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摘要：本文简要介绍了离心铸造铁基高温耐热合金钢HP40Nb的材料特点及焊接性，并结合工程实例系统介绍了HP40Nb的焊接方法、操作技术、质量保证措施及焊接过程中的注意事项，对同类工程的施工有一定的借鉴意义。
关键词：高温耐热合金钢；离心铸造用钢管；HP40Nb
0 引言
HP40Nb（ZG40Cr25Ni35Nb）钢为铁基高温耐热合金钢，属于离心铸造用钢管。其具有良好的抗渗碳、抗高温蠕变断裂和抗氧化等优异性能，是一种耐高压、耐腐蚀及抗高温的材料，在合成氨、甲醇、城市煤气，炼钢工厂蒸汽转换炉及乙烯装置的裂解炉得到广泛得有应用。我公司承建的某装置蒸汽过热炉辐射室的炉管使用该材料，其介质为588℃-812℃的蒸汽。
1 HP40Nb的成分与性能
HP40Nb炉管的化学成分见下表：
HP40Nb化学成分表
元素 C Si Mn Ni Cr Nb S P
标准值 0.35-0.45 <2.00 <2.00 32-37 24-27 0.6-1.5 <0.03 <0.03
实际值 0.419 1.35 0.82 34.55 24.5 0.81 0.019 0.026
HP40Nb炉管中Si含量高达1.8%，提高了炉管的高温抗渗碳能力，同时也增加了出现大量微裂纹的倾向，为了解决这个矛盾，将C含量提高到0.4%，有助于提高炉管的焊接性能。Cr元素大部分成为固溶元素，另一部分则与碳形成鉻的碳化物，使合金具有良好的耐热性和较高的高温蠕变断裂强度；由于鉻元素在炉管表面形成一层致密的氧化膜，从而使炉管具有良好的抗氧化性和一定的抗渗碳能力；与奥氏体不锈钢一样，在氧化性介质和某些还原性介质中，由于鉻和镍的共同作用，使这种炉管具有良好的耐蚀性。该炉管中的镍含量高达35%，一方面镍起到稳定奥氏体的作用，并能提高炉管的高温强度、高温韧性以及抗渗碳作用；另一方面由于含有较高的镍，可以减少碳在奥氏体中的溶解度，与HK-40炉管相比，在碳含量相同的情况下具有较多的共晶碳化物和较高的蠕变断裂强度。炉管中加入一定量的铌，也是为了提高炉管的蠕变断裂强度、高温塑性及抗渗碳能力。HP40Nb炉管具体力学性能见下表：
HP40Nb力学性能表
常温力学性能 高温力学性能
高温短时力学性能 高温持久强度/h
屈服强度
σs/MPa 抗拉强度
σb/MPa 伸长率
δ5（%） 试验温度
T/℃ 抗拉强度
σb/MPa 伸长率
δ5（%） 试验温度
T/℃ 试验压力
Pb/MPa 最小持续时间t/h
≥245 ≥440 ≥8 900 ≥147 ≥24 900 49 100
2 焊接性能分析
HP40Nb炉管含碳量高，并存在一定量的共晶，焊接熔池的流动性好，但由于含有较高的Cr和Ni合金元素，在焊接过程中容易产生裂纹及气孔等缺陷，焊接性能较差：
（1）HP40Nb炉管Ni含量高达35%左右，Si在Ni含量较高时易于偏析，在晶界上形成底熔点共晶物；该炉管具有较大的热膨胀系数、较差的导热性及较大的电阻率，在焊接过程中遇到局部加热和冷却的情况，焊接接头会形成较大的拉应力，从而增加了出现较大热裂纹的几率。
（2）焊接时采用手工钨极氩弧焊打底，如果氩气保护不好，造成管内充氩保护过程中空气没有排尽，一方面容易出现难溶氧化渣，另一方面空气中的气体容易混入焊缝中形成气孔；如果用于填充和盖面的焊条没有按要求进行烘干，药皮中存在结晶水，也会产生气孔。
（3）焊接过程中会造成HAZ高温停留时间过长，较大应力作用和残余应力的存在会引起晶粒粗大，同时产生Cr23C6。Cr23C6在奥氏体晶界沉淀，S、P、Si与Cr、Ni之间的共晶物析出，从而导致耐腐蚀性能下降。
3 焊接
3.1 焊接方法选择
焊接方法采用氩电联焊，即手工钨极氩弧焊打底，手工焊条电弧焊填充盖面。手工钨极氩弧焊具有热量集中、焊接过热区较小、高温停留时间较短、冷却速度快，反面焊缝成形质量好，以及管道内部清洁度高等特点；手工焊条电弧焊是最常用的焊接方法，其特点为灵活方便、可进行全位置焊接，及劳动效率高。
3.2 焊接材料选择
根据化学成分和力学性能相当的原则，焊丝采用HPNb。HPNb焊丝具有良好的焊接性，其熔敷金属具备高温长期服役过程所需要的蠕变断裂强度。在焊条的选择上，我们根据设计要求选用镍基焊条ENiCrMo3。焊材具体化学见下表：
HPNb（焊丝）化学成分表
元素 C Si Mn P S Cr Ni Nb
含量 0.42 1.20 1.30 0.012 0.008 25.13 35.3 1.12
ENiCrMo3（焊条）化学成分表
元素 C Si Mn P S Cr Ni Nb+Ta
含量 0.038 0.50 0.58 0.008 0.005 21.21 61.5 3.62
3.3 坡口选择与加工
因为焊接材料的化学成分不同于母材本体，所以母材在焊缝金属所占的比例份量愈少愈好，这样能提高焊缝金属的抗裂性能。另外，结合坡口形式的溶透性能，我们选用下图形式的坡口：
坡口加工采用机加工，打磨采用专用砂轮片。加工后的坡口不得有气孔、沙眼、毛刺及裂纹等影响焊接质量的缺陷，焊接前坡口应进行渗透检测。
3.4 试件焊缝坡口表面清理
镍合金对杂质比较敏感，炉管表面的物质（油脂、油漆、铁锈及记号笔印记等）会给焊缝带来一些有害元素（Pb、P及S），容易产生气孔及裂纹等缺陷，因此在焊接试件前对坡口两侧20mm范围内进行清理，清理时先用专用磨光机打磨至金属光泽，然后再用丙酮进行清理。焊接前还要将坡口两侧100mm范围内涂上白垩粉，防止焊接过程中飞溅对试件产生污染。 3.5 组对及定位焊
炉管组对时不得有应力，管内错边不得超过0.5mm。定位焊应采用与正式焊接相同的焊接工艺，保证焊透并熔合良好，无表面缺陷。若发现焊接缺陷，应及时清除并重新点焊。作为正式焊缝组成部分的定位焊，为保证底层焊道成型良好、减少应力集中，定位焊缝应平缓过渡到母材，并将焊缝两端磨成缓坡状。
3.6 HP40Nb的焊接
焊接前管内提前充Ar，并保持微弱正压和流动状态，确认管内空气被清除干净后方可焊接。打底的焊接必须使用GTAW，剩余部分可以使用SMAW。焊接时，弧长应尽量短，焊枪和焊条不得摆动，焊接过程中焊丝的加热始终在Ar的保护下，熄弧后氩弧焊把要停留在原处几秒钟，保证焊丝和焊缝金属不被氧化。HP40Nb焊接工艺参数见下表：
SAFUREX焊接工艺参数
焊接方法 焊材 规格 极性 电流（A） 电压（V） 气体流量（L/min） 焊速（cm/min） 线能量（KJ/cm）
GTAW HPNb φ2.5 DCEN 80-85 12-13 8-12 5-7 ≤13.3
SMAW ENiCrMo3 φ3.2 DCEP 85-95 24-25 / 6-8 ≤23.7
4 质量控制
4.1焊接工艺评定和焊接工艺指导书
根据产品的规格特点，我公司进行了HP40Nb水平固定位置的焊接工艺评定，根据焊接工艺评定报告编制了适于现场焊接的焊接工艺指导书，并下发到每名焊工及焊材保管员手中。焊接工艺评定试验结果见下表：
焊接工艺评定试验结果
材料名称 常温抗拉强度 900℃高温抗拉强度 900℃持久断裂时间
HP40Nb 525 167 197.67
HP40Nb 550 171 /
合格 合格 合格
晶间腐蚀 采用金相法实验合格
4.2焊工培训和考试
鉴于我公司HP40Nb焊接经验较少，焊接前我们对参与HP40Nb焊接的焊工进行理论知识和操作技能的培训，使每名焊工在正式焊接前熟悉该材料的焊接特性、焊接操作要求，及注意事项。组织焊工进行专项考试，选拔成绩优异者参与焊接。
4.3焊接过程质量控制
在焊接过程中要求每名焊工严格执行工艺纪律，焊接质检人员随时抽查焊缝的外观质量，最大可能的提高焊接一次合格率。投用于焊接工程使用的焊接设备、器具及检验设备应齐全，性能稳定可靠且运转良好。
4.4施焊环境的管理与监控
打磨使用的不锈钢砂轮不得和其他砂轮混用，更不能与碳钢接触。施工场地必须有防风雨棚，严格控制空气的对流，以免影响保护气体的保护效果。
5 结束语
了解掌握铸钢HP40Nb的力学性能及焊接特点，进行焊接工艺评定、焊工培训考试及严格的过程质量控制是取得优良焊接质量的保证。
在此次施工过程中采用了合理的焊接工艺、技术过硬的焊工及对各个环节严格的控制，有效地保证了焊接质量，焊接一次合格率达到99.4%。
参考文献：
[1]张其枢、堵耀庭编《不锈钢焊接》机械工业出版社2000版。
[2]ASME锅炉及压力容器委员会材料分委员会编《ASME锅炉及压力容器规范 Ⅱ 材料A篇-铁基材料》中国石化出版社2001版。
[3]陈祝年编《焊接工程师手册》机械工业出版社2002版。
关键词：高温耐热合金钢；离心铸造用钢管；HP40Nb
0 引言
HP40Nb（ZG40Cr25Ni35Nb）钢为铁基高温耐热合金钢，属于离心铸造用钢管。其具有良好的抗渗碳、抗高温蠕变断裂和抗氧化等优异性能，是一种耐高压、耐腐蚀及抗高温的材料，在合成氨、甲醇、城市煤气，炼钢工厂蒸汽转换炉及乙烯装置的裂解炉得到广泛得有应用。我公司承建的某装置蒸汽过热炉辐射室的炉管使用该材料，其介质为588℃-812℃的蒸汽。
1 HP40Nb的成分与性能
HP40Nb炉管的化学成分见下表：
HP40Nb化学成分表
元素 C Si Mn Ni Cr Nb S P
标准值 0.35-0.45 <2.00 <2.00 32-37 24-27 0.6-1.5 <0.03 <0.03
实际值 0.419 1.35 0.82 34.55 24.5 0.81 0.019 0.026
HP40Nb炉管中Si含量高达1.8%，提高了炉管的高温抗渗碳能力，同时也增加了出现大量微裂纹的倾向，为了解决这个矛盾，将C含量提高到0.4%，有助于提高炉管的焊接性能。Cr元素大部分成为固溶元素，另一部分则与碳形成鉻的碳化物，使合金具有良好的耐热性和较高的高温蠕变断裂强度；由于鉻元素在炉管表面形成一层致密的氧化膜，从而使炉管具有良好的抗氧化性和一定的抗渗碳能力；与奥氏体不锈钢一样，在氧化性介质和某些还原性介质中，由于鉻和镍的共同作用，使这种炉管具有良好的耐蚀性。该炉管中的镍含量高达35%，一方面镍起到稳定奥氏体的作用，并能提高炉管的高温强度、高温韧性以及抗渗碳作用；另一方面由于含有较高的镍，可以减少碳在奥氏体中的溶解度，与HK-40炉管相比，在碳含量相同的情况下具有较多的共晶碳化物和较高的蠕变断裂强度。炉管中加入一定量的铌，也是为了提高炉管的蠕变断裂强度、高温塑性及抗渗碳能力。HP40Nb炉管具体力学性能见下表：
HP40Nb力学性能表
常温力学性能 高温力学性能
高温短时力学性能 高温持久强度/h
屈服强度
σs/MPa 抗拉强度
σb/MPa 伸长率
δ5（%） 试验温度
T/℃ 抗拉强度
σb/MPa 伸长率
δ5（%） 试验温度
T/℃ 试验压力
Pb/MPa 最小持续时间t/h
≥245 ≥440 ≥8 900 ≥147 ≥24 900 49 100
2 焊接性能分析
HP40Nb炉管含碳量高，并存在一定量的共晶，焊接熔池的流动性好，但由于含有较高的Cr和Ni合金元素，在焊接过程中容易产生裂纹及气孔等缺陷，焊接性能较差：
（1）HP40Nb炉管Ni含量高达35%左右，Si在Ni含量较高时易于偏析，在晶界上形成底熔点共晶物；该炉管具有较大的热膨胀系数、较差的导热性及较大的电阻率，在焊接过程中遇到局部加热和冷却的情况，焊接接头会形成较大的拉应力，从而增加了出现较大热裂纹的几率。
（2）焊接时采用手工钨极氩弧焊打底，如果氩气保护不好，造成管内充氩保护过程中空气没有排尽，一方面容易出现难溶氧化渣，另一方面空气中的气体容易混入焊缝中形成气孔；如果用于填充和盖面的焊条没有按要求进行烘干，药皮中存在结晶水，也会产生气孔。
（3）焊接过程中会造成HAZ高温停留时间过长，较大应力作用和残余应力的存在会引起晶粒粗大，同时产生Cr23C6。Cr23C6在奥氏体晶界沉淀，S、P、Si与Cr、Ni之间的共晶物析出，从而导致耐腐蚀性能下降。
3 焊接
3.1 焊接方法选择
焊接方法采用氩电联焊，即手工钨极氩弧焊打底，手工焊条电弧焊填充盖面。手工钨极氩弧焊具有热量集中、焊接过热区较小、高温停留时间较短、冷却速度快，反面焊缝成形质量好，以及管道内部清洁度高等特点；手工焊条电弧焊是最常用的焊接方法，其特点为灵活方便、可进行全位置焊接，及劳动效率高。
3.2 焊接材料选择
根据化学成分和力学性能相当的原则，焊丝采用HPNb。HPNb焊丝具有良好的焊接性，其熔敷金属具备高温长期服役过程所需要的蠕变断裂强度。在焊条的选择上，我们根据设计要求选用镍基焊条ENiCrMo3。焊材具体化学见下表：
HPNb（焊丝）化学成分表
元素 C Si Mn P S Cr Ni Nb
含量 0.42 1.20 1.30 0.012 0.008 25.13 35.3 1.12
ENiCrMo3（焊条）化学成分表
元素 C Si Mn P S Cr Ni Nb+Ta
含量 0.038 0.50 0.58 0.008 0.005 21.21 61.5 3.62
3.3 坡口选择与加工
因为焊接材料的化学成分不同于母材本体，所以母材在焊缝金属所占的比例份量愈少愈好，这样能提高焊缝金属的抗裂性能。另外，结合坡口形式的溶透性能，我们选用下图形式的坡口：
坡口加工采用机加工，打磨采用专用砂轮片。加工后的坡口不得有气孔、沙眼、毛刺及裂纹等影响焊接质量的缺陷，焊接前坡口应进行渗透检测。
3.4 试件焊缝坡口表面清理
镍合金对杂质比较敏感，炉管表面的物质（油脂、油漆、铁锈及记号笔印记等）会给焊缝带来一些有害元素（Pb、P及S），容易产生气孔及裂纹等缺陷，因此在焊接试件前对坡口两侧20mm范围内进行清理，清理时先用专用磨光机打磨至金属光泽，然后再用丙酮进行清理。焊接前还要将坡口两侧100mm范围内涂上白垩粉，防止焊接过程中飞溅对试件产生污染。 3.5 组对及定位焊
炉管组对时不得有应力，管内错边不得超过0.5mm。定位焊应采用与正式焊接相同的焊接工艺，保证焊透并熔合良好，无表面缺陷。若发现焊接缺陷，应及时清除并重新点焊。作为正式焊缝组成部分的定位焊，为保证底层焊道成型良好、减少应力集中，定位焊缝应平缓过渡到母材，并将焊缝两端磨成缓坡状。
3.6 HP40Nb的焊接
焊接前管内提前充Ar，并保持微弱正压和流动状态，确认管内空气被清除干净后方可焊接。打底的焊接必须使用GTAW，剩余部分可以使用SMAW。焊接时，弧长应尽量短，焊枪和焊条不得摆动，焊接过程中焊丝的加热始终在Ar的保护下，熄弧后氩弧焊把要停留在原处几秒钟，保证焊丝和焊缝金属不被氧化。HP40Nb焊接工艺参数见下表：
SAFUREX焊接工艺参数
焊接方法 焊材 规格 极性 电流（A） 电压（V） 气体流量（L/min） 焊速（cm/min） 线能量（KJ/cm）
GTAW HPNb φ2.5 DCEN 80-85 12-13 8-12 5-7 ≤13.3
SMAW ENiCrMo3 φ3.2 DCEP 85-95 24-25 / 6-8 ≤23.7
4 质量控制
4.1焊接工艺评定和焊接工艺指导书
根据产品的规格特点，我公司进行了HP40Nb水平固定位置的焊接工艺评定，根据焊接工艺评定报告编制了适于现场焊接的焊接工艺指导书，并下发到每名焊工及焊材保管员手中。焊接工艺评定试验结果见下表：
焊接工艺评定试验结果
材料名称 常温抗拉强度 900℃高温抗拉强度 900℃持久断裂时间
HP40Nb 525 167 197.67
HP40Nb 550 171 /
合格 合格 合格
晶间腐蚀 采用金相法实验合格
4.2焊工培训和考试
鉴于我公司HP40Nb焊接经验较少，焊接前我们对参与HP40Nb焊接的焊工进行理论知识和操作技能的培训，使每名焊工在正式焊接前熟悉该材料的焊接特性、焊接操作要求，及注意事项。组织焊工进行专项考试，选拔成绩优异者参与焊接。
4.3焊接过程质量控制
在焊接过程中要求每名焊工严格执行工艺纪律，焊接质检人员随时抽查焊缝的外观质量，最大可能的提高焊接一次合格率。投用于焊接工程使用的焊接设备、器具及检验设备应齐全，性能稳定可靠且运转良好。
4.4施焊环境的管理与监控
打磨使用的不锈钢砂轮不得和其他砂轮混用，更不能与碳钢接触。施工场地必须有防风雨棚，严格控制空气的对流，以免影响保护气体的保护效果。
5 结束语
了解掌握铸钢HP40Nb的力学性能及焊接特点，进行焊接工艺评定、焊工培训考试及严格的过程质量控制是取得优良焊接质量的保证。
在此次施工过程中采用了合理的焊接工艺、技术过硬的焊工及对各个环节严格的控制，有效地保证了焊接质量，焊接一次合格率达到99.4%。
参考文献：
[1]张其枢、堵耀庭编《不锈钢焊接》机械工业出版社2000版。
[2]ASME锅炉及压力容器委员会材料分委员会编《ASME锅炉及压力容器规范 Ⅱ 材料A篇-铁基材料》中国石化出版社2001版。
[3]陈祝年编《焊接工程师手册》机械工业出版社2002版。