1Cr5Mo珠光體耐熱鋼管的三種不同焊接工藝研究

趙 亮，李憲臣，劉海河

(1.遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001；2.中國石油撫順工程建設(shè)有限公司，遼寧 撫順113004)

1Cr5Mo珠光體耐熱鋼管的三種不同焊接工藝研究

趙 亮1，李憲臣1，劉海河2

(1.遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001；2.中國石油撫順工程建設(shè)有限公司，遼寧 撫順113004)

通過分析1Cr5Mo鋼的焊接性，介紹了當(dāng)前應(yīng)用于該鋼種的三種不同的焊接工藝方法。通過比較三種焊接工藝方法所獲得焊接接頭性能差異和特點(diǎn)，提出在具備焊后熱處理?xiàng)l件和大規(guī)模施焊情況下應(yīng)盡可能采用同質(zhì)材料進(jìn)行焊接，以避免接頭在運(yùn)行中出現(xiàn)早期失效，降低焊接成本。在不具備熱處理?xiàng)l件或現(xiàn)場(chǎng)維修量少的情況下，也可采用異質(zhì)材料進(jìn)行焊接。但是，為保證接頭在長期高溫運(yùn)行下不出現(xiàn)低韌性脆性斷裂，建議采用新型低鉻高錳型AR617焊條焊接1Cr5Mo，該焊條焊接工藝性能優(yōu)良，通過生產(chǎn)實(shí)踐和對(duì)服役44 000 h的接頭取樣觀察，使用性能穩(wěn)定，完全滿足生產(chǎn)要求，其焊接工藝條件相對(duì)簡單。

耐熱鋼焊接；1Cr5Mo；焊接工藝比較

0 前言

隨著我國石油化工工業(yè)的快速發(fā)展，大型化的石油加工與化工合成裝置在各石化企業(yè)得到了建設(shè)。大型化石化裝置的特點(diǎn)是大容量、高溫、高壓。為滿足這一發(fā)展趨勢(shì)，國內(nèi)冶金企業(yè)在引進(jìn)、消化、吸收創(chuàng)新的基礎(chǔ)上積極開發(fā)適用于高溫高壓的合金材料來滿足國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要。目前在石油化工裝置中的高溫工藝管線、焦化爐、常壓爐以及電力行業(yè)的電站鍋爐等大量使用如15Cr1Mo、12Cr1MoVG等低合金珠光體耐熱鋼。而對(duì)于像煉油廠的加氫、裂化、重整等設(shè)備中的臨氫管線、加熱爐爐管和再生器內(nèi)取熱盤管等以及超高壓鍋爐和臨界超高壓鍋爐的爐管一般都采用1Cr5Mo、9Cr1Mo等中合金耐熱鋼。在此以1Cr5Mo耐熱鋼管為例，討論三種不同情況下的焊接工藝過程。

1 1Cr5Mo耐熱鋼管介紹

1Cr5Mo耐熱鋼具有高溫強(qiáng)度和高溫抗氧化性能，在550℃以下具有一定的熱強(qiáng)性，在石油介質(zhì)中具有很好的耐熱性和耐蝕性。并且合金元素的含量少，價(jià)格便宜，工藝性能優(yōu)良，所以廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)中。在我國煉油廠加氫、裂化、重整等設(shè)備中，廣泛使用1Cr5Mo鋼制作臨氫管線、加熱爐爐管和再生器內(nèi)取熱盤管等。由于1Cr5Mo鋼工作在高溫、高壓、耐腐蝕強(qiáng)的條件下，焊接性較差，其焊接質(zhì)量是引起事故的根本原因。因此，在施焊過程采取合理的施焊工藝措施和焊接工藝參數(shù)尤為重要。

1.1 1Cr5Mo耐熱鋼的性能和焊接特點(diǎn)[1]

1Cr5Mo鋼為珠光體耐熱鋼，1Cr5Mo耐熱鋼管通常在退火狀態(tài)下供貨，管材金相組織為粒狀珠光體加少量鐵素體的組織，其化學(xué)成分和機(jī)械性能如表1、表2所示。Cr可提高鋼的抗高溫氧化和抗腐蝕性，能抗石油裂化中產(chǎn)生的腐蝕；Mo可提高鋼在高溫下的機(jī)械性能，也能降低鋼的回火脆性傾向。同時(shí)鉻鉬能顯著提高鋼的淬透性，作用要比鉻大50倍。因此，1Cr5Mo具有空氣淬火硬化傾向[2]。

表1 1Cr5Mo耐熱鋼管化學(xué)成分[2]%

表2 1Cr5Mo機(jī)械性能[2]

(1)冷裂紋傾向[1]。

冷裂紋產(chǎn)生于焊接后的冷卻過程中或冷卻以后，形成裂紋的溫度約在200℃～300℃，即馬氏體轉(zhuǎn)變范圍。1Cr5Mo鋼焊接時(shí)，焊縫金屬的冷裂紋敏感性較低，冷裂紋主要集中在熱影響區(qū)，其產(chǎn)生原因是焊后熱影響區(qū)產(chǎn)生的淬硬組織、擴(kuò)散氫和焊接殘余拉應(yīng)力的共同作用。

根據(jù)日本JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Ceq(JIS)計(jì)算得

因此，其碳當(dāng)量很高，接頭熱影響區(qū)域有很高的淬硬和冷裂傾向。在1℃／s冷卻速度下，可獲得0.1%鐵素體，99.9%馬氏體。因此，焊接時(shí)應(yīng)采取措施防止產(chǎn)生裂紋。在使用奧氏體不銹鋼焊條焊接時(shí)，常采取預(yù)熱。當(dāng)使用同成分的焊條(如R507)焊接時(shí)，除焊前需預(yù)熱外，焊后還應(yīng)進(jìn)行熱處理。

(2)熱裂紋敏感性。

熱裂紋是在臨界凝固階段，由于焊接應(yīng)力和焊縫及熔合區(qū)的低熔共晶物共同作用形成的裂紋。由表1可知，低熔共晶物的形成元素S、P含量很低，由熱裂紋敏感系數(shù)(HCS)可估算出1Cr5Mo鋼熱裂紋敏感性的大小

由文獻(xiàn)[1]可知，當(dāng)HCS＜4時(shí)可以防止裂紋。但是，在1Cr5Mo鋼的焊接過程中，當(dāng)剛性較大，收弧弧坑未能很好填滿時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)熱裂紋。

(3)再熱裂紋敏感性。

再熱裂紋是焊后接頭再次加熱到一定溫度范圍而產(chǎn)生的裂紋。由文獻(xiàn)[3]可知，再熱裂紋敏感性的經(jīng)驗(yàn)公式

若PSR≥0，則有可能產(chǎn)生再熱裂紋，1Cr5Mo鋼的PSR≥2.9，可見1Cr5Mo鋼具有一定的再熱裂紋敏感性。1Cr5Mo鋼產(chǎn)生再熱裂紋的主要原因是該鋼的合金元素是Cr、Mo等，Cr、Mo等元素形成的碳化物在一次焊接熱作用下因受熱而固溶(高于1 100℃)，焊后冷卻時(shí)不能充分析出，當(dāng)焊縫在再次熱處理過程中，合金碳化物在晶內(nèi)沉淀，從而大大強(qiáng)化晶粒內(nèi)部。這種強(qiáng)化妨礙了晶粒的整體變形，而使蠕變應(yīng)變集中于晶界，當(dāng)晶界的變形超過晶界在該種狀態(tài)下所具有的塑性時(shí)，就會(huì)沿晶界開裂，形成再熱裂紋。

1.2 1Cr5Mo耐熱鋼常用的焊接工藝比較

目前，1Cr5Mo耐熱鋼焊條電弧焊通常采用三種工藝措施：(1)不銹鋼焊條A307或A302(GBE1-23-13-15)。焊前不預(yù)熱，焊后不進(jìn)行熱處理[2]。(2)耐熱鋼焊條R507(GBE1-5MoV-15)。焊前預(yù)熱250℃～400℃，焊后進(jìn)行750℃～780℃的退火處理[2]。(3)采用新型低鉻高錳奧氏體焊接材料AR617。預(yù)熱溫度不低于250℃，層間溫度250℃～300℃。焊接工藝評(píng)定坡口形式和尺寸如圖1所示[3]。

試驗(yàn)條件及施焊工藝參數(shù)比較見表3。三種焊條的化學(xué)成分及機(jī)械性能如表4和表5所示。

表3 三種焊接措施參數(shù)[2-4]

圖1 焊接接頭

表4 三種焊條的化學(xué)成分[2-4]%

表5 三種焊條的機(jī)械性能[2-4]

2 機(jī)械性能比較試驗(yàn)

2.1 強(qiáng)度和塑性比較

由文獻(xiàn)[2-4]可知，三種工藝的焊接接頭強(qiáng)度和塑性試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 室溫拉伸彎曲試驗(yàn)結(jié)果[2-4]

2.2 沖擊韌性比較

三種工藝焊接接頭的不同位置的沖擊韌性值如表7所示，試樣均為標(biāo)準(zhǔn)V型缺口試樣。

2.3 金相試驗(yàn)

三種工藝焊接接頭組織成分如表8所示。

表7 焊接接頭不同溫度下的沖擊功AKV[2-4]J

表8 接頭各部分的金相組織

由表8可以看出：

(1)工藝1，即異種材質(zhì)焊接法。采用奧氏體不銹鋼焊接材料A302或A307焊接。在焊接過程中，由于1Cr5Mo母材含合金元素較低而使得焊縫金屬稀釋，焊縫中產(chǎn)生了脆性馬氏體組織，同時(shí)在熔合線邊緣因金屬成分的差異，在熔合線上產(chǎn)生一個(gè)窄的低塑性帶，接頭在長期高強(qiáng)運(yùn)行過程中，熔合區(qū)低塑性馬氏體組織導(dǎo)致焊縫失效。

(2)工藝2，即同材質(zhì)焊接法。采用化學(xué)成分與1Cr5Mo鋼母材金屬相近的R507焊條焊接，其焊接接頭具有與母材相同的組織和極為相近的化學(xué)成分，且無明顯的熔合線，可獲得與母材相近的力學(xué)性能，使用中無明顯合金元素?cái)U(kuò)散和碳遷移問題。

(3)工藝3，也屬于異種材質(zhì)焊接法。采用低鉻高錳奧氏體焊接材料AR617焊接。該焊條通過降低鉻含量、增加錳含量以獲得焊縫金屬的奧氏體組織。其含鉻量接近母材含鉻量，使其在熔合線附近不因成分差異產(chǎn)生鉻的擴(kuò)散，提高焊縫鎳含量阻止耐熱鋼側(cè)的碳向焊縫遷移[4]，造成耐熱鋼側(cè)貧碳產(chǎn)生。由合金元素對(duì)鐵碳相圖的影響而知，錳和鎳一樣具有增大奧氏體相的作用，因此利用高錳含量(12.4%)和鎳共同保證了焊縫金屬的奧氏體組織，以獲得良好的焊縫韌性。為了檢驗(yàn)這種合金系統(tǒng)在高溫下長期工作時(shí)，在熔合線邊緣是否會(huì)因合金成分(鉻、錳、鎳以及碳)差異出現(xiàn)低塑性馬氏體組織而導(dǎo)致焊縫失效，對(duì)焊接工藝評(píng)定后的接頭沿縱向切口制成試樣，在500℃，700℃進(jìn)行不同時(shí)間時(shí)效處理，并對(duì)時(shí)效前后接頭試樣的熔合區(qū)組織進(jìn)行金相分析，其分析結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 500℃時(shí)效處理時(shí)熔合區(qū)SEM組織(A為焊縫)

圖2為異質(zhì)接頭未時(shí)效以及在500℃時(shí)效50h， 200 h，700 h的SEM分析結(jié)果。由圖2可知，時(shí)效初期在焊接接頭熔合界面的焊縫金屬一側(cè)有一定增碳層(圖中箭頭所指白色帶狀區(qū)域)，在時(shí)效200 h以后增碳層寬度達(dá)到最大值，隨時(shí)效時(shí)間進(jìn)一步延長(700 h)，增碳層消失。

圖3為異質(zhì)接頭在700℃時(shí)效10 h，50 h，100 h的金相組織?？梢钥吹皆跁r(shí)效初期(10 h)，焊頭熔合區(qū)焊縫金屬一側(cè)有一定增碳層，但時(shí)效時(shí)間達(dá)到100 h后增碳層完全消失。

由組織分析可知：AR617焊條與1Cr5Mo鋼所焊接的異質(zhì)接頭在長期高溫服役和時(shí)效過程中，焊接接頭熔合界面兩側(cè)無明顯的增碳層和貧碳層，解決了以往Cr-Mo類鋼異質(zhì)接頭的提前失效問題。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)從拉伸試驗(yàn)結(jié)果可以看出，三種焊接工藝下的焊接接頭均斷在母材上，其強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率相差不大，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但有資料表明，焊接工藝1的接頭長期高溫服役后拉伸斷裂在熔合線上，延伸率幾乎為零。從彎曲試驗(yàn)結(jié)果可知，三種接頭的抗彎性能均能達(dá)到要求。

(2)從沖擊試驗(yàn)結(jié)果看，焊接工藝1的接頭各部位的沖擊功均低于新母材，熔合線沖擊試樣均沿焊縫金屬的一側(cè)斷裂，正好說明了這一點(diǎn)，焊接工藝2的接頭各部位的沖擊功均高于新母材。說明工藝2的接頭具有很高的沖擊韌性。焊接工藝3的接頭各部位的沖擊功與母材相近。

4 生產(chǎn)應(yīng)用

采用焊接工藝1施工比較簡單，焊前不預(yù)熱，焊后也無需熱處理，施工周期短，特別適合于現(xiàn)場(chǎng)施工和設(shè)備搶修，但不銹鋼焊條成本較高(A307成本是R507的三倍多)，并且消耗大量的稀有金屬。采用焊接工藝2施焊較復(fù)雜，焊接控制嚴(yán)格，而且需要一套復(fù)雜的熱處理工藝，這就增加了施工周期，增加了工時(shí)，適用于大項(xiàng)目的1Cr5Mo耐熱鋼的焊接，焊口數(shù)量較多，管徑越大，熱處理效率就越高，焊接材料節(jié)省的費(fèi)用就越可觀，而且為國家節(jié)約了大量的稀有金屬。焊接工藝3效果介于工藝1和2之間，相對(duì)工藝1而言，需要進(jìn)行預(yù)熱，可以采用火焰或電加熱帶預(yù)熱，省去了焊后熱處理，這給現(xiàn)場(chǎng)安裝或維修帶來了方便，同時(shí)解決了接頭在運(yùn)行過程出現(xiàn)提前失效的可能性。

圖3 700℃時(shí)效時(shí)熔合區(qū)金相組織(A為焊縫)

通過采用低鉻高錳奧氏體焊條AR617在煉化裝置1Cr5Mo管線、常壓爐以及焦化爐中的1Cr5Mo爐管的管線施焊共計(jì)1 770 m，444道焊縫，探傷2 664張X射線片子，其中2 631張片子合格，管道焊接一次合格率達(dá)98.76%，且對(duì)服役44 000 h的接頭進(jìn)行取樣觀察，結(jié)果良好。說明在役的管線高溫工作狀態(tài)良好，使用性能穩(wěn)定。

5 結(jié)論

(1)在室溫，三種焊接工藝焊接接頭的強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率相差不大，彎曲均無裂紋。

(2)焊接工藝1的接頭各部位的沖擊功均低于新母材；焊接工藝2的接頭各部位的沖擊功均高于新母材，且隨著試驗(yàn)溫度的提高，沖擊功更高，且高于母材，說明焊接工藝2的接頭具有很高的沖擊韌性；焊接工藝3的沖擊韌性與母材相近，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)在有現(xiàn)場(chǎng)熱處理和大規(guī)模的施工中盡可能采用焊接工藝2和3，從保證接頭長期使用看，建議采用焊接工藝3。在無現(xiàn)場(chǎng)熱處理?xiàng)l件，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的搶修及無法熱處理的部位采用焊接工藝1。

(4)通過AR617焊條焊接1Cr5Mo鋼管表明，采用焊接工藝3在焊接性能和焊接工藝等方面具有很多優(yōu)點(diǎn)，接頭力學(xué)性能均滿足要求，焊接合格率遠(yuǎn)高于同材質(zhì)焊接。同時(shí)，焊工普遍反映焊接時(shí)操作手感好，焊條引弧容易，焊弧穩(wěn)定，飛濺小，脫渣性能良好，煙塵小，焊縫成形好，焊后無需熱處理，焊接可操作性和焊縫成形明顯優(yōu)于A307焊條。

(5)用AR617焊條焊接后的在役1Cr5Mo鋼管目前工作狀態(tài)良好，使用性能穩(wěn)定。

[1]李 波.Cr5Mo鋼管的焊接[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2001(12)：77-79.

[2]楊 莉.Cr5Mo耐熱鋼兩種焊接工藝的評(píng)價(jià)[J].鄭州紡織工學(xué)院學(xué)報(bào)，2000(6)：54-56.

[3]張克志，李厚興，劉麗月.奧氏體焊條AR617在1Cr5Mo鋼管焊接中的應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備，2006(1)：76-78.

[4]姜 勇，鎳基和奧氏體的Cr5Mo異種鋼焊接接頭的高溫性能研究[D].江蘇：南京工業(yè)大學(xué)，2003.

Research in three different welding technology of 1Cr5Mo pearlitic heat-resistant steel pipe

ZHAO Liang1，LI Xian-chen1，LIU Hai-he2
(1.Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，China；2.Fushun Project Construction Corporation of China National Petroleum Corporation，F(xiàn)ushun 113004，China)

Describes the three different welding technologies of applied to the steel currently by analyzing the weldability of Cr5Mo steel.It can be proposed that welding with the same materials as much as possible in order to avoid joints early failure in the operation and reduce welding cost when it has the availability of post weld heat treatment conditions and case of large-scale welding by comparing the performance differences of welded joints obtained and the implementation features with the three welding technology.If in the absence of heat treatment conditions or less maintenance in the field，it is also can be welded with differernt materials.However，we recommend using the new low-Cr high manganese AR617 weld rod to weld Cr5Mo so as to ensure that it will not low ductile fracture in the joints，the weld rod has excellent welding technology.Through joints sampling observation in the production practices and 44 000 hours service，performance is stable，fully meet the production requirements，the welding technology conditions is relatively simple.

heat-resistant steel welding；1Cr5Mo；process comparison

TG457.11

A

1001-2303(2011)07-0058-05

2010-12-20；

2011-06-15

趙 亮(1964—)，男，河南清豐人，工程師，學(xué)士，主要從事焊接工藝的研究與教學(xué)工作。