乙烯裂解爐爐管作為裂解爐的核心部件，長期在高溫、滲碳介質環境以及一定的應力條件下服役，最高設計溫度達1150℃[1-3]。一根裂解爐管長約15 m，通常由3~5根離心鑄造爐管焊接而成，乙烯裂解爐管上的典型焊縫如圖1所示。
乙烯裂解爐管服役過程中，因焊接接頭高溫蠕變性能較差而產生的開裂現象時有發生。某乙烯企業SL-IIM 型裂解爐自投用4~6年間共發生4次焊縫及熱影響區開裂，嚴重影響生產計劃，造成較大的經濟損失[4]。某乙烯裂解輻射爐在施工時發現爐管焊縫共存在32處裂紋等缺陷，熱裂紋照片如圖2所示[5]。
對爐管進行焊接時，若焊接工藝選擇不當，極易在焊縫或熱影響區產生未焊透、咬邊、熱裂紋等焊接缺陷[6-7]。HG/T2601-2011標準要求乙烯裂解爐爐管焊接接頭的力學性能不得低於母材性能。在爐管焊接中，由於焊接接頭的高溫性能較差，焊縫依然是乙烯裂解爐管服役時的薄弱位置。文獻[5]最終解決了焊接缺陷，但並未提及爐管焊接接頭的高溫持久性能。在HG/T 2601-2011《高溫承壓用離心鑄造合金爐管》標準中，焊接接頭的抗高溫蠕變性能是乙烯裂解爐管中重要的性能指標之一，直接影響乙烯裂解裝置的長周期安全運行[5]。
文中採用6種不同的焊接熱輸入對典型爐管材料25Cr35NiNb+微合金進行焊接試驗，研究焊接熱輸入對焊接接頭性能的影響。
1.1 試驗材料
試驗材料為25Cr35NiNb+微合金離心鑄造爐管，直徑φ60 mm，壁厚7.5 mm，化學成分如表1所示。焊絲選用同質焊絲，直徑2.4 mm。熔敷金屬的化學成分如表2所示。
1.2 焊接工藝
試板採用手工鎢極氬弧焊進行焊接，氬氣純度≥99.99%。待焊爐管試板採用對接接頭、Y型坡口，焊接工藝參數如表3所示。爐管焊接為多層多道焊，每對爐管打底焊電流均為90 A，電壓11 V，層間溫度不超過100℃。由於爐管為高鉻鎳合金，其熔池中的液態金屬流動性較差，在焊接過程中必須採取措施，確保焊接試板無未焊透、氣孔等缺陷。
1.3 試驗方法
採用SHT4505型電液伺服萬能材料試驗機在23±5℃的實驗室大氣環境中進行室溫拉伸試驗，選用直徑8 mm的圓形截面室溫拉伸試樣。
採用RDJ-30型機械式持久試驗機進行高溫持久試驗，在1050℃、25 MPa拉伸應力作用下測試焊接接頭試樣的高溫持久性能。
採用配有Oxford的X射線能譜儀ZEISS Supra40場發射掃描電子顯微鏡對爐管金相試樣進行微觀觀察分析。
2.1 室溫拉伸試驗
不同熱輸入下的25Cr35NiNb+微合金爐管焊接接頭室溫拉伸性能如圖3所示。根據HG/T2601要求，25Cr35NiNb+微合金爐管室溫拉伸試驗屈服強度最低值均為250MPa，抗拉強度最低值均為450MPa。從圖中可以看出，在不同熱輸入下，25Cr35NiNb+微合金爐管焊接接頭的室溫拉伸性能均滿足母材的要求。
2.2 高溫持久試驗
根據HG/T2601要求，在1050℃、25 MPa拉力下，25Cr35NiNb+微合金爐管的高溫持久斷裂時間應大於100 h。爐管焊接接頭的高溫持久試驗結果如圖4所示。25Cr35NiNb+微合金爐管在熱輸入為9 kJ/cm時，持久斷裂時間為139 h；熱輸入11 kJ/cm時，持久斷裂時間為119 h；熱輸入為6 kJ/cm時，持久斷裂時間為78 h，沒有達到標準要求。
2.3 焊接接頭的顯微組織分析
根據6個試樣的焊接接頭高溫持久斷裂時間，將焊接熱輸入範圍分成3組，分別為6~8 kJ/cm、9~11 kJ/cm、12~16 kJ/cm，並觀察其焊縫組織。
熱輸入分別為6、9、12 kJ/cm時的焊接接頭電子金相照片如圖5~圖7所示，其顯微組織為奧氏體和沿晶界分布的碳化物。3種熱輸入下焊縫組織均呈骨架狀，基體均為奧氏體，焊縫組織有析出相存在（見圖5a、圖6a、圖7a）。其中塊狀、細條狀分布碳化物為Cr的碳化物，短棒狀、顆粒狀碳化物為Nb的碳化物（見圖5b、圖6b、圖7b）。
在高溫持久試驗後，觀察熱輸入分別為6kJ/cm、9kJ/cm的焊接接頭試樣的焊縫組織，結果如圖8所示。在熱輸入為9 kJ/cm時，焊縫組織仍呈骨架狀，焊縫區枝晶明顯粗化，枝晶間析出相大量增多，析出相碳化物種類與持久試驗前一致，為灰白色NbC與灰黑色CrC（見圖8a）。在採用熱輸入6 kJ/cm時，高溫持久後焊縫組織骨架狀特徵不明顯（見圖8b）。
2.4 討論
作為典型的乙烯裂解爐管材料，25Cr35NiNb+微合金的Cr、Ni較高，焊接性較差。25Cr35NiNb+微合金爐管的焊縫組織為奧氏體垣沿骨架狀晶界析出的碳化物。焊接熱輸入為9~11 kJ/cm時，大量的析出相呈骨架狀偏聚在晶界上，在高溫持久過程中阻礙了位錯滑移[9-10]，從而提高了材料的持久性能；當熱輸入較小（6~8 kJ/cm）時，其骨架狀結構並不明顯，在高溫持久過程中，析出相對位錯滑移的釘扎作用有限，不利於材料的高溫持久性能；當熱輸入過大（12~16 kJ/cm）時，熔池存在時間越長，焊縫凝固時間就越長，促使合金元素的均勻擴散，導致形成析出物過少，不利於高溫性能的提高。
為了獲得優異的高溫持久性能，在6~16 kJ/cm範圍內選用了6種焊接熱輸入對25Cr35NiNb+微合金爐管進行焊接，並進行了電子金相觀察、室溫拉伸試驗及高溫持久試驗，研究了焊接熱輸入對25Cr35NiNb+微合金爐管焊接接頭性能的影響，得到以下結論：
（1）焊接熱輸入對爐管組織及高溫持久性能有明顯影響，當熱輸入在9~11 kJ/cm範圍內時，焊縫組織均勻，析出相呈骨架狀，高溫持久性能較佳。
（2）熱輸入為9~11 kJ/cm時，高溫持久時間較長，高溫持久性能較好。
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