臺灣博碩士論文加值系統

HP合金具有良好的銲接性與抗腐蝕性，抵抗高溫氧化與高溫滲碳能力也相當優異，特殊設計的合金配方使HP合金更適用於抵抗高溫潛變。石化廠因製程需求常在高溫800℃~1000℃的環境下操作設備，因此選用HP合金做為爐管材料。即便有優異的抗潛變能力，HP合金在經過長時間高溫使用後仍然可能會因潛變而破損，且高溫使用造成的二次相析出物將導致銲接性下降，使得破損後的維修銲補困難，銲補失敗率相當高，損壞爐管的反覆鏟修過程導致產線停擺時間大增，進而造成了可觀的經濟損失。
延性猝失裂紋以及熱影響區熔析裂紋往往是造成高溫劣化材料銲補裂紋的主因，因此本研究針對HP合金的裂紋敏感性進行實驗，在可銲性試驗中利用液滲檢測、光學顯微鏡以及SEM/EDS觀察裂紋破斷位置。實驗結果顯示HP合金二次相析出物確實影響了材料的銲接性，晶界的NbC析出則易造成熱影響區部分熔化現象，延性猝失裂紋則傾向於沿著粗大析出物與晶體交界處成長，進而造成材料在銲補過程中容易因為熱輸入過度受熱而破裂。
本研究針對延性猝失裂紋與熱影響區熔析裂紋提出適合的銲補維修方法，為了避開延性猝失裂紋的敏感溫度範圍，銲接實驗中使用敷銲層來做為緩衝，敷銲可使母材與銲接時的打底銲道隔開一段距離，母材就不再受電弧直接加溫，隨著敷銲層增厚母材在銲接時所經歷的峰值溫度也越低。透過熱電偶進行溫度量測的方式，決定出適當的敷銲層厚度。此外，過高的敷銲電流也容易造成熱影響區熔析裂紋發生，因此第一層敷銲層必須盡可能降低熱輸入，以GTAW點銲並充分散熱可使熔析裂紋不易發生。

Nickel-based HP alloys have good weldability and outstanding resistance in corrosion, oxidation and carburization. HP alloys have been widely used in petrochemical industry for facility operated between 800℃ to 1000℃ due to their specially designed compositions and excellent creep resistance. However, prolonged exposure at elevated temperatures may result in creep damage of these alloys. Formation of secondary precipitates may significantly reduce the weldability due to the occurrence of ductility-dip cracking (DDC). Consequently, difficulties in repair welding of aged HP alloys may lead to longer down time of the petrochemical plants and the higher cost.
The ductility-dip cracking and heat affected zone liquation cracking are the major failure causes of repair welding of elevated temperature aged HP alloys. In this study, cracking susceptibility of aged HP alloys during welding was investigated. Gas tungsten arc welding (GTAW) was conducted in the feasibility study and the quality of the welds were evaluated by using liquid penetrant testing (PT), optical microscopy and SEM/EDS. It was shown that the formation of secondary precipitates and liquated NbC significantly reduced the weldability of the aged HP alloys. It was observed that the DDC propagated along the coarse precipitates in the grain boundaries and the HAZ liquation cracking occurred intergranularly during repair welding.
In order to develop a suitable procedure for repair welding of damaged HP furnace pipes, 1 to 4 intermittent buttering layers were GTA welded onto the groove face of the single-V joints prior to welding of the root pass to prevent the HAZ from experiencing DDC susceptible temperature range. More buttering layers resulted in lower peak temperatures experienced in the HAZ. The heat input of the first buttering layer was kept minimum in order to reduce the possibility of the HAZ liquation cracking.

目錄
指導教授推薦書
口試委員會審定書
誌謝 iii
摘要 iv
Abstract v
目錄 vii
表目錄 x
圖目錄 xii
第一章 緒論 1
1.1研究背景 1
1.2耐高溫合金分類與HP合金性質簡介 1
1.3潛變 6
1.4熔析裂紋 7
1.5延性猝失裂紋 8
1.6文獻回顧 10
1.7研究目的 12
第二章 研究方法 13
2.1實驗流程 13
2.2 25-35Nb銲補可行性研究實驗方法 15
2.2.1 25-35Nb銲補可行性研究實驗材料 15
2.2.2 GTAW銲接方法 16
2.2.3 25-35Nb銲補可行性實驗 18
2.2.4 25-35Nb銲補實驗參數 19
2.2.5液滲檢測 20
2.3 20-32Nb銲補可行性研究實驗方法 21
2.3.1 20-32Nb銲補可行性研究實驗材料 21
2.3.2 20-32Nb銲補可行性實驗 22
2.3.3 20-32Nb敷銲層製作與實驗方法 23
2.3.4 20-32Nb敷銲層製作與銲接實驗參數 25
2.3.5 20-32Nb敷銲層製作流程改良 27
2.3.6溫度量測 28
2.3.7 20-32Nb珠擊實驗參數 29
2.4銲補流程研究實驗方法 32
2.4.1銲補流程研究實驗材料 32
2.4.2敷銲前置準備 35
2.4.3銲補流程研究敷銲實驗銲接參數 38
2.4.4銲補流程研究銲接實驗參數 42
2.5金相試片試片觀察與硬度分析 44
2.5.1金相鑲埋試片製作 44
2.5.2微硬度試驗 45
2.5.3掃描式電子顯微鏡 46
第三章 結果與討論 47
3.1 25-35Nb銲補可行性研究 47
3.1.1 25-35Nb母材性質 47
3.1.2 25-35Nb 自熔銲可銲性實驗 58
3.1.3 25-35Nb銲接實驗 65
3.1.4 20-35Nb銲補可行性研究實驗結果討論 71
3.2 20-32Nb銲補可行性研究 72
3.2.1 20-32Nb母材性質 72
3.2.2 20-32Nb自熔銲可銲性實驗結果 78
3.2.3 20-32Nb敷銲實驗 82
3.2.4 20-32Nb銲接實驗 87
3.2.5 20-32Nb壓制外表面裂紋實驗 97
3.2.6 20-32Nb銲補可行性研究結果討論 105
3.3銲補流程研究 107
3.3.1 35-45Nb母材性質 107
3.3.2 35-45Nb 自熔銲可銲性實驗結果 110
3.3.3新鑄件25-35Nb自熔銲實驗結果 113
3.3.4 35-45Nb敷銲實驗 116
3.3.5 35-45Nb銲補實驗 118
3.3.6 35-45Nb珠擊後壓制熱影響區裂紋實驗 126
3.3.7 25-35Nb細管自熔銲實驗結果 129
3.3.8 25-35Nb細管銲補實驗 137
3.3.9銲補流程研究實驗結果討論 146
第四章 結論 148
參考文獻 151
附錄 153

 
表目錄
表1-1耐高溫合金分類[1] 2
表1-2 HP合金物理性質[2] 2
表2-1 25-35Nb銲補可行性研究實驗材料成分 15
表2-2基本銲接參數表 16
表2-3銲線成分 17
表2-4 25-35Nb自熔銲銲接參數 18
表2-5 25-35Nb銲接實驗參數 19
表2-6 20-32Nb銲補可行性研究實驗材料成分 21
表2-8 20-32Nb敷銲實驗參數 23
表2-9 20-32Nb敷銲層銲接參數 24
表2-10 20-32Nb銲接實驗參數 25
表2-11 20-32Nb管壁增厚銲接參數 26
表2-12 20-32Nb敷銲層製作改良參數 27
表2-13 20-32Nb噴砂參數表 29
表2-14 20-32Nb鎚擊參數表 29
表2-15銲補流程研究實驗材料成分 32
表2-16 35-45Nb及25-35Nb細管減壓槽尺寸參數表 36
表2-17 35-45Nb敷銲層銲接參數 39
表2-18 25-35Nb細管敷銲層銲接參數 40
表2-19 35-45Nb銲接實驗參數 42
表2-20 25-35Nb細管銲接實驗參數 43
表2-21 腐蝕液成分與電解參數 44
表3-1 20-32Nb熔析裂紋成分EDS區域分析結果 84
表3-2 20-32Nb熔析裂紋成分EDS單點分析結果 85
表3-3 殘留應力量測結果 98
表3-4 35-45Nb破斷面EDS成份分析結果 125
表3-5不同珠擊方法造成的殘留應力值 126
表3-6 25-35Nb細管破斷面EDS成份分析 142

 
圖目錄
圖1-1新鑄件之金相組織[3] 4
圖1-2材料老化後金相組織[3] 4
圖1-3固溶熱處理於1250ºC持溫一小時之金相組織[3] 4
圖1-4 HP合金二次相析出過程[5] 5
圖1-5金屬材料潛變曲線[6] 6
圖1-6熔析裂紋機制[7] 7
圖1-7降溫過程延展性變化[8] 9
圖1-8 FM52延性猝失裂紋始於三晶交界[8] 9
圖1-9 FM52晶界滑移[8] 9
圖1-10 Hot ductility curve: (a)已劣化HP45Nb (b)已劣化HP50Nb (c)已劣化20-32Nb (d)經固溶熱處理20-32Nb[4] 10
圖1-11 HP合金與20-32Nb裂紋特性比較[4] 11
圖2-1實驗流程 14
圖2-2 25-35Nb材料外觀 15
圖2-3 GTAW製程示意圖 17
圖2-4 AFT-400交直流氬銲機 17
圖2-5色比式液滲檢測流程示意圖 20
圖2-6液滲檢測藥劑: (a)滲透液、(b)顯影劑、(c)清潔液 20
圖2-7劣化20-32Nb管件外觀 21
圖2-8 20-32Nb敷銲層開槽示意圖 24
圖2-9 20-32Nb銲接實驗示意圖 26
圖2-10 20-32Nb管壁增厚示意圖 26
圖2-11 20-32Nb敷銲層開槽改良示意圖 28
圖2-12 FCS DAQ資料擷取卡 28
圖2-13氣壓式噴砂機TSA-109 30
圖2-14氣動鎚與鎚頭 30
圖2-15珠擊試片示意圖 31
圖2-16 μX360設備外觀 31
圖2-17劣化35-45Nb外觀 32
圖2-18新鑄件25-35Nb外觀 33
圖2-19劣化25-35Nb細管外觀 33
圖2-20新鑄件25-35Nb細管外觀 34
圖2-21新鑄件25-35Nb細管內表面原始銲道 34
圖2-22 35-45Nb噴砂後表面形貌 35
圖2-23 35-45Nb針束鎚擊後表面形貌 35
圖2-24 35-45Nb錐鎚珠擊後表面形貌 36
圖2-25 35-45Nb及25-35Nb細管減壓槽尺寸示意圖 37
圖2-26 35-45Nb減壓槽外觀 37
圖2-27 35-45Nb共有四個減壓槽 37
圖2-28 25-35Nb減壓槽外觀 38
圖2-29 35-45Nb減壓槽敷銲層 40
圖2-30 35-45Nb端面敷銲層疊高 41
圖2-31 35-45Nb減壓槽回填完成 41
圖2-32 35-45Nb銲接實驗階段示意圖 42
圖2-33 25-35Nb細管銲道橫截面示意圖 43
圖2-34光學顯微鏡Olympus BH-2 45
圖2-35維克氏微壓痕硬度儀HVS-1000 45
圖2-36 Hitachi S-3000N掃描式電子顯微鏡 46
圖3-1 25-35Nb裂紋鑲樣取樣位置 48
圖3-2 25-35Nb原始裂紋鑲樣 48
圖3-3 25-35Nb外表面顯微組織 49
圖3-4 25-35Nb母材老化顯微組織與析出物分類 49
圖3-5 25-35Nb內表面顯微組織 50
圖3-6 25-35Nb潛變裂紋生成 50
圖3-7 25-35Nb原始裂紋SEM觀察位置 51
圖3-8 SEM觀察25-35Nb原始裂紋破斷面發現空孔 51
圖3-9 SEM觀察25-35Nb原始裂紋破斷面發現空孔串聯跡象 52
圖3-10 25-35Nb原始銲道 53
圖3-11 25-35Nb原始銲道析出物分佈 53
圖3-12 25-35Nb銲道潛變裂紋 54
圖3-13 25-35Nb外表面鑲樣 55
圖3-14 析出物缺乏區裂紋內夾雜氧化物 56
圖3-15 25-35Nb內表面鑲樣 56
圖3-16 25-35Nb內表面潛變空孔 56
圖3-17 25-35Nb內表面裂紋夾雜氧化物 57
圖3-18 25-35Nb自熔銲鑲樣(a)50A (b)100A (c)150A 59
圖3-19 25-35Nb自熔銲100 A銲道顯微組織 59
圖3-20 25-35Nb自熔銲銲道熔融線 60
圖3-21 25-35Nb自熔銲50 A銲道外表面裂紋 60
圖3-22 25-35Nb自熔銲100 A銲道外表面裂紋 61
圖3-23 25-35Nb自熔銲150 A銲道外表面裂紋 61
圖3-24 25-35Nb自熔銲200 A與250 A銲道PT結果 62
圖3-25 25-35Nb自熔銲試片鑲樣(a)200 A (b)250 A 62
圖3-26 25-35Nb自熔銲200 A銲道外表面裂紋 63
圖3-27 25-35Nb自熔銲200 A銲道顯微組織 63
圖3-28 25-35Nb自熔銲250 A銲道外表面裂紋 64
圖3-29 25-35Nb自熔銲250 A銲道顯微組織 64
圖3-30 25-35Nb銲接後PT結果 65
圖3-31 25-35Nb銲接後裂紋外觀 65
圖3-32 25-35Nb銲接結果鑲樣 66
圖3-33 25-35Nb母材與敷銲層交界 66
圖3-34 25-35Nb敷銲層與銲補銲道交界 67
圖3-35 25-35Nb銲道中央顯微組織 67
圖3-36 25-35Nb銲接實驗裂紋全貌 68
圖3-37 25-35Nb裂紋沿著晶粒與析出物的交界成長 68
圖3-38 25-35Nb銲接結果鑲樣試片硬度趨勢 69
圖3-39 25-35Nb破斷面取樣 70
圖3-40 SEM觀察25-35Nb延性猝失裂紋破斷面(放大250倍) 70
圖3-41 SEM觀察25-35Nb延性猝失裂紋破斷面(放大1000倍) 70
圖3-42 20-32Nb母材鑲樣 72
圖3-43 20-32Nb母材外表面裂紋沿著晶界成長 73
圖3-44 20-32Nb母材顯微組織呈現初期劣化 73
圖3-45 20-32Nb內表面顯微組織 74
圖3-46 20-32Nb原始銲道鑲樣 75
圖3-47 扭曲的老化枝狀晶組織 75
圖3-48 銲道析出物呈現細小顆粒狀 76
圖3-49 20-32Nb表面鑲樣(a)內表面(b)外表面 76
圖3-50 外表面裂紋與晶粒內析出物 77
圖3-51 內表面顯微組織 77
圖3-52 20-32Nb自熔銲試片鑲樣(a)50 A (b)100 A (c)150 A 78
圖3-53 20-32Nb自熔銲100 A銲道顯微組織 79
圖3-54 20-32Nb自熔銲50 A銲道外表面裂紋 79
圖3-55 20-32Nb自熔銲100 A銲道熱影響區熔析裂紋 80
圖3-56 20-32Nb自熔銲100 A銲道熱影響區熔析裂紋 80
圖3-57 20-32Nb自熔銲100 A銲道熱影響區熔析裂紋 81
圖3-58 20-32Nb自熔銲100 A銲道熱影響區熔析裂紋 81
圖3-59 20-32Nb敷銲實驗80 A試片外觀 82
圖3-60 20-32Nb敷銲實驗80 A試片熔析裂紋外觀 82
圖3-61 20-32Nb敷銲實驗80 A試片裂紋生長至銲道內 83
圖3-62 SEM觀察20-32Nb熔析裂紋破斷面(放大100倍) 83
圖3-63 SEM觀察20-32Nb熔析裂紋破斷面(放大2000倍) 84
圖3-64 20-32Nb熔析裂紋成分EDS範圍分析 84
圖3-65 20-32Nb熔析裂紋成分EDS單點分析 85
圖3-66 20-32Nb 50 A點銲後80A敷銲 85
圖3-67銲道顯微組織 86
圖3-68銲道未發現熔析裂紋 86
圖3-69 20-32Nb銲接實驗鑲樣試片取樣位置 87
圖3-70 20-32Nb銲接實驗結果鑲樣 87
圖3-71 20-32Nb銲接實驗母材與敷銲層交界 88
圖3-72 20-32Nb銲接實驗母材與敷銲層交界部分熔化區 89
圖3-73 20-32Nb銲接實驗敷銲層與銲補銲道交界 89
圖3-74 20-32Nb銲接實驗銲補銲道顯微組織 90
圖3-75 20-32Nb銲接實驗試片硬度趨勢 90
圖3-76 20-32Nb銲接實驗熱電偶量測位置 91
圖3-77 峰值溫度曲線 91
圖3-78 20-32Nb銲道上方PT檢出細紋 92
圖3-79 20-32Nb熱影響區細紋鑲樣試片外觀 92
圖3-80 20-32Nb表面裂紋分布範圍 93
圖3-81 20-32Nb熔融線處表面裂紋 93
圖3-82 表面裂紋破斷面 94
圖3-83 20-32Nb外表面裂紋破斷面 94
圖3-84 20-32Nb外表面裂紋破斷面 95
圖3-85 20-32Nb管壁增厚敷銲結果鑲樣 96
圖3-86 20-32Nb敷銲層改良後鑲樣 96
圖3-88 20-32Nb珠擊前研磨至無磁性 97
圖3-89 20-32Nb珠擊前研磨至PT無檢出 98
圖3-90 20-32Nb珠擊後敷銲鑲樣(a)未研磨(b)研磨至無磁性(c)研磨至PT無檢出 99
圖3-91 20-32Nb未研磨珠擊後之熱影響區 100
圖3-92 20-32Nb未研磨珠擊後熱影響區再結晶 100
圖3-93 20-32Nb研磨至無磁性珠擊後熱影響區 100
圖3-94 20-32Nb研磨至無磁性珠擊後再結晶 101
圖3-95 20-32Nb研磨至PT無檢出外表面裂紋已獲得改善 101
圖3-96 20-32Nb研磨至PT無檢出試片珠擊後熱影響區 102
圖3-97 20-32Nb研磨至PT無檢出發現熔析裂紋 102
圖3-98殘留應力量測取樣點與量測方向示意圖 103
圖3-99 20-32Nb珠擊前未研磨殘留應力趨勢 104
圖3-100 20-32Nb珠擊前研磨至無磁性殘留應力趨勢 104
圖3-101 20-32Nb珠擊前研磨至PT無檢出殘留應力趨勢 105
圖3-102 35-45Nb母材鑲樣 107
圖3-103 35-45Nb外表面裂紋 108
圖3-104 35-45Nb近外表面位置顯微組織 108
圖3-105 35-45Nb近內表面位置顯微組織 109
圖3-106 35-45Nb內表面裂紋 109
圖3-107 35-45Nb自熔銲試驗銲道外觀 110
圖3-108 35-45Nb自熔銲熔融線位置裂紋 110
圖3-109 35-45Nb自熔銲熔融線位置裂紋由母材開裂至銲道 111
圖3-110 35-45Nb自熔銲氧化層熔融組織 111
圖3-111 35-45Nb自熔銲後外表面裂紋內氧化物熔融後形成銲渣 112
圖3-112 新鑄件25-35Nb自熔銲試片鑲樣(a)50 A (b)100 A (c)150A 113
圖3-113 新鑄件25-35Nb銲道顯微組織 113
圖3-114 新鑄件25-35Nb母材顯微組織 114
圖3-115 新鑄件25-35Nb晶界析出物呈片段狀 114
圖3-116 新鑄件25-35Nb外表面顯微組織 115
圖3-117 新鑄件25-35Nb內表面車削痕跡 115
圖3-118 35-45Nb敷銲起頭位置裂紋 116
圖3-119 35-45Nb敷銲收尾位置裂紋 116
圖3-120 35-45Nb改變收尾位置後銲道兩端無裂紋 117
圖3-121 35-45Nb與新鑄件25-35Nb點銲完成 118
圖3-122 35-45Nb銲補實驗銲接至第四道銲道 119
圖3-123 35-45Nb銲補實驗截至第四道銲道鑲樣 119
圖3-124 35-45Nb銲補實驗敷銲層包覆於外表面氧化層 120
圖3-125 35-45Nb銲補實驗敷銲層與氧化層之間熔合不良 120
圖3-126 35-45Nb銲補實驗部分熔化區無熔析裂紋 121
圖3-127 35-45Nb銲補實驗內表面裂紋向內開裂 121
圖3-128 35-45Nb銲補實驗裂紋延著晶界析出物成長 122
圖3-129 35-45Nb銲補實驗銲道與新鑄件25-35Nb交界發現熔合不良 122
圖3-130 35-45Nb銲補實驗裂紋沿著母材與敷銲層交界成長 123
圖3-131 35-45Nb銲補實驗破斷面外觀 123
圖3-132 35-45Nb破斷面SEM影像(放大250倍) 124
圖3-133 35-45Nb破斷面SEM影像(放大1000x倍) 124
圖3-134 35-45Nb破斷面EDS成分分析位置 125
圖3-135 35-45Nb噴砂珠擊後敷銲無裂紋 127
圖3-136 35-45Nb針束鎚擊後敷銲無裂紋 127
圖3-137 35-45Nb錐鎚珠擊後敷銲無裂紋 128
圖3-138 25-35Nb細管外表面未研磨自熔銲試驗銲道鑲樣 129
圖3-139 25-35Nb細管外表面裂紋 130
圖3-140 25-35Nb細管近外表面位置顯微組織 130
圖3-141 25-35Nb細管近內表面位置顯微組織 131
圖3-142 25-35Nb細管內表面裂紋及潛變空孔 131
圖3-143 25-35Nb細管自熔銲50 A銲道氣孔 132
圖3-144 25-35Nb細管自熔銲100 A銲道氣孔 132
圖3-145 25-35Nb細管自熔銲150 A銲道氣孔 133
圖3-146 25-35Nb細管自熔銲150 A銲道熔融線位置裂紋 133
圖3-147 25-35Nb細管外表面研磨後自熔銲試片 134
圖3-148 25-35Nb細管外表面研磨後已移除裂紋 134
圖3-149 25-35Nb細管50 A銲道氣孔 135
圖3-150 25-35Nb細管外表面研磨後自熔銲100 A銲道氣孔 135
圖3-151 25-35Nb細管外表面研磨後自熔銲150 A熔融線位置裂紋 136
圖3-152 25-35Nb細管外表面研磨後自熔銲裂紋沿著晶界析出物成長 136
圖3-153 25-35Nb細管敷銲層外觀 137
圖3-154 25-35Nb細管與新鑄件25-35Nb細管對接完成 137
圖3-155 25-35Nb細管銲補實驗試片鑲樣外觀 138
圖3-156 25-35Nb細管銲補實驗外表面缺陷 138
圖3-157 25-35Nb細管銲補實驗內表面潛變空孔 139
圖3-158 25-35Nb細管銲補實驗熱影響區發現裂紋與氣孔 139
圖3-159 25-35Nb細管銲補實驗銲道內發現熔合不良 140
圖3-160 25-35Nb細管銲補實驗部分熔化區未發現熔析裂紋 140
圖3-161 25-35Nb細管銲補實驗破斷面取樣位置外觀 141
圖3-162 25-35Nb細管SEM破斷面觀察(放大250倍) 141
圖3-163 25-35Nb細管SEM破斷面觀察(放大1000倍) 142
圖3-164 25-35Nb細管銲補實驗鑽石切割試片外觀 143
圖3-165 25-35Nb細管銲補實驗重新取樣熱影響區未觀察到裂紋 143
圖3-166 25-35Nb細管銲補實驗重新取樣部分熔化區無熔析裂紋 144
圖3-167 25-35Nb細管銲補實驗重新取樣內表面裂紋沒有開裂 144
圖3-168 25-35Nb細管銲補實驗重新取樣熔合不良處發現裂紋 145
圖3-169 25-35Nb細管銲補實驗重新取樣銲道裂紋往內成長 145

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