耐熱閥門閥體熱加工工藝分析

　　闡述了耐熱閥門鑄鋼C5 閥體的開(kāi)裂成因，分析了鑄件的鑄造缺陷、缺陷補(bǔ)焊和熱處理操作等與閥體開(kāi)裂之間的關(guān)系，提出了預(yù)防的措施。

1、概述

　　在石化采煉行業(yè)的538℃高溫工況下，美國(guó)試驗(yàn)與材料學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A217中的耐熱鑄鋼C5(國(guó)標(biāo)ZG1Cr5Mo) 是常用的高中壓耐熱閥門材料。C5 鋼的冶煉、熱處理和鑄件缺陷補(bǔ)焊等熱加工工藝復(fù)雜，特別是鑄件的缺陷補(bǔ)焊，須進(jìn)行熱焊和焊后熱處理，才能確保鑄件質(zhì)量。這其中或由鑄造缺陷集中，或由缺陷補(bǔ)焊不當(dāng)，或由熱處理工藝操作不當(dāng)?shù)仍�因，在高溫高壓下極易產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而造成殼體泄漏。本文針對(duì)規(guī)格為DN250mm，壓力為PN40bar，材質(zhì)為C5的鑄鋼閥體，在使用溫度為380～400℃，使用壓力為PN20bar工況下出現(xiàn)裂紋的原因進(jìn)行分析，提出了預(yù)防措施。

2、閥體形貌

　　經(jīng)目視檢測(cè)，在閥體A法蘭根部外表面有明顯可見(jiàn)裂紋區(qū)。經(jīng)射線探傷檢測(cè)，在閥體B 法蘭根部?jī)?nèi)部存在裂紋區(qū)。兩處裂紋都發(fā)生在閥體的端法蘭根部。裂紋發(fā)生部位，法蘭與通徑外表面相交處均為直角，未倒圓角過(guò)渡。

3、材料性能

　　從閥體材料檢測(cè)結(jié)果分析，其化學(xué)成分中元素Mn 含量稍低(表1) ，力學(xué)性能指標(biāo)的屈服強(qiáng)度過(guò)低，抗拉強(qiáng)度偏低(表2) ，硬度(平均為170 HB) 、伸長(zhǎng)率和延伸率指標(biāo)均良好。如無(wú)其他內(nèi)部鑄造缺陷，在400℃高溫的20bar 壓力沖擊下，鑄件不至于開(kāi)裂泄漏。

圖1 閥體

表1 化學(xué)成分Wt%

表2 力學(xué)性能

　　從使用工況分析，PN4.0 MPa 的C5( ZG1Cr5Mo) 閥門在400℃高溫下，最大允許工作壓力為3.04MPa(30.4bar) 。而閥門實(shí)際使用壓力僅為2.0 MPa，在允許使用范圍內(nèi)。

　　從閥體金相組織照片分析，閥體開(kāi)裂剖切截面裂紋形貌顯示，法蘭根部轉(zhuǎn)角區(qū)域裂紋成90°貫穿的疏松( 縮松下同) 孔洞非常明顯( 圖2 ～圖4) 。

圖2 近轉(zhuǎn)角區(qū)域疏松形貌

圖3 近轉(zhuǎn)角疏松區(qū)域組織分布形貌

圖4 近轉(zhuǎn)角裂紋區(qū)域組織形貌

4、開(kāi)裂原因分析

　　4.1、鑄造工藝

　　從金相照片分析，閥體鑄件A 法蘭基體組織枝晶偏析發(fā)達(dá)，分布有疏松，裂紋區(qū)域疏松成片聚集，破壞了金屬的連續(xù)性，使聚集處有效面積減少。疏松是鑄造工藝設(shè)置不當(dāng)，鋼水補(bǔ)縮順序凝固不良引起的，與冒口體積和位置有關(guān)。法蘭根部與閥體通徑相交，壁厚較其他部位厚，屬于鑄造熱節(jié)部位，諸多因素造成了較大面積的疏松，導(dǎo)致在高溫和壓力不斷沖擊下產(chǎn)生裂紋，并由里到外貫穿法蘭與通徑結(jié)合部(法蘭根部) ，造成介質(zhì)泄漏。

　　4.2、熱處理

　　C5 鑄件的熱處理工藝是正火+ 回火，金屬顯微組織是貝氏體或較細(xì)的珠光體+ 鐵素體。對(duì)比開(kāi)裂閥體的顯微組織、硬度和力學(xué)性能，其鑄件強(qiáng)度偏低，特別是屈服強(qiáng)度過(guò)低，而塑性較高，可能是回火溫度偏高造成。熱處理工藝操作不當(dāng)，使得閥體基體的力學(xué)性能不足，鑄件強(qiáng)度不夠。由于鑄件內(nèi)部組織存在較發(fā)達(dá)的枝晶偏析和成片聚集的疏松，在鑄件熱處理(正火) 過(guò)程中組織應(yīng)力和冷卻應(yīng)力集中，對(duì)鑄件疏松區(qū)域形成應(yīng)力沖擊和應(yīng)力集中，增加了閥體開(kāi)裂的可能性。

　　4.3、結(jié)構(gòu)

　　閥體端法蘭兩平面均為機(jī)加工成型，按規(guī)定，凡加工面與任何面垂直相交，相交處必須倒圓角處理，以減少應(yīng)力。開(kāi)裂閥體端法蘭反平面與通徑相交處均為直角，沒(méi)有以圓角過(guò)渡，造成了應(yīng)力集中。從開(kāi)裂鑄件上采集的試樣經(jīng)高倍分析( 圖5) ，可以觀察到鑄件疏松區(qū)晶粒表面的結(jié)晶紋，同時(shí)還顯示，疏松區(qū)邊緣呈向外撕裂狀，均伴有氧化現(xiàn)象。經(jīng)分析，在壓力管道中由于應(yīng)力集中和鑄件疏松缺陷，在高溫高壓沖擊下，形成了從內(nèi)到外的貫穿性裂紋，導(dǎo)致介質(zhì)外漏。

圖5 B 法蘭徑向試樣開(kāi)裂形貌

　　4.4、補(bǔ)焊

　　A 法蘭裂紋在外部，目視可見(jiàn)。B 法蘭裂紋在內(nèi)部，RT 法檢出。從金相照片分析，母材與焊材交界處和堆焊區(qū)均存在裂紋，裂紋是在補(bǔ)焊時(shí)產(chǎn)生的。C5 鑄鋼是一種貝氏體(馬氏體) 耐熱鋼，合金成分多，各合金相變速率不一致，補(bǔ)焊前鑄件或缺陷及周圍區(qū)域須預(yù)熱，如未經(jīng)預(yù)熱，熔敷金屬與母材溫差太大，在半熔化區(qū)和熱影響區(qū)會(huì)出現(xiàn)馬氏體組織，進(jìn)而由焊接應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋。另外，補(bǔ)焊后要及時(shí)回火，進(jìn)行消應(yīng)處理。

　　C5 鑄件正確的焊補(bǔ)工藝是對(duì)鑄件缺陷及周圍區(qū)域進(jìn)行300℃ 左右的預(yù)熱，然后用R507 焊條施焊。施焊后馬上進(jìn)行720℃ 左右的回火處理，以減少焊接應(yīng)力和熱影響區(qū)、補(bǔ)焊區(qū)的硬度。缺陷處焊材( 熔敷金屬) 的硬度必須保持與母材一致或接近。NACE MR0175 規(guī)定，熔化區(qū)、熱影響區(qū)和母材的硬度差最多不超過(guò)2HRC�？刂朴捕认�除鑄件開(kāi)裂的隱患，更適合于通硫化氫介質(zhì)的閥門。補(bǔ)焊區(qū)如不進(jìn)行熱處理，焊補(bǔ)區(qū)的硬度一般會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于母材。NACE MR0175 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，硬度是導(dǎo)致裂紋的敏感因素。對(duì)于C5 合金鋼鑄件缺陷一定要熱補(bǔ)和及時(shí)進(jìn)行焊后熱處理才能確保補(bǔ)焊質(zhì)量。

5、結(jié)語(yǔ)

　　C5 閥體法蘭一側(cè)外部開(kāi)裂主要原因?yàn)殍T件的熱節(jié)部位存在嚴(yán)重的大面積疏松缺陷，這些缺陷破壞了金屬基體的連續(xù)性。其次，熱處理工藝不當(dāng)使得基體強(qiáng)度不足，在壓力的反復(fù)沖擊下應(yīng)力集中區(qū)域裂開(kāi)。法蘭另一側(cè)內(nèi)部裂紋主要是由于補(bǔ)焊時(shí)未進(jìn)行預(yù)熱和焊后處理，引發(fā)了裂紋。為防止裂紋產(chǎn)生。鑄件進(jìn)廠前應(yīng)進(jìn)行材質(zhì)、尺寸、外觀和壁厚等常規(guī)檢查，并加強(qiáng)對(duì)鑄件的硬度和金相組織檢查，以判斷鑄件本身的缺陷和熱處理狀態(tài)是否合格。高溫高壓閥門硫化氫和氫氧氣閥門、以及其他重要管線閥門鑄件還應(yīng)按ASME B16. 34 規(guī)定進(jìn)行射線探傷，問(wèn)題鑄件應(yīng)及早發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處理，避免在投入使用后再出現(xiàn)殼體泄漏現(xiàn)象。有缺陷的鑄件補(bǔ)焊必須按工藝規(guī)范操作，補(bǔ)焊工藝須經(jīng)評(píng)定合格，補(bǔ)焊后須進(jìn)行焊后熱處理和無(wú)損探傷檢測(cè)。閥門鑄件在機(jī)加工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照工藝執(zhí)行，凡兩平面垂直相交處一定要加工出圓角，避免直角造成應(yīng)力集中。