原油加熱爐內碳鋼與5Cr-0.5Mo低合金鋼爐管銲接性｜國立臺灣科技大學博碩士論文系統

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研究生：	陳淑雲 Shu-yun Chen
論文名稱：	原油加熱爐內碳鋼與5Cr-0.5Mo低合金鋼爐管銲接性 The Weldability of Carbon Steel and 5Cr-0.5Mo Low Alloy Steel Tubes for Crude Oil Furnace
指導教授：	蔡顯榮 Hsien-jung Tsai
口試委員:	翁榮洲 Jung-chou Weng 周賢鎧 Hsien-kai Chou
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工程學院 - 材料科學與工程系 Department of Materials Science and Engineering
論文出版年：	2005
畢業學年度：	93
語文別：	中文
論文頁數：	107
中文關鍵詞：	碳鋼、銲接性、肥粒鐵、原油加熱爐、波來鐵、潛變、熱影響區、變靭鐵
外文關鍵詞：	5Cr-0.5Mo, Tungsten inert gas, Heat-affected zone. Crude oil furnace
相關次數：	點閱：244 下載：2
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本研究主要是評估原油加熱爐輻射區碳鋼與5Cr-0.5 Mo低合金鋼爐管之銲接性，實驗使用TIG銲接方式進行碳鋼與5Cr-0.5Mo低合金鋼爐管對銲及碳鋼與碳鋼爐管對銲，置於煉油廠原油加熱爐輻射區中，爐壁溫度保持370-395℃之間試驗使用六年後取出，並與於室溫下存放六年之相同銲道相比，分析銲道的銲接性，研究其機械性質包括硬度、微硬度、拉伸試驗、金相試驗及SEM顯微觀察等，結果顯示：使用六年的銲道熱影響區有狹窄0.036mm寬白色肥粒鐵帶，但存放於室溫下六年之銲道並沒有白色肥粒鐵帶，且此熱影響區的抗拉強度426 MPa，比碳鋼母材的抗拉強度460 MPa及5Cr-0.5Mo母材590 MPa低，但仍高於API規範值400 MPa；不論試驗使用過的銲道或於室溫下存放六年之銲道，碳鋼與5Cr-0.5Mo低合金鋼爐管對銲或碳鋼與碳鋼對銲，兩者的銲道品質良好，且機械性質佳，銲道及母材也沒有裂縫等缺陷，碳鋼與5Cr-0.5Mo低合金鋼母材也沒有潛變行為。

The weldability of carbon steel and 5Cr-0.5Mo low alloy steel tubes for crude oil furnace was investigated in this study. After carbon steel and 5Cr-0.5Mo low alloy steel tubes were welded together with tungsten inert gas(TIG) welding, they were put in crude oil furnace radiation section as tubes which temperature were controlled between 370 ℃ and 395℃ for 6 years. In addition, the comparison analysis between weldability putting in service and that of not putting in service only in workshop under ambient atmosphere for 6 years was done. The items for analysis are mechanical properties including hardness, micro-hardness, tensile strength, microstructure and SEM micrograph and etc. As a result, a narrow ferrite band, 0.036 mm in heat affected zone was found for the weldment in service, but the weldment not in service was not. Furthermore, the tensile strength, 426 MPa, of the HAZ is the lowest one compared to carbon steel’s tensile strength, 460 MPa and 5Cr-0.5Mo’s tensile strength, 590 MPa；however, it is bigger than the specification, 400 MPa, of API. No wonder the weldability in service or not, they have a great performance and wonderful mechanical properties. Also, there are no cracks, defect and creep in weldment and base material. Consequently, the result indicates carbon steel and 5Cr-0.5Mo low alloy steel tubes have great weldability in high temperature radiation section of crude oil furnace for 6 years.

目     錄

中文摘要………………………………………………………Ⅰ
英文摘要………………………………………………………Ⅱ
誌謝……………………………………………………………Ⅲ
目錄……………………………………………………………Ⅳ
圖索引……………………………………………………Ⅶ
表索引………………………………………………………ⅩII
附 錄……………………………………………………………………ⅩIV
第一章、前言……………………………………………………1
第二章、文獻回顧………………………………………………3
2.1 煉油工業加熱爐爐管系列…………………………………………3
2.1.1 煉油工業加熱爐…………………………………………………3
2.1.2 加熱爐構造………………………………………………………3
2.1.3 加熱爐爐管材質…………………………………………………4
2.1.4 爐管材質選用與管內油品組成及操作溫度之關係……………5
2.1.5 各種煉油製程加熱爐設計條件…………………………………7
2.1.6  加熱爐型式………………………………………………………8
2.2 原油加熱爐……………………………………………………………8
2.2.1 原油蒸餾工場……………………………………………………8
2.2.2 原油加熱爐主要結構……………………………………………10
2.2.3 原油加熱爐之操作………………………………………………12
2.2.4 原油物性…………………………………………………………13
2.3 氬銲銲接………………………………………………………14
2.3.1氬銲………………………………………………………………14
2.3.2氬銲銲接的特性…………………………………………………15
2.3.3銲接熱影響效應…………………………………………………15
2.4碳鋼與低合金鋼之銲接性……………………………………………16
2.4.1 銲接性 (Weldability)………………………………………16
2.4.2碳鋼之銲接性……………………………………………………17
2.4.3低合金鋼之銲接性……………………………………………18
2.4.4碳鋼與5Cr-0.5Mo低合金鋼兩不同金屬之銲接………………20
2.5 試片機械性……………………………………………………24
2.5.1 硬度(Hardness)…………………………………………24
2.5.2  微硬度…………………………………………………………25
2.5.3  拉伸試驗……………………………………………………27
2.5.4  金相試驗………………………………………………………28
2.5.5  SEM觀察─掃瞄式電子顯微鏡觀察………………………30
2.5.6  潛變分析……………………………………………………31
2.5.7  碳鋼與5Cr-0.5Mo 低合金鋼的組成……………………34
第三章 實驗目的與方法……………………………………………36
3.1 實驗目的……………………………………………36
3.2 實驗流程……………………………………………36
3.3 分光儀成份分析………………………………………39
3.4 拉伸試驗………………………………………………41
3.5 微硬度分析……………………………………………43
3.6金相測試顯微組織觀察………………………………45
3.7 掃瞄式電子顯微鏡觀察………………………………49
3.8 硬度分析………………………………………………51
第四章、實驗結果與討論……………………………………53
4.1銲道及爐管外觀……………………………………………53
4.2拉伸性質分析………………………………………………55
4.2.1碳鋼與5Cr-0.5Mo(P5)爐管對銲拉伸試驗分析………………55
4.2.2碳鋼與碳鋼爐管對銲拉伸試驗分析…………………………58
4.3硬度分析…………………………………………………60
4.4分光儀組成分析…………………………………………64
4.5金相分析…………………………………………………65
4.6微硬度分析…………………………………………79
4.7潛變分析……………………………………………81
4.7.1  加熱爐爐管應力分析………………………………………81
4.7.2  5Cr-0.5Mo爐管潛變分析………………………………82
4.7.3  碳鋼爐管潛變分析…………………………………………83
4.7.4  熱影響區潛變分析…………………………………………84
4.8碳鋼和5Cr-0.5Mo拉伸破斷面SEM顯微觀察………85
第五章、結論…………………………………………………93
第六章、未來研究方向………………………………………95
參考文獻………………………………………………………96
作者簡介……………………………………………………107


圖索引

圖2-1   Modified McConomy curves…………………………………6
圖2-2   加熱爐型式(立式直管)………………………………………8
圖2-3   原油蒸餾工場流程圖…………………………………………9
圖2-4   原油加熱爐進出口溫度…………………………………11
圖2-5    典型原油加熱爐………………………………………………11
圖2-6    原油加熱爐結構………………………………………………12
圖2-7   輻射區6”碳鋼管高溫硫化腐蝕………………………13
圖2-8    TIG(GTAW)整套設備………………………………………14
圖2-9    惰氣鎢極電弧銲之示意圖…………………………………15
圖2-10    銲接結構………………………………………………………16
圖2-11   銲道結構圖………………………………………………17
圖2-12    碳鋼的碳含量和機械性質的關係……………………………17
圖 2-13   5Cr-0.5Mo鋼板進行熔接各部分的顯微鏡照片………20
圖2-14    碳鋼與各種低合金鋼銲道加熱到500℃及600℃肥粒鐵寬度……………………………………………………………23
圖2-15    碳鋼與各種低合金鋼銲道加熱到700℃肥粒鐵寬度……23
圖2-16    Micro-Vickers硬度試驗機測定結果………………………26
圖 2-17   1.25Cr-0.5 Mo鋼與25Cr-20Ni銲接境界的硬度分佈…………………………………………………………26
圖2-18   低碳鋼之正常組織………………………………………29
圖 2-19    典型低碳鋼銲道顯微組織  ………………………………29
圖 2-20    高強度低合金鋼銲道顯微組織……………………………30
圖2-21     碳鋼A 106 Gr.B  Stress Curve-潛變曲線圖……………33
圖 2-22    A335 P5 (5Cr-0.5Mo)鋼  Stress Curve-潛變曲線圖……34
圖3-1    本實驗流程圖………………………………………………36
圖 3-2    輻射區爐管取出示意圖……………………………………37
圖 3-3    試片編號與裁切……………………………………………38
圖 3-4   分光儀分析原理…………………………………………39
圖3-5   分光儀……………………………………………………40
圖3-6    拉伸試片………………………………………………………42
圖3-7    萬能試驗機……………………………………………………42
圖3-8    維克氏硬度……………………………………………………44
圖3-9   光學顯微鏡…………………………………………………46
圖 3-10   金屬顯微鏡試片的研磨、腐蝕及觀察次序………………………47
圖3-11   精密切割機………………………………………………………………48
圖3-12   研磨、拋光機……………………………………………………………48
圖 3-13  熱鑲埋機………………………………………………………………48
圖3-14   金屬光學顯微鏡………………………………………………………48
圖3-15   掃瞄式電子顯微鏡……………………………………………………49
圖3-16   SEM 構造簡圖…………………………………………………………50
圖3-17   洛氏硬度計……………………………………………………………51
圖4-1    銲道及爐管外觀………………………………………………………54
圖4-2     P5–C.S.銲道抗拉、降伏強度及延伸率分析………………57
圖4-3    C.S.–C.S.銲道抗拉、降伏強度及延伸率分析……………59
圖4-4    5Cr-0.5Mo與C.S.對銲爐管外側銲道硬度分析……………61
圖4-5     5Cr-0.5Mo與碳鋼C.S.對銲爐管內側銲道硬度分析…………62
圖4-6    碳鋼與碳鋼對銲爐管外側銲道硬度分析……………………63
圖4-7    碳鋼與碳鋼對銲爐管內側銲道硬度分析……………………63
圖4-8      5Cr-0.5Mo與碳鋼對銲後肥粒鐵寬帶與時間及環境溫度之關係…67
圖4-9   C.S.+ 5Cr-0.5Mo(P5) Welding (火側端)…………68
圖4-10   C.S.+ 5Cr-0.5Mo(P5) Welding (背火側端)……………69
圖4-11   碳鋼與5Cr-0.5Mo(P5)對銲銲道(火側端)…………………70
圖4-12    5Cr-0.5Mo(P5) Base Material (火側端)…………………71
圖4-13    5Cr-0.5Mo(P5) Base Material (not in service)………72
圖4-14    C.S. Base Material (putting in service)………………73
圖4-15    C.S. Base Material (not in service)……………………74
圖 4-16    C.S. + 5Cr-0.5Mo(P5) Welding (not in service)………75
圖 4-17    C.S. + C.S.Welding with 5Cr-0.5Mo(P5)(火側端) ………76
圖4-18    C.S. + C.S.Welding with 5Cr-0.5Mo(P5) weldment (背對火側)………………………………………………………77
圖4-19   C.S. + C.S. Welding with P5 weldment (not in service)……………………………………………78
圖4-20     5Cr-0.5Mo與碳鋼銲接(5Cr-0.5Mo銲條)境界附近之微硬度變化值………………………………………………………79
圖4-21    碳鋼與碳鋼銲接(5Cr-0.5Mo銲條)境界附近之微硬度變化 值……………………………………………………………80
圖4-22    A335 P5 (5Cr-0.5Mo)鋼材－潛變曲線圖…………………82
圖4-23    A106 Gr.B (C.S.)鋼材－潛變曲線圖……………………84
圖4-24   碳鋼與5Cr-0.5Mo銲道拉伸破斷面SEM顯微結構觀察(1)………………………………………………86
圖4-25   碳鋼與5Cr-0.5Mo銲道拉伸破斷面SEM顯微結構觀察(2)…………………………………………………………87
圖4-26  碳鋼與5Cr-0.5Mo銲道拉伸破斷面SEM顯微結構觀察(3)…………………………………………………………88
圖4-27  碳鋼與5Cr-0.5Mo銲道拉伸破斷面SEM顯微結構觀察(4)…………………………………………………………89
圖4-28   5Cr-0.5Mo母材拉伸破斷面SEM顯微結構觀察(1)…………90
圖4-29   5Cr-0.5Mo母材拉伸破斷面SEM顯微結構觀察(2)…………91
圖4-30  碳鋼母材拉伸破斷面SEM顯微結構觀察…………………92














表索引

表2-1    各種耐熱鋼的使用溫度………………………………………………5
表2-2    典型加熱爐設計條件…………………………………………7
表2-3    碳鋼可銲性比較………………………………………………18
表2-4    適用於各種母材組合的熔接條………………………………19
表2-5    鋼和低合金鋼銲接相互間碳的移動………………………22
表 2-6   各種鋼材之洛氏硬度與抗拉強度比較表………………25
表2-7     合金的拉伸應力測試數據……………………………………27
表2-8    碳鋼及低合金鋼之抗拉強度及降伏強度…………………28
表2-9     100,000小時下之潛變抗力…………………………………32
表2-10    依據潛變及破裂下材質長期使用之建議溫度………………32
表 2-11   各種合金鋼的組成……………………………………………35
表 2-12    ASTM和 API鋼管之組成 ……………………………………35
表4-1     P5–C.S.銲接抗拉強度實驗結果…………………………56
表 4-2     C.S.–C.S.銲接(P5銲道)抗拉強度實驗結果…………58
表 4-3     加熱爐5Cr-0.5Mo爐管與存放於室溫下的5Cr-0.5Mo爐管組成分析………………………………………………………64
表4-4     加熱爐碳鋼爐管與存放於室溫下的碳鋼爐管組成分析……65
表4-5     爐管管壁應力計算結果……………………………………81
附錄

附錄一    原油加熱爐管碳鋼與5Cr-0.5Mo銲接位置………………102
附錄二    加熱爐輻射區碳鋼爐管密集測厚…………………………104

                                

參考文獻

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