14Cr1MoR鋼焊接工藝性研究及其在石油化工裝置中的應(yīng)用

陳昌軍　林立　王文濤

摘要：14Cr1MoR鋼因具有較好的耐熱強(qiáng)度及抗氧化、抗氫、抗硫腐蝕性能以及廉價(jià)性，在石油化工行業(yè)的氨合成塔、焦炭塔、加氫反應(yīng)器等重要裝置中得到廣泛應(yīng)用。綜述了14Cr1MoR鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能，重點(diǎn)分析了其焊接性、焊接工藝要點(diǎn)、存在的焊接問(wèn)題及處理方法、復(fù)合焊接等，指出了其與不銹鋼復(fù)合鋼板是實(shí)現(xiàn)材料兼具熱強(qiáng)性與高耐蝕性的有效方法，為14Cr1MoR鋼得到更好的應(yīng)用提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：14Cr1MoR鋼;焊接性;焊接工藝要點(diǎn);復(fù)合鋼板

中圖分類號(hào)：TG47文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：1001-2303（2020）05-0094-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.19

0 前言

隨著石油工業(yè)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，高溫、高壓、高腐蝕的工況環(huán)境對(duì)石油化工裝置提出了更為苛刻的要求，所采用的鋼材必須具有優(yōu)異的常溫機(jī)械性能、常溫塑性、韌性和抗回火脆性及耐蝕性。早期，這類設(shè)備所需鋼材只能通過(guò)進(jìn)口，如SA387 Gr11 C12等材料，但是此類鋼材價(jià)格昂貴、供貨周期長(zhǎng)，不適宜工業(yè)生產(chǎn)。近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)14Cr1MoR鋼因高溫性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜、加工性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)逐漸進(jìn)入石化行業(yè)，在降低成本的同時(shí)縮短了生產(chǎn)周期，為大眾所青睞。

1 14Cr1MoR鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能

1.1 14Cr1MoR鋼的化學(xué)成分

14Cr1MoR鋼是舞陽(yáng)鋼廠開(kāi)發(fā)的一種抗氫耐熱鋼，屬鉻鉬低合金結(jié)構(gòu)鋼，執(zhí)行GB713-2008國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，系1.25Cr0.5Mo珠光體耐熱鋼，其化學(xué)成分如表1所示。其中Cr、Mo為主要熱強(qiáng)元素，Cr能增加鋼的淬透性并有二次硬化的作用，可在提高碳鋼的硬度和耐磨性的同時(shí)不使鋼變脆，使其具有良好的高溫抗氧化性和耐氧化性腐蝕作用，還增加了其熱強(qiáng)性，是耐熱鋼的主要合金元素。Mo增強(qiáng)了鋼的熱強(qiáng)性，防止回火脆性，并進(jìn)一步提高對(duì)有機(jī)酸（如蟻酸、醋酸、草酸等）以及過(guò)氧化氫、硫酸、亞硫酸、硫酸鹽、酸性染料等的抗蝕性，特別是防止了氯離子產(chǎn)生的點(diǎn)腐蝕傾向。

1.2 14Cr1MoR鋼的力學(xué)性能

為了獲取良好的力學(xué)性能，14Cr1MoR鋼的熱處理工藝為900 ℃水冷淬火+685 ℃高溫回火。900 ℃淬火后的組織為板條馬氏體，具有高的強(qiáng)度（1 000～1 040 MPa）和顯微硬度（401～446 HV），但塑性和韌性較差，必須通過(guò)高溫回火以改善其塑性和韌性。14Cr1MoR鋼的力學(xué)性能如表2所示。

2 14Cr1MoR鋼的焊接應(yīng)用研究

2.1 14Cr1MoR鋼的可焊性分析

采用國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15，根據(jù)表1中數(shù)據(jù)計(jì)算出14Cr1MoR鋼的CE為0.42%～0.72%。一般當(dāng)CE<0.4%時(shí)，鋼材的焊接性能良好，無(wú)需預(yù)熱即可焊接;當(dāng)0.4%～0.6%時(shí)，鋼材的焊接性能不佳，需較高溫度預(yù)熱，嚴(yán)格控制焊接工藝，才能進(jìn)行焊接?？梢?jiàn)14Cr1MoR鋼具有一定的淬硬傾向，易產(chǎn)生冷裂紋，一般采用低氫焊條并控制焊接熱輸入，加上適當(dāng)?shù)念A(yù)熱、后熱和焊后熱處理等工藝措施來(lái)保證焊縫質(zhì)量。

14Cr1MoR鋼存在較多具有沉淀強(qiáng)化的合金元素（Cr、Mo），在焊接過(guò)程中熱影響區(qū)受到高溫作用，奧氏體晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，碳化物溶于奧氏體中，焊接接頭經(jīng)過(guò)700 ℃左右的焊后熱處理，碳化物在晶粒內(nèi)部析出，晶粒內(nèi)部強(qiáng)化，晶界薄弱，當(dāng)拘束應(yīng)力超過(guò)晶界抗拉強(qiáng)度時(shí)，則產(chǎn)生再熱裂紋[1]。針對(duì)該問(wèn)題，可采取以下措施：焊接時(shí)控制線能量的輸入，盡量減少過(guò)熱粗晶區(qū);選用低匹配的焊接材料，適當(dāng)?shù)亟档秃缚p金屬?gòu)?qiáng)度以及提高其塑性變形能力;采用預(yù)熱和后熱措施;控制焊接質(zhì)量，合理裝配，以減少焊接接頭的應(yīng)力集中，減少再熱裂紋的產(chǎn)生。

2.2 14Cr1MoR鋼的焊接工藝要點(diǎn)

2.2.1 焊接材料及方法

14Cr1MoR鋼焊接時(shí)，焊材的選擇應(yīng)充分考慮焊縫金屬的熱膨脹系數(shù)、成分和力學(xué)性能與母材相匹配，特別是熱強(qiáng)性。常采用焊條電弧焊（SMAW）固定和埋弧焊（SAW）雙面成型焊接，常用H13CrMoA焊絲-J603焊劑，R307H焊條（φ4.0），焊材成分如表3所示。

2.2.2 焊接工藝參數(shù)的選擇

焊接工藝參數(shù)包括焊接熱輸入、焊前預(yù)熱溫度和道間溫度等，會(huì)直接影響焊接接頭的冷卻條件，進(jìn)而影響其組織性能。王國(guó)慶[2]曾提出，對(duì)于Cr-Mo系耐熱鋼采用熱焊工藝焊接可提高合金的耐應(yīng)力腐蝕性能。14Cr1MoR鋼多為中厚板，散熱慢，大的熱輸入容易造成接頭晶粒粗大，強(qiáng)度和韌性降低，應(yīng)采用小的焊接熱參數(shù)，配合預(yù)熱與緩冷，縮小焊接接頭過(guò)熱區(qū)寬度，限制晶粒長(zhǎng)大，同時(shí)防止冷裂紋的產(chǎn)生。常用焊接工藝參數(shù)如表4所示，電流種類及極性均為直流反接[3]。

2.2.3 焊接輔助措施

14Cr1MoR鋼多采用雙U型及Y型坡口，熱切割前，將割口邊緣預(yù)熱150 ℃;熱切割后，采用機(jī)械加工方法加工坡口，并對(duì)坡口表面進(jìn)行磁粉探傷，檢查是否存在表面裂紋。焊前應(yīng)將坡口表面及兩側(cè)各100 mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹清除干凈，焊條嚴(yán)格按烘干工藝烘干，隨用隨取，以減少焊接接頭擴(kuò)散氫的來(lái)源。

焊前預(yù)熱、道間溫度的控制及后熱消氫處理可顯著降低焊接區(qū)氫含量和淬硬傾向，避免冷裂紋的產(chǎn)生，是保證焊接質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)大量試驗(yàn)確定14Cr1MoR鋼的最低預(yù)熱溫度為150 ℃，道間溫度控制在 150～250 ℃。受厚鋼板拘束度的影響，預(yù)熱溫度多為200 ℃，道間溫度為200～250 ℃，焊后應(yīng)立即進(jìn)行 350～400 ℃消氫處理。

為消除14Cr1MoR鋼殘余應(yīng)力，改善焊接接頭的金相組織，提高接頭的綜合力學(xué)性能（降低焊縫及熱影響區(qū)硬度，提高接頭的高溫蠕變強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性），應(yīng)及時(shí)進(jìn)行焊后熱處理。焊后熱處理工藝參數(shù)為：（600～690）±14 ℃保溫2～3.5 h，熱處理后焊縫硬度低于225 HB[4]。

2.3 14Cr1MoR鋼復(fù)合鋼板焊接應(yīng)用

14Cr1MoR鋼雖然具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，但在日益苛刻的工況環(huán)境下，其耐蝕性不能滿足使用要求，為提高設(shè)備整體壽命，在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)中多采用14Cr1MoR鋼與其他耐蝕材料的復(fù)合板以獲得更優(yōu)良的性能。常用復(fù)合材料包括S321、S347、S904L、S11306、S410等不銹鋼[5-6]。其中與S321不銹鋼復(fù)合鋼板廣泛應(yīng)用于抗晶界腐蝕性要求高的化學(xué)、煤炭、石油等工業(yè);與S347H不銹鋼復(fù)合鋼板具有良好的耐晶間腐蝕性和較高的持久強(qiáng)度和抗氧化性能;與S904L不銹鋼復(fù)合鋼板對(duì)氯化物有著良好的耐應(yīng)力腐蝕性能，在中性氯化物中具有非常好的耐點(diǎn)蝕性能[7];與S11306不銹鋼復(fù)合鋼板具有良好的抗腐蝕能力和抗氧化作用，較高的淬透性、耐磨性及熱強(qiáng)性。復(fù)合鋼板焊接時(shí)應(yīng)注意過(guò)渡層成分及焊后熱處理的控制。

3 14Cr1MoR鋼在石油化工裝置中的應(yīng)用現(xiàn)狀

14Cr1MoR鋼憑借其較好的耐熱強(qiáng)度及抗氧化、抗氫、抗硫腐蝕性能，廣泛應(yīng)于煤化工、石油化工及化學(xué)工業(yè)用設(shè)備制造領(lǐng)域，主要用于溫度不大于500 ℃的中溫壓力容器的制造，如氨合成塔、焦炭塔、加氫反應(yīng)器、換熱器、中溫變換爐等。

3.1 氨合成塔

氨合成塔被稱為合成氨廠的心臟，是在高溫高壓條件下使氮?dú)夂蜌錃獍l(fā)生催化反應(yīng)合成氨的關(guān)鍵設(shè)備，為高溫臨氫設(shè)備，服役條件十分惡劣。該設(shè)備采用立式結(jié)構(gòu)，上部為熱端，設(shè)計(jì)溫度493 ℃，下部為冷端，設(shè)計(jì)溫度275 ℃，設(shè)計(jì)壓力0.53 MPa。選材設(shè)計(jì)原則為在滿足強(qiáng)度和剛度的要求下主要滿足防腐要求;在滿足設(shè)計(jì)（壓力、溫度）條件下盡量選擇便宜易加工的材料，做到經(jīng)濟(jì)、耐用、實(shí)惠[8-9]。14Cr1MoR鋼為其主要受壓元件的選材，如內(nèi)筒和筒體端部等。舞鋼通過(guò)優(yōu)化成分設(shè)計(jì)、合理控制冶煉、軋制及熱處理工藝開(kāi)發(fā)的151 mm厚14Cr1MoR鋼板，其組織為均勻的單一貝氏體回火組織，具有良好的常溫、高溫拉伸性能和優(yōu)良的低溫沖擊韌性，滿足了氨合成塔的技術(shù)要求[10]。

3.2 焦炭塔

延遲焦化裝置的核心設(shè)備是焦炭塔，是煉油廠所有壓力容器中使用環(huán)境最惡劣的設(shè)備之一[11]。焦炭塔一般每48 h進(jìn)行1次從常溫至500 ℃操作溫度的循環(huán)，始終工作在高應(yīng)力低周疲勞的惡劣狀態(tài);在低pH值、高含Cl-和H2S酸性水作用下易產(chǎn)生沖蝕、汽蝕;在進(jìn)料生焦過(guò)程中出現(xiàn)高溫硫腐蝕，產(chǎn)生FeS保護(hù)膜，但原料分解產(chǎn)生的Cl-及冷焦水中帶來(lái)的Cl-會(huì)降低材質(zhì)表面保護(hù)膜的形成或加速保護(hù)膜的破壞，從而促進(jìn)焦碳塔局部腐蝕破壞，為疲勞破壞提供裂紋源。

焦炭塔為壓力容器復(fù)合板設(shè)備，主體材質(zhì)為14Cr1MoR。塔頂至泡沫層以下200 mm的材質(zhì)為14Cr1MoR+410S，其他部分為14Cr1MoR，其中焦炭塔下部錐段為14Cr1MoR鍛件。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的在役焦炭塔主要出現(xiàn)了鼓凸變形，筒體和裙座之間的焊縫等部位出現(xiàn)裂紋、內(nèi)壁腐蝕等問(wèn)題[12]。

3.3 加氫反應(yīng)器

加氫反應(yīng)器是在高溫、高壓，并在含有氫或氫+硫化氫介質(zhì)條件下工作的重要煉油工藝設(shè)備，其操作條件極為苛刻，對(duì)材料的高溫力學(xué)性能提出了更高的要求[13]。其主體材質(zhì)常選擇14Cr1MoR鋼，所有承壓焊縫全部采用全焊透窄間隙結(jié)構(gòu)，焊縫及堆焊層的氫損傷是其主要破壞形式。

4 結(jié)論

（1）14Cr1MoR鋼的焊接結(jié)構(gòu)存在冷裂紋、再熱裂紋及回火脆性等焊接問(wèn)題，必須根據(jù)具體工況條件選擇合適的焊接工藝參數(shù)及輔助措施，以保證焊接質(zhì)量。

（2）14Cr1MoR鋼具有較好的耐熱強(qiáng)度及抗氧化、抗氫、抗硫腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于臨氫、高溫、高壓的化工裝置，科學(xué)合理的焊接技術(shù)是設(shè)備安全、生產(chǎn)安全的重要保障。

（3）14Cr1MoR鋼和不銹鋼復(fù)合鋼板是實(shí)現(xiàn)材料兼具熱強(qiáng)性和高耐蝕性的有效方法，過(guò)渡層成分及焊后熱處理的控制將成為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王文利，黨曙昕，王迎君. 國(guó)產(chǎn)14Cr1MoR鋼的焊接[J]. 電焊機(jī)，2002，32（7）：32-35.

Wang W L，Dang S X，Wang Y J. The welding of homemade 14Cr1MoR steel[J]. Electric Welding Machine，2002，32（7）：32-35.

[2] 王國(guó)慶，閆萍，張智超，等. 熱焊工藝對(duì)2.25Cr1Mo鋼應(yīng)力腐蝕性能的影響[J]. 遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35（6）：42-44，48.

Wang G Q，Yan P，Zhang Z C，et al. The Influence of HotWelding Process on Stress Corrosion Property of 2.25Cr1MoSteel[J]. Journal of Liaoning University of Petroleum & Chemical Technology，2015，35（6）：42-44，48.

[3] 劉東旭，傅瑞麗. 14Cr1MoR中厚板埋弧焊接裂紋的焊接工藝分析[J]. 硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程，2017（6）：42-45.

Liu D X，F(xiàn)u R L. Analysis on welding process of submerged arc welding cracks in 14Cr1MoR plate[J]. Sulfur phosphorus design and powder engineering，2017（6）：42-45.

[4] 鄭大智. 14Cr1MoR鋼制大型焦碳塔的整體熱處理[J]. 石油化工設(shè)備技術(shù)，2010，31（4）：9-12.

Zheng D Z. Integral heat treatment of 14Cr1MoR steel largecoke tower[J]. Petrochemical equipment technology，2010，31（4）：9-12.

[5] 趙金芝，李瑞龍. 14Cr1MoR+0Cr18Ni10Ti復(fù)合鋼板焊接[J]. 石油化工設(shè)備，2011，40（Z1）：57-59.

Zhao J Z，Li R L. Welding of Composite Materials 14Cr1MoR+0Cr18Ni10Ti[J]. Petro-Chemical Equipment，2011，40（Z1）：57-59.

[6] 王全柱，李啟耕，岳宗洪，等. 904L（N08904）不銹鋼復(fù)合板腐蝕性能研究[J]. 材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2017，32（5）：5358.

Wang Q Z，Li Q G，Yue Z H，et al. Study on Corrosion of 904L （SA240 N08904） Explosive-Clad Plate[J]. Development and Application of Materials，2017，32（5）：53-58.

[7] 王小華，楊輝，李軍. 904L-14Cr1MoR復(fù)合鋼板焊接試驗(yàn)研究[J]. 材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2016，31（4）：51-57.

Wang X H，Yang H，Li J. Welding Test of the Super Austenitic Stainless Steel 904L-14Cr1MoR Clad Metal Plate[J]. Development and Application of Materials，2016，31（4）：51-57.

[8] 官云勝，孫長(zhǎng)玉. 氨合成塔外殼的制造[J]. 化工設(shè)備與管道，2007，44（6）：22-25.

Guan Y S，Sun C Y. Manufacture of Shell of Ammonia Synthesis Tower[J]. Process Equipment & Piping，2007，44（6）：

22-25.

[9] 蔣家慧，景煒，秦延山. 氨合成塔外殼內(nèi)筒裂紋的分析[J].壓力容器，2010，27（11）：59-62.

Jiang J H，Jing Y，Qin Y S. Analysis of Crack on the Shellof Ammonia Converter[J]. Pressure Vessel Technology，2010，27（11）：59-62.

[10] 李樣兵，牛紅星，吳艷陽(yáng)，等. 氨合成塔用大厚度14Cr1MoR鋼板的研制開(kāi)發(fā)[J]. 寬厚板，2016，22（6）：19-22.

Li Y B，Niu H X，Wu Y Y，et al. Study and Development of Large Thickness 14Cr1MoR Steel Plate for Ammonia Converter[J]. Wide and Heavy Plate，2016，22（6）：19-22.

[11] 馬洪錦. 焦炭塔制造工藝[J]. 化工裝備技術(shù)，2013，34（6）：33-36.

Ma H J. Manufacturing Process of Coke Tower[J]. Chemical Equipment Technology，2013，34（6）：33-36.

[12] 韓玉梅. 大型焦炭塔設(shè)計(jì)特點(diǎn)介紹[J]. 化工設(shè)備與管道，2014，51（1）：40-44.

Han Y M. Introduction of Characteristics in Design of Large Coke Drum[J]. Process Equipment & Piping，2014，51（1）：40-44.

[13] 徐堅(jiān)，鐘曼英，郭世行，等. 加氫反應(yīng)器壁材料的氫損傷特性[J]. 中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2003，23（3）：149-155.

Xu J，Zhong M Y，Guo S X，et al. Characteristics of hydrogen damages for hydrogenation reactor wall-materials[J].Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection，2003，23（3）：149-155.