SA387Gr11CL2鋼的現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)焊

林志旭，胡柱強(qiáng)，蘇志堅(jiān)，李文振

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院東莞檢測(cè)院， 廣東 東莞 523000）

某煤化工項(xiàng)目的氣化爐主體材質(zhì)為SA387Gr11CL2鋼，設(shè)計(jì)壓力7.15MPa，設(shè)計(jì)溫度455℃，工作介質(zhì)為CO、H2等。在現(xiàn)場(chǎng)安裝驗(yàn)收時(shí)發(fā)現(xiàn)，該氣化爐燃燒室內(nèi)壁存在一處直徑10mm、深17mm凹坑，凹坑位置壁厚106mm，如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)施工方為了保證工程進(jìn)度，緊急調(diào)用一名資深焊工進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊后焊縫外觀正常，但24h后發(fā)現(xiàn)補(bǔ)焊位置出現(xiàn)了延遲裂紋，如圖2所示。圖中可以看出裂紋所在區(qū)域鋼材晶粒粗大，有過(guò)燒趨勢(shì)?，F(xiàn)場(chǎng)查看時(shí)發(fā)現(xiàn)：(1)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)溫度較低，母材厚度大，普通的火焰加熱無(wú)法保證焊縫周?chē)鷾囟染鶆蛞恢拢?2)焊縫處于豎直光滑管壁內(nèi)側(cè)，保溫棉難以敷設(shè)，焊后保溫及降溫速度難以保證；(3)該材料的焊接工藝及焊接方法目前還沒(méi)有公開(kāi)的資料可以借鑒。分析原因：該類(lèi)鋼板碳當(dāng)量較高，淬硬傾向和焊接冷裂紋敏感性較大，如果焊接材料和工藝規(guī)范選擇不當(dāng)，熱處理工藝未嚴(yán)格按照工藝要求，很容易產(chǎn)生延遲裂紋[1]。針對(duì)該問(wèn)題，需要根據(jù)鋼材性能和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，選擇合適的焊材，制定專(zhuān)門(mén)補(bǔ)焊工藝及熱處理工藝來(lái)進(jìn)行焊接。

圖1 母材凹坑

圖2 延遲裂紋

1 SA387Gr11 CL2鋼的成分分析及焊材選擇

氣化爐用SA387Gr11 CL2鋼板供貨狀態(tài)為正火+回火，該鋼材屬于低合金耐熱鋼，焊接時(shí)常見(jiàn)問(wèn)題是冷裂紋、再熱裂紋。低合金鋼焊接接頭產(chǎn)生裂紋主要取決于鋼材金屬元素及含量。

表1 SA387Gr11 CL2鋼的化學(xué)成分 （%）

碳當(dāng)量計(jì)算公式：

SA387Gr11 CL2鋼的化學(xué)成分如表1所示，按照公式（1）計(jì)算可知，該鋼材碳當(dāng)量可達(dá)0.812%。從化學(xué)成分不難看出，該鋼材容易產(chǎn)生延遲裂紋，根據(jù)化學(xué)成分，選用低氫焊材，嚴(yán)格控制焊前預(yù)熱溫度、焊中層間溫度和焊后及時(shí)消氫，可防止焊接裂紋的產(chǎn)生。通過(guò)制定焊接評(píng)定及焊接方案，焊材選用ER80S-B2。ER80S-B2焊材的化學(xué)成分如表2所示。

表2 焊材化學(xué)成分 （%）

2 焊前準(zhǔn)備

由于SA387Gr11 CL2鋼屬于低合金耐熱鋼，此類(lèi)鋼出現(xiàn)的焊接缺陷主要為冷裂紋，又稱(chēng)延遲裂紋，而擴(kuò)散氫含量是冷裂紋出現(xiàn)的主要原因[2]。因此在焊接前使用冷切割方式切除裂紋部位，并將坡口坡度打磨至與凹坑深度比例為1:3，同時(shí)清除坡口面及周?chē)?00mm范圍內(nèi)的油、銹、水分及其他污染物，確保裂紋已完全清除干凈后，對(duì)清理后的坡口進(jìn)行PT檢測(cè)。確保裂紋及過(guò)燒區(qū)域已經(jīng)完全清除后，清洗補(bǔ)焊部位坡口表面，圖3為裂紋清除后進(jìn)行的PT檢測(cè)。

圖3 裂紋去除后PT檢測(cè)

3 焊接工藝參數(shù)

由于氣化爐壁厚較大，焊接坡口深而窄，為改善焊縫金屬的塑性、韌性、降低性能的不均勻程度，提高焊縫金屬的抗裂性能，在滿(mǎn)足工藝和操作要求的條件下，盡可能選擇合理焊縫和合適的熱輸入。因此采用熱輸入較小的GTAW焊接，盡可能降低層間溫度，減少應(yīng)力和變形，也降低組織硬化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。綜合計(jì)算分析后采用焊接參數(shù)如表3所示。

表3 焊接參數(shù)

4 焊前預(yù)熱、層間溫度控制及焊后消氫處理

SA387Gr11 CL2鋼的焊前預(yù)熱、焊后熱處理是防止焊接裂紋的重要工藝措施，通過(guò)焊接評(píng)定，確定預(yù)熱溫度≥200℃；另一方面，如果熱處理溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致焊縫金屬組織的晶粒粗大。因此，焊接過(guò)程中，控制焊道溫度在200～300℃之間。

補(bǔ)焊完成后立即對(duì)焊縫進(jìn)行焊后熱處理，在制定焊接接頭的焊后熱處理工藝時(shí)，要考慮冶金和工藝特點(diǎn)，焊后熱處理應(yīng)保證焊接接頭組織的改善，不應(yīng)使母材及焊接接頭各項(xiàng)力學(xué)性能降低至設(shè)計(jì)所要求的最低限度，提高焊縫金屬的韌性、降低硬度、消除焊接應(yīng)力，防止設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)使用中產(chǎn)生表面裂紋。所以，進(jìn)行焊后熱處理的目的不僅是消除焊接殘余應(yīng)力，更重要的是改善焊縫金屬組織，提高接頭的綜合力學(xué)性能，包括降低焊縫及熱影響區(qū)的硬度、提高焊接接頭的高溫蠕變極限和組織穩(wěn)定性[3]。綜合考慮后確定焊后溫度控制在350～400℃進(jìn)行消氫處理，保溫時(shí)間為2h，并保證降溫速度不高于55℃/h。

5 焊后無(wú)損檢測(cè)及硬度檢測(cè)

補(bǔ)焊及熱處理完成后，為了確保補(bǔ)焊部位滿(mǎn)足鋼材化學(xué)成分和機(jī)械性能的要求，避免出現(xiàn)延遲裂紋，在焊后24h對(duì)焊縫、熱影響區(qū)和周?chē)覆倪M(jìn)行無(wú)損探傷。采用PT+UT組合檢測(cè)，確保焊縫位置表面及內(nèi)部無(wú)裂紋，經(jīng)檢測(cè)，PT及UT檢測(cè)結(jié)果均滿(mǎn)足NB/T 47013-2015 I級(jí)合格。

對(duì)焊縫部位進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表4所示，將測(cè)得的硬度值去掉最大值和最小值，平均硬度為177.4HB，低于規(guī)范要求的225HB，滿(mǎn)足該鋼材的硬度值要求。

表4 硬度測(cè)試結(jié)果 （HB）

6 結(jié)論

（1）SA387Gr11 CL2鋼淬硬傾向和焊接冷裂紋敏感性較大，焊接工藝及熱處理工藝及其重要，若焊材和工藝選擇不當(dāng)，很容易產(chǎn)生延遲裂紋。

（2）采用合理的焊后消氫處理工藝，嚴(yán)格控制降溫速度，能有效改善SA387Cr11 CL2鋼焊接接頭組織和性能，避免出現(xiàn)焊后開(kāi)裂。

（3）在施工現(xiàn)場(chǎng)比較惡劣的情況下，采用小規(guī)范焊接工藝進(jìn)行焊接，減少組織硬化、減少局部應(yīng)力，能有效改善焊接效果。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 葉玉芬. SA336F22CL3鋼制高壓換熱器的制造[J].壓力容器，2008，25(1)：37-42.

[2] 陳祝年. 焊接工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[3] 苗磊，何成哲，趙殿福. SA387Cr11CL2鋼的焊接[J].焊接技術(shù)，2010，(S1)：48-50.