任何其它倾斜表面，使得焊接接头材料可由倾斜表面支撑，以便在导管连接件遭受高温时产生压缩应力。
在导管连接件的优选实施例中，第一导管区段由铁素体C钢支撑，其中，尤其优选的是，铁素体C钢是具有用于高温功率设备应用的优选性质的P91钢或P22钢。
尤其优选的是，第二导管区段由奥氏体钢或镍基材料制成。
此外有利的是，奥氏体填充物材料由奥氏体钢或镍基材料制成。
附图说明
图1显示了带有根据本发明的工艺的步骤的工艺图；
图2显示了根据现有技术水平的导管连接件；
图3显示了根据本发明的导管连接件。
参考标号：
10 导管连接件
12 第一导管区段
14 第二导管区段
16 焊接凹槽
18 中轴线
20 箭头
22 焊接接头
24 外表面
26 箭头
28 箭头
30 箭头
32 箭头
34 熔接线
36 熔接线
38 箭头
40 内表面
42 倾斜表面
43 箭头
44 角
100工艺
5101 第一步骤5102第二步骤5103 第三步骤。
具体实施方式
图1示出了用于根据本发明的工艺100的工艺图，该工艺100用于焊接根据在图3中显示的发明的导管连接件。在第一步骤S101中，根据本发明的导管连接件10的第一导管区段12和第二导管区段14轴向地对准，以便被连接。
在第二步骤S102中，在第一导管区段12和第二导管区段14之间形成至少局部V形的焊接凹槽16，其在通过箭头20显示的中轴线18的方向上径向向内开口。
在第三步骤S103中，在将被连接的第一和第二导管区段12、14内执行内部焊接工艺。在内部焊接工艺中，将导管从内径而不是从外径焊接。在图1中示出的工艺100中，第一导管区段12由铁素体材料，优选地由用于高温应用的P91或P22钢(其中，CTE112.6resp.13.9E-6/K)制成，其中，第二导管区段14由奥氏体材料，优选地由奥氏体钢或镍基材料，例如IN 625(其中，CTE214.8E-6/K)制成。焊接接头22由奥氏体焊接接头填充物材料制成，该填充物材料优选地为奥氏体钢或镍基材料，例如ERNICr-3(其中，CTE315.3E-6/K)。这指的是，焊接接头填充物材料的热膨胀系数相对第一导管区段的材料的热膨胀系数(对于所述材料，CTE3和CTE1之间的差异为2.7resp.1.4E-6/K)，接近(resp.更加相似)第二导管区段的材料的热膨胀系数(在CTE3和CTE2之间的差异仅仅为0.5E-6/K)。在另一实例中，使用带有与SS347H的CTE相似的CTE3的与SS347H相似的填充物金属，将由铁素体基底材料P91(CTE112.6E-6/K)或P22(CTE113.9E-6/K)制成的第一导管区段连接至奥氏体导管区段，例如SS347H(CTE218.9E-6/K)。
现在将参照图2和图3，更加详细地描述根据在图1中示出的本发明的工艺100和根据在图3中示出的本发明的导管连接件10的优点。
图2显示了根据现有技术水平的导管连接件10。相同的标号将用于对应的元件，如在根据在图3中示出的本发明的导管连接件10中。
导管连接件10具有绕中轴线18轴向地对准的由铁素体材料制成的第一导管区段12和由奥氏体材料制成的第二导管区段14。V形的焊接凹槽16形成在导管连接件10的外表面24上，并且在箭头26的方向上径向向外开口。焊接凹槽16填充有形成焊接接头22的奥氏体材料的焊接接头填充物材料。
当根据现有技术水平的导管连接件10遭受高温例如在功率设备中的高温时，发生由不同的热膨胀系数(CTE)引起的延长。奥氏体材料的第二导管区段14具有比由铁素体材料制成的第一导管区段12更高的CTE。第二导管区段14的延长通过箭头28标记，其中，第一导管区段12的延长通过箭头30标记。延长28比延长30更大，其中，延长28、30的差通过箭头32标记。由于材料的选择，焊接接头22提供在第二导管区段14和焊接接头22之间的熔接线34处的优良连接，第二导管区段14和焊接接头22均由奥氏体材料制成，并且具有在相同范围内的CTE，这指的是它们具有相似的CTE。
但是，当延长28、30由于高温而发生时，在熔接线36的区域中的在第一导管区段12和焊接接头22之间的已经弱化的连接进一步弱化。通过箭头38指示的法向应力在第一导管区段12和焊接接头22之间的熔接线36上生成。这导致了附加至由操作参数(例如在导管连接件10中的内部压力或作用在导管连接件10上的弯曲力矩)引起的应力的额外应力。
与在图2中示出的根据现有技术水平的导管连接件10相反，在图3中显示的根据本发明的导管连接件10克服了这些问题。导管连接件10与在图2中的导管连接件10基本相同，因为导管区段12、14和焊接接头22由与在图2中的导管连接件10相同的材料组合制成。但是，填充有奥氏体材料的焊接接头填充物材料且形成焊接接头22的焊接凹槽16不是径向向外开口。在图3中示出的导管连接件10具有焊接凹槽16，其为V形且在导管连接件10的内表面40上形成，并且在由箭头20绘出的中轴线18的方向上径向向内开口。
当图3的导管连接件10遭受高温时，在熔接线34的区域中的在焊接接头22和第二导管区段14之间的连接是优良的，因为第二导管区段14和焊接接头22两者均由奥氏体材料制成。但是，在铁素体材料的第一导管区段12和焊接接头22之间的熔接线36的区域中，可实现显著的改进。当第二导管区段14如通过箭头28绘出地延长时，在延长32上的差发生，因为通过箭头30绘出的第一导管区段12的延长更小。但是，由于径向向内的焊接凹槽16的朝向，因而在熔接线36的区域中形成倾斜表面42。倾斜表面42布置为相对导管连接件10的外表面24成角度44。当焊接接头22试图在箭头26的方向上膨胀时，该移动受倾斜表面42约束，该倾斜表面42在焊接接头22上施加反作用力。因而，通过执行在图1中示出的工艺100并且通过提供径向向内开口的V形凹槽16，根据图3的导管连接件10的内部焊接导致在焊接接头22的区域中的减少应力。如箭头43所绘出，压缩应力在熔接线36上生成。因而，根据本发明且在图3中显示的导管连接件10的操作时间可显著地增加，但是可避免用于经由无损测试(NDT)的导管连接件10的检查的高成本或其它高成本，以便改进在焊接接头22处的应力水平。

Claims (10)

1.一种用于焊接导管连接件(10)以用于尤其是在功率设备中的高温应用的工艺(100)，所述导管连接件(10)包括第一导管区段(12)和第二导管区段(14)，其中，所述第一导管区段(12)由具有第一热膨胀系数(CTE1)的铁素体材料制成，并且其中，所述第二导管区段(14)由具有不同于所述第一热膨胀系数(CTE1)的第二热膨胀系数(CTE2)的奥氏体材料制成；
所述工艺(100)包括下列步骤：
-使将被连接的第一和第二导管区段(12、14)轴向地对准；
其特征在于，所述工艺进一步包括下列步骤：
-制作径向向内开口的至少局部V形的焊接凹槽(16)；
-用奥氏体材料的焊接接头填充物材料填充所述焊接凹槽(16)，并且通过在将被连接的所述第一和第二导管区段(12、14)内部执行内部焊接工艺而形成焊接接头(22)；其中，所述奥氏体填充物材料具有相对于所述第一导管区段(12)的材料的第一热膨胀系数(CTE1)较接近所述第二热膨胀系数(CTE2)的第三热膨胀系数(CTE3)；其中所述内部焊接工艺被执行成使得，所述焊接接头(22)具有沿所述第一导管区段(12)和所述焊接接头(22)的第一熔接线以及沿所述第二导管区段(14)和所述焊接接头(22)的第二熔接线。
2.根据权利要求1所述的用于焊接的工艺(100)，其特征在于，由铁素体C钢制成的导管区段用作所述第一导管区段(12)。
3.根据权利要求2所述的用于焊接的工艺(100)，其特征在于，P91钢或P22钢用作铁素体C钢。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的用于焊接的工艺(100)，其特征在于，由奥氏体钢制成或由镍基材料制成的导管区段用作所述第二导管区段(14)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的用于焊接的工艺(100)，其特征在于，奥氏体钢或镍基材料用作所述奥氏体填充物材料。
6.一种用于尤其是在功率设备中的高温应用的导管连接件(10)；所述导管连接件(10)包括第一导管区段(12)和第二导管区段(14)，其中，所述第一导管区段(12)由具有第一热膨胀系数(CTE1)的铁素体材料制成，并且其中，所述第二导管区段(14)由具有不同于所述第一热膨胀系数(CTE1)的第二热膨胀系数(CTE2)的奥氏体材料制成，其特征在于，焊接接头(22)填充所述导管连接件(10)的焊接凹槽(16)且由具有第三热膨胀系数(CTE3)的奥氏体填充物材料制成；所述焊接接头(22)在所述第一导管区段(12)和所述第二导管区段(14)之间提供连接，使得所述焊接接头(22)具有沿所述第一导管区段(12)和所述焊接接头(22)的第一熔接线(34)以及沿所述第二导管区段(14)和所述焊接接头(22)的第二熔接线(36)；并且其中，所述第三热膨胀系数(CTE3)相对于所述第一导管区段(12)的材料的第一热膨胀系数(CTE1)较接近所述第二热膨胀系数(CTE2)；并且其中，所述焊接凹槽(16)为至少局部V形的且径向向内开口，并且第一和第二导管区段(12、14)经由内部焊接而焊接在一起。
7.根据权利要求6所述的导管连接件(10)，其特征在于，所述第一导管区段(12)由铁素体C钢制成。
8.根据权利要求7所述的导管连接件(10)，其特征在于，所述铁素体C钢是P91钢或P22钢。
9.根据权利要求6至8中的任一项所述的导管连接件(10)，其特征在于，所述第二导管区段(14)由奥氏体钢或镍基材料制成。
10.根据权利要求6至9中的任一项所述的导管连接件(10)，其特征在于，所述奥氏体填充物材料由奥氏体钢或镍基材料制成。
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