2.25Cr-1Mo耐熱鋼焊接工藝試驗(yàn)及應(yīng)用

郭　龍,謝孔華,譚振宇（威?；C(jī)械有限公司,山東 威海 264203）

2.25Cr-1Mo耐熱鋼焊接工藝試驗(yàn)及應(yīng)用

郭龍,謝孔華,譚振宇
（威海化工機(jī)械有限公司,山東 威海 264203）

通過對(duì)石油煉化系統(tǒng)中的核心設(shè)備加氫反應(yīng)器用2.25Cr-1Mo耐熱鋼的焊接性分析，按選擇的焊材和工藝參數(shù)進(jìn)行了工藝評(píng)定試驗(yàn)，焊接接頭的力學(xué)性能，焊縫熔敷金屬的化學(xué)成分均滿足母材及技術(shù)條件要求，而根據(jù)合格的評(píng)定制定的焊接工藝成功完成了產(chǎn)品制造，對(duì)今后同類材料的焊接具有指導(dǎo)意義。

2.25Cr-1Mo耐熱鋼；加氫反應(yīng)器；焊接工藝；應(yīng)用

0　前言

加氫反應(yīng)器是整個(gè)石油煉化系統(tǒng)中的核心設(shè)備，也是壓力容器中的高端設(shè)備，操作介質(zhì)：氫氣、硫化氫、蠟油、汽油、柴油、輕烴等，設(shè)備在高溫、高壓、臨氫條件下運(yùn)行，使用工況惡劣。其材料2.25Cr-1Mo為耐熱鋼，材料焊接性較差，且設(shè)備壁厚較厚，冷裂紋傾向較大，需采用嚴(yán)格的工藝措施才能保證焊接接頭的質(zhì)量。

1　2.25Cr-1Mo鋼焊接性分析

1.1母材基本性能

2.25Cr-1Mo鋼采用電爐或氧氣轉(zhuǎn)爐加真空脫氣精煉工藝冶煉，為本質(zhì)細(xì)晶粒鎮(zhèn)靜鋼，供貨狀態(tài)為正火加回火（N+T），其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。其金相組織為：貝氏體，具有較好的力學(xué)性能和抗裂紋擴(kuò)展性。通過Cr、Mo、Mn元素的加入提高了鋼材的熱強(qiáng)性和抗氫性，同時(shí)也增強(qiáng)了鋼的抗高溫蠕變強(qiáng)度。鎳改善了鋼材的低溫沖擊韌性，通過模擬MIN.PWHT+階梯冷卻試驗(yàn)：VTr54+2.5△VTr54=-11.35℃，證明該鋼具有較高的抗回火脆化能力。

表1　2.25Cr-1Mo鋼板化學(xué)成分（%）

表2　2.25Cr-1Mo鋼板力學(xué)性能

1.2焊接性

根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(IIW)碳當(dāng)量計(jì)算公式可計(jì)算出2.25Cr-1Mo鋼的碳當(dāng)量：Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15=0.87%,說明2.25Cr-1Mo鋼具有較大的冷裂傾向。較高的Cr、Mo含量加劇了鋼的淬硬性，焊接過程中易產(chǎn)生淬硬的馬氏體組織，加之設(shè)備壁厚較厚，空氣濕度較大，使得冷裂紋傾向加大。因此該鋼在焊接時(shí)需要采取嚴(yán)格的焊前預(yù)熱和焊后消氫等工藝措施，以減少其產(chǎn)生冷裂紋的可能性。

2.25Cr-1Mo鋼中含有沉淀強(qiáng)化元素的Cr、Mo、Nb等，在熱處理過程中，由于晶內(nèi)析出這些碳、氮化物及沉淀相，從而晶內(nèi)強(qiáng)化，而經(jīng)熱處理應(yīng)力松弛所產(chǎn)生的變形就集中于晶界，當(dāng)晶界的塑性不足時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋（亦稱消除應(yīng)力熱處理裂紋）。為保證焊接接頭質(zhì)量，其焊接接頭通常在焊接完成24h后無損檢測(cè)合格的基礎(chǔ)上，熱處理后再進(jìn)行一次無損檢測(cè)，主要是進(jìn)行超聲波和磁粉檢測(cè)，以確定焊接接頭的質(zhì)量。

2　焊接材料

2.25Cr-1Mo鋼焊材選擇的基本原則是焊縫金屬的化學(xué)成分、力學(xué)性能與母材基本一致，為提高焊縫金屬的抗裂性能，應(yīng)控制焊接材料的含碳量略低于母材，保證焊縫金屬具有較高的沖擊韌性和與母材相當(dāng)?shù)娜渥儚?qiáng)度，同時(shí)為防止冷裂紋的產(chǎn)生應(yīng)選用堿性低氫型焊條和高堿度超低氫性焊劑，控制熔敷金屬中擴(kuò)散氫的含量。達(dá)到產(chǎn)品所要求的綜合性能。

加氫反應(yīng)器為高壓、厚壁設(shè)備，在制造過程中需經(jīng)中間熱處理及焊后整體熱處理，并結(jié)合本公司的焊接技術(shù)特點(diǎn)，選用了日本神鋼進(jìn)口焊材：焊絲US-521S，規(guī)格φ4mm，焊劑PF200；焊條CMA-106N，規(guī)格φ4mm/φ5mm。

3　焊接工藝評(píng)定

3.1焊前準(zhǔn)備

采用厚度為94mm的2.25Cr-1Mo鋼板進(jìn)行對(duì)接焊接工藝評(píng)定，根據(jù)NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》及相關(guān)技術(shù)條件要求擬定了預(yù)焊接工藝規(guī)程。坡口按圖1所示，坡口采用機(jī)械加工成型。

圖1

3.2主要工藝參數(shù)分別見表3

表3　埋弧焊主要工藝參數(shù)

3.3主要工藝措施

坡口及兩側(cè)20mm范圍內(nèi)清理修磨并100%MT檢測(cè)，按JB/ T4730-2005，I級(jí)合格。組對(duì)時(shí)留出反變形量，中間焊縫墊起15-20mm高。焊前坡口及兩側(cè)150mm范圍內(nèi)均勻預(yù)熱200℃～250℃；層間溫度不低于預(yù)熱溫度，且不得高于300℃，層間嚴(yán)格清渣。焊縫背面碳弧氣刨清根，修磨清理后100%MT（熱態(tài)）檢測(cè)，I級(jí)合格后方可焊接。焊后焊接接頭在不低于預(yù)熱溫度下消氫：350℃～400℃×4小時(shí)，保溫緩冷；消氫后焊縫打磨與母材齊平。焊接完成24h后進(jìn)行100%MT檢測(cè)，按JB/T4730-2005，I級(jí)合格；100%UT（B級(jí)），按JB/T4730-2005，I級(jí)合格；100%RT（AB級(jí)）檢測(cè)，按JB/T 4730-2005，不低于Ⅱ級(jí)合格。

3.4力學(xué)性能試驗(yàn)

評(píng)定試板分別進(jìn)行最大熱處理與最小熱處理。

MaxPWHT：690±10℃，保溫28小時(shí)，升降溫速度55℃～60℃/h。

MinPWHT：690±10℃，保溫6小時(shí)，升降溫速度55℃～60℃/h。

根據(jù)NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》及相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)、硬度檢測(cè)、焊縫熔敷金屬化學(xué)成分分析、回火脆化傾向評(píng)定試驗(yàn)。

3.5試驗(yàn)結(jié)果

（1）試樣按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，其拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表4，沖擊試樣結(jié)果見表5，彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表6，硬度試驗(yàn)結(jié)果見表7，化學(xué)成分分析結(jié)果見表8。

表4　拉伸實(shí)驗(yàn)

表5　沖擊試驗(yàn)結(jié)果

沖擊試驗(yàn)（最大熱處理）試樣編號(hào)纖維斷口百分?jǐn)?shù)01　10×10×55 　KV2　焊縫　-30　210　2.1　85 02　10×10×55 　KV2　焊 縫　-30　217　1.8　83 03　10×10×55 　KV2　焊縫　-30　198　1.8　81 04　10×10×55 　KV2試樣尺寸(mm)缺口類型缺口位置試驗(yàn)溫度(℃)沖擊功(J)側(cè)向膨脹值熱影響區(qū)　-30　247　2.8　98 05　10×10×55 　KV2熱影響區(qū)　-30　125　1.9　84 06　10×10×55 　KV2熱影響區(qū)　-30　246　2.7　99 07　10×10×55 　KV2　母 材　-30　271　2.8　100 08　10×10×55 　KV2　母 材　-30　263　2.8　100 09　10×10×55 　KV2　母材　-30　263　2.8　100

表6　彎曲試驗(yàn)

表7　硬度試驗(yàn)

表8　化學(xué)成分分析

（2）回火脆化傾向評(píng)定試驗(yàn)。此試驗(yàn)的目的是在比較短的時(shí)間內(nèi)加速2.25Cr-1Mo鋼的脆化，來測(cè)定此種鋼材的回火脆化敏感性。

試驗(yàn)是在最小熱處理試板上取2組試樣，每組8套試樣，其中一組進(jìn)行分步冷卻脆化處理（分步冷卻曲線見圖2），對(duì)步冷前和步冷后的兩組試樣（每組8套）各進(jìn)行-80℃、-60℃、-40℃、-30℃、-10℃、0℃、10℃和20℃的夏比（V形缺口）沖擊試驗(yàn)，其沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表9，根據(jù)沖擊試驗(yàn)結(jié)果繪制兩組試樣的沖擊功與試驗(yàn)溫度的關(guān)系曲線（見圖3）。

由沖擊功與試驗(yàn)溫度的關(guān)系曲線可得出當(dāng)AKV為54J時(shí)，對(duì)應(yīng)的沖擊試驗(yàn)溫度：步冷前為-57.5℃，步冷后為-39.04℃

則VTr54+2.5△VTr54=-11.35℃<10℃

式中VTr54為經(jīng)最小熱處理的沖擊功為54J時(shí)相應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度，△VTr54為經(jīng)最小熱處理加步冷試驗(yàn)后沖擊功為54J時(shí)相應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度增量。

由公式可以得出焊縫的回火脆性傾向較小。

圖2　分步冷卻脆化處理程序

表9　步冷前后的沖擊值

圖3　沖擊功與實(shí)驗(yàn)溫度的關(guān)系曲線

3.6評(píng)定結(jié)論

通過嚴(yán)格按照工藝參數(shù)和工藝措施進(jìn)行焊接與控制，其得到的焊接接頭的力學(xué)性能、化學(xué)成分等各項(xiàng)性能均與母材相匹配，均能滿足2.25Cr-1M鋼產(chǎn)品所要求的綜合性能。

4　2.25Cr-1Mo鋼產(chǎn)品焊接

我公司為石化公司制造的加氫反應(yīng)器，設(shè)備直徑Φ2400mm，總長(zhǎng)度29519mm，主體厚度114mm，總重量約214噸。

4.1焊接坡口的制備

筒體縱向A類焊接接頭單V形坡口，在預(yù)彎及卷制成型后采用切割機(jī)氣割；筒體間及筒體與封頭間環(huán)向B類焊接接頭單U形坡口在筒體、封頭成型后采用立式車床車出。坡口砂輪修磨，去除油污、鐵銹等雜物；

4.2焊接及質(zhì)控過程

焊前坡口表面進(jìn)行100%MT檢測(cè)，按JB/T4730-2005，I級(jí)合格后坡口及其兩側(cè)各不小于150mm范圍內(nèi)均勻預(yù)熱到200℃～250℃之間。

設(shè)備主體A類接頭采用焊接小車埋弧焊，B類接頭采用窄間隙埋弧焊，層間溫度控制在預(yù)熱溫度范圍內(nèi)。焊接時(shí)，采用評(píng)定合格的焊接材料和焊接工藝規(guī)范，采用多層多道焊，層間嚴(yán)格清渣，認(rèn)真檢查。焊劑焊前烘干350℃～400℃保溫2小時(shí)，隨用隨取，以防止其吸收空氣中的水分。焊接接頭一面焊后，背面碳弧氣刨清根，刨槽表面采用角向磨光機(jī)清除熱影響區(qū)和淬硬層，并進(jìn)行100%MT（熱態(tài)）檢測(cè)合格，然后在預(yù)熱溫度范圍內(nèi)再進(jìn)行背面的焊接。

在每條焊接接頭焊后立即進(jìn)行消氫處理，350℃～400℃保溫4小時(shí)，覆蓋保溫棉緩冷。

4.3無損檢測(cè)

焊接接頭經(jīng)外觀檢查不得有裂紋、未熔合、咬邊等焊接缺陷。焊接完成24小時(shí)后對(duì)焊接接頭進(jìn)行100%射線探傷檢查（檢測(cè)技術(shù)等級(jí)AB級(jí)），按JB/T4730-2005不低于II級(jí)合格；并進(jìn)行100%超聲波（檢測(cè)技術(shù)等級(jí)B級(jí)）檢測(cè)和100%磁粉檢測(cè)，按JB/T4730-2005均不低于I級(jí)合格。該臺(tái)加氫反應(yīng)器設(shè)備A、B類焊接接頭射線檢測(cè)一次合格率達(dá)99.7%，其它無損檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)缺陷。

4.4整體熱處理

設(shè)備經(jīng)無損檢測(cè)合格后進(jìn)行爐內(nèi)整體消除應(yīng)力熱處理，690℃±10℃保溫6小時(shí)，升降溫速度55℃～60℃/h。設(shè)備熱處理和水壓試驗(yàn)后分別對(duì)焊接接頭進(jìn)行超聲波（TОFD）和磁粉檢測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

4.5焊接試板

產(chǎn)品焊接試板和設(shè)備筒體第一條縱縫同時(shí)焊接，和設(shè)備具有相同的熱處理史，按NB/T47016和圖樣技術(shù)條件要求，進(jìn)行了各項(xiàng)力學(xué)性能檢驗(yàn)，均不低于母材指標(biāo)。

5　結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)石油煉化系統(tǒng)中的核心設(shè)備加氫反應(yīng)器用2.25Cr-1Mo耐熱鋼的焊接性分析和焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，制訂了合理的、符合生產(chǎn)實(shí)際的焊接工藝規(guī)程，成功完成了該設(shè)備的制造任務(wù)。為今后同類產(chǎn)品焊接生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，具有推廣應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也提高了本公司的生產(chǎn)制造能力，為公司今后在同類材料高溫高壓臨氫設(shè)備的制造方面積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

[1]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)(第2卷)[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[2]張文.焊接冶金學(xué)（基本原理）[S].機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[3]陳裕川.鋼制壓力容器焊接工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.