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耐磨泵管一般用于-110~-20℃工況條件。按適用溫度范圍,低合金低溫用鋼可分為-40℃、-70℃、-90℃、-10℃鋼;按照鋼材的合金體系低合金低溫用鋼可分為不含鎳及含鎳的兩大類。不含鎳的低溫用鋼一般工作溫度在-40℃以上,而含鎳的低溫鋼根據鎳含量的高低,可以工作在較低的溫度下,如2.5%Ni鋼可以用于-60℃以下,3.5%Ni鋼可以用于-110~-90℃。列出了我國常用低合金低溫壓力容器用鋼的化學成分及力學性能。低合金低溫用鋼一般是通過合金元素的固溶強化、晶粒細化,并通過正火或正火+回火處理細化組織晶粒,從而獲得良好的低溫韌性。在低溫用鋼中常用合金元素是Mn、Ni、V、Nb等,如我國低溫壓力容器用鋼09Mn2ⅤDR、15MnNiDR及O9MnNiDR等,為保證低溫韌性,在低溫用鋼中盡量降低碳含量,并嚴格控制SP含量。低合金低溫用鋼還有相應的鑄件、鍛件及管材JB4727—2000中對5種常用的低合金低溫鋼鍛件的化學成分、力學性能做出了規定。低合金低溫鋼中(C)≤0.2%,同時合金元素的總質量分數不超過5%,碳當量較低,淬硬傾向較小,因此冷裂敏感性不大。耐磨泵管焊接時一般可不預熱,但應避免在低溫下施焊。當板厚超過25mm或焊接接頭的拘束較大時,應采用適當的預熱措施,以防止焊接冷裂紋,但預熱溫度不能過高,一般控制在100~150℃,預熱溫度過高會導致焊接接頭組織粗化,致使焊接接頭韌性降低。
低合金低溫鋼中N可能增大熱裂傾向,焊接過程中應注意防止熱裂紋的產生,但由于這類鋼及焊接材料中的C、及P的含量控制較低,采用合理的焊接參數,增大焊縫成形系數,可以避免熱裂紋的產生。某些低溫鋼中,由于含有V、Ti、Nb、Cu、N等元素,在焊后消除應力熱處理時,如果加熱溫度處于回火脆性敏感溫度區間(450~550℃)會析出脆性相,而使低溫韌性降低,選擇合理的焊后熱處理工藝,減少在敏感溫度區間的保留時間,可以避免回火脆性的產生。對低溫鋼焊接接頭的評定中,最重要的是必須保證焊接接頭在使用溫度下具有足夠的沖擊韌度和抗脆斷能力,確保結構的使用安全。因此正確選擇焊接材料,制定優化的焊接工藝,確保焊接接頭中焊縫金屬和熱影響區的低溫韌性是低溫鋼焊接時的技術關鍵。焊接接頭的低溫韌性對9%Ni鋼來說是個非常重要的問題包括焊縫金屬、熔合區和熱影響區三個區域,都可能發生韌性惡化。
①焊縫金屬。焊縫金屬的低溫韌性與焊接材料有關。用與母材成分相同的材料時,焊縫金屬的韌性很差,主要是因為焊縫金屬的含氧量太高。如果硅含量也較高,其韌性降低更大。所以,只有在TG焊接時才采用同質焊接材料。9%N鋼的焊接材料主要采用Ni基、Fe-Ni基和Ni-Cr奧氏體不銹鋼等三種類型。Ni基和Fe-Ni基焊接材料的低溫性能良好,線脹系數與母材相近,但成本高,強度偏低。Ni13-Crl6奧氏體不銹鋼型焊接材料的強度稍高,但低溫韌性較差,線脹系數與母材相差較大,而且易在熔合區出現脆硬組織。用同質焊接材料焊9%Ni鋼時,其韌性與母材相近。②熔合區。熔合區的低溫韌性主要與出現脆性組織有關。當采用Nil3-Crl6型奧氏體不銹鋼焊接%Ni鋼時,熔合區既非奧氏體不銹鋼,也非9%N鋼化學成分。耐磨泵管和奧氏體不銹鋼都具有良好的韌性,但這時熔合區中的Cr、Mn等元素的含量都比9%Ni鋼高,碳也在熔合區偏聚,其硬度為363~380HV,明顯高于焊縫金屬(207HV)和熱影響區(308-332HV)。熔合區的硬度偏高的位置是在焊縫邊界上的不完全混合區。該區的硬脆性主要是因為形成了有板條馬氏體和孿晶馬氏體組成的混合馬氏體所致。③熱影響區。9%Ni鋼焊接時在加熱到700~900℃以及1250℃以上的區域,其韌性明顯惡化。而加熱到1050~1250℃時韌性有所回升。在700~900℃C區間加熱時,由于它是處于鐵素體-奧氏體兩相區,加熱時生成部分高碳奧氏體,冷卻后轉變為島狀馬氏體,因此很脆。在1050~1250℃區間加熱時,由于奧氏體轉變已完成,得到均勻的奧氏體,冷卻后轉變為低碳馬氏體因此韌性較高。而加熱達1350℃時,晶粒粗大,又可能出現上貝氏體,因而韌性較差。而在550~600℃溫度加熱時,能得到較多的逆轉奧氏體,因而韌性較高。此外,冷卻速度對低溫韌性也有影響。冷卻速度越快,韌性越好。鋼中P含量對韌性也有影響,當為(S)0.005%時,w(P)應在0.009%以下為好。