2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊縫不同后熱狀態(tài)下的力學(xué)性能

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川德陽 618000)

0 引言

焊后消氫(DHT)或中間消應(yīng)(ISR)處理是高溫高壓臨氫設(shè)備在焊制過程中的重要環(huán)節(jié)。在承制2.25Cr-1Mo-0.25V鋼制反應(yīng)器時，雖然做了2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊縫擴散氫分布試驗[1]，得到只要在焊后加熱到350 ℃、保溫時間2 h即可達(dá)到消氫的目的。但從力學(xué)性能方面分析，焊后加熱到350 ℃、保溫時間2 h與中間消應(yīng)是否一樣，還要進一步的試驗驗證。

本文采用擴散氫分布測量試驗剩余試料，開展在不同后熱狀態(tài)下的不同部位的沖擊、室溫強度、斷面硬度等檢測，尋找不同后熱工藝焊接接頭力學(xué)性能的變化規(guī)律及最佳的中間消應(yīng)熱處理工藝，為實施DHT代替ISR的合理性提供依據(jù)。

1 試驗要求

試驗所采用的試板、坡口及焊接規(guī)范參數(shù)、后熱固氫描述見文獻(xiàn)[1]，利用其剩余試料開展本次試驗。

試驗分別為A,B,C,D,E,F,G七種狀態(tài),其編號及狀態(tài)說明見表1。

表1 編號對應(yīng)的試塊狀態(tài)

2 試板無損檢測

完成擴散氫取樣，對7種后熱條件的試板進行清理、打磨后，按照NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分:超聲檢測》進行焊接接頭UT探傷，合格級別為Ⅰ級(若探傷行程不滿足要求時，增加側(cè)面檢測，以確保整個焊縫金屬受檢)。UT檢測合格后，依據(jù)NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》對試板上下表面焊縫進行MT探傷，合格級別為Ⅰ級。

第1次探傷合格后間隔14天，再次打磨試板表面，然后按第1次的標(biāo)準(zhǔn)和要求對7種后熱條件下的試板進行第2次無損檢測，其UT,MT均合格。

對比兩次探傷結(jié)果，7種后熱狀態(tài)下的試板，第1次和放置14天后的第2次探傷結(jié)果一致，未發(fā)現(xiàn)新增裂紋或產(chǎn)生其他缺陷。

3 硬度檢測

分別對7種狀態(tài)的焊接接頭全截面進行兩種位置的硬度檢測，一處距上表面1.6 mm；另一處在T/2板厚處。

圖1示出7種狀態(tài)焊接接頭的母材、熱影響區(qū)(HAZ)、焊縫硬度平均值的對比，從圖中可得到7種狀態(tài)焊接接頭硬度有如下的變化規(guī)律和變化趨勢。

(1)母材的硬度較平穩(wěn)，其數(shù)值大約為220HV10，這與母材的特性吻合。

(2)7種狀態(tài)焊接接頭硬度最高的區(qū)域均在焊縫中心，試板焊縫在T/2板厚處和距上表面1.6 mm處的硬度曲線基本處于交叉狀態(tài)，兩處的硬度差異不大。

(3)不同狀態(tài)試板接頭在T/2板厚處和距上表面1.6 mm處的硬度，從趨勢來看，消氫溫度越高，其硬度越低。在經(jīng)350 ℃×4 h消氫后的F試板硬度(HV10)大約為300～322，這與經(jīng)660 ℃×3 h消應(yīng)的G試板的焊縫硬度相當(dāng)。

圖1 7種狀態(tài)下焊接接頭母材、熱影響區(qū)、焊縫的硬度分布

4 焊縫熔敷金屬拉伸試驗

為了考察不同狀態(tài)下焊縫熔敷金屬的強度，對7種狀態(tài)及經(jīng)過min.PWHT后，T/2板厚處的全熔敷金屬進行2件室溫拉伸試驗。其數(shù)據(jù)匯總及對比見表2。

表2 7種狀態(tài)焊縫中心T/2板厚處拉伸試驗數(shù)據(jù)

拉伸試驗表明,未經(jīng)熱處理的焊縫金屬強度較高，大約為1 000 MPa，經(jīng)350 ℃以下的后熱強度的變化不明顯，經(jīng)660 ℃×3 h的后熱強度也大于900 MPa。這表明不同狀態(tài)下焊縫的強度差異不大。雖然各種后熱狀態(tài)下的焊接接頭強度偏高，但經(jīng)過min.PWHT，其性能可獲得改善，滿足工程技術(shù)條件的要求。

5 焊縫中心脆性轉(zhuǎn)變

為了考察不同狀態(tài)下焊縫中心的韌性，對其焊縫進行80，60，40，20，0，-18，-30，-40，-60，-80，-100 ℃系列沖擊試驗。每種狀態(tài)分別從距上表面1.6 mm處和T/2板厚處取樣。

圖2示出7種狀態(tài)下，距離上表面1.6 mm處和T/2板厚處兩種位置焊縫中心系列沖擊試驗測量值對應(yīng)的曲線。

從圖2可以看出，7種狀態(tài)下的沖擊吸收能量的差異較小(特別是在20 ℃以下)，焊縫中心在距上表面1.6 mm處低溫沖擊吸收能量均較低，在20 ℃及以下均低于25 J；在T/2板厚處焊縫中心的沖擊吸收能量只有G試板稍高，為38 J左右。

試驗表明，厚度為150 mm的2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊接接頭經(jīng)過不同溫度的DHT與ISR之后，其焊接接頭脆性轉(zhuǎn)變趨勢相當(dāng)，都處在較差的水平。

6 消氫后自然冷卻狀態(tài)下焊縫中心脆性轉(zhuǎn)變分析

為了對比焊縫中心沖擊吸收能量的變化趨勢，除了從制備擴散氫的余料上制取不同位置的沖擊試樣，另外對B，C，D，E，F(xiàn)，G六種狀態(tài)的試板在消氫后經(jīng)自然冷卻的條件進行試驗。圖3示出了試驗數(shù)據(jù)在Original軟件下，采用非線性BOLIZMAN函數(shù)擬合的圖形。從圖中可觀察到不同后熱狀態(tài)下，焊縫中心沖擊韌性的變化趨勢。

圖3 不同后熱狀態(tài)下試板自然冷卻時焊縫中心沖擊吸收能量的變化曲線

從圖3可看出，當(dāng)消氫溫度增加時，焊縫中心沖擊韌性增加，曲線有向上和向左邊移動的趨勢。但是在各種狀態(tài)下消氫，其20 ℃以下的低溫沖擊吸收能量也較低，即使是經(jīng)過660 ℃×3 h消氫的G試板，其20 ℃的沖擊吸收能量約為50 J。當(dāng)試驗溫度提高到40 ℃時，沖擊吸收能量才有改善，達(dá)到了130 J左右。

7 結(jié)語

(1)通過對不同后熱狀態(tài)下厚度為150 mm的2.25Cr-1Mo-0.25V試板進行低溫系列沖擊、接頭硬度、抗拉強度等方面的試驗和分析，得到如下結(jié)論：1)7種狀態(tài)下試板經(jīng)間隔14天的無損檢測，均未發(fā)現(xiàn)線性缺陷；2)焊接接頭淺表面及中心處的硬度與加熱溫度和保溫時間呈正比，隨著溫度的提高、時間的延長，其硬度呈下降趨勢；3)7種狀態(tài)下的焊縫區(qū)域的低溫韌性較低，盡管溫度提高，韌性有增大的趨勢，但20 ℃及以下的沖擊吸收能量均不大于25 J，只有到40 ℃時才有所改善；4)7種狀態(tài)下的焊縫金屬抗拉強度偏高，只有經(jīng)過min.PWHT后，才能滿足工程技術(shù)條件的要求；5)通過試驗數(shù)據(jù)的對比，該鋼焊后經(jīng)350 ℃后熱與660 ℃ ISR的焊接接頭綜合力學(xué)性能相近，這說明在焊制過程中，此兩種狀態(tài)下焊縫金屬抵御低韌性的危害和防氫致裂紋的效果相當(dāng)。

(2)對消氫和中間消應(yīng)兩種方法的7種狀態(tài)下的綜合試驗證實，所有的數(shù)據(jù)均達(dá)不到工程技術(shù)條件的要求，這是必然的。文獻(xiàn)[2]提及DHT和ISR的目的是為了減緩低焊縫韌性所造成的危害、減少氫致裂紋的產(chǎn)生而設(shè)置的措施，當(dāng)然也能適當(dāng)降低殘余應(yīng)力的峰值。但是，其焊接接頭力學(xué)性能的改善并滿足設(shè)計要求，需通過PWHT最終熱處理達(dá)到。

(3)該項研究成果已在多臺2.25Cr-1Mo-0.25V鋼制加氫反應(yīng)器制造中應(yīng)用。反應(yīng)器主焊縫在PWHT前、后及水壓試驗后3個階段的UT，MT探傷都能滿足工程技術(shù)條件的要求。