加氫反應(yīng)器碳鋼裙座段和容器本體一起參與PWHT的焊接工藝研究

朱莎莎 許 凱 孫亞杰 張 力 張繼亮

(二重(鎮(zhèn)江)重型裝備有限責(zé)任公司，江蘇212000)

在加氫反應(yīng)器等設(shè)備的制造中，許多殼體材料選擇12Cr2Mo1R材質(zhì)，裙座則采用Q345R材質(zhì)。對于主殼體與裙座材質(zhì)不同的設(shè)備，通常是在主殼體焊接完成之后，在下封頭部位熱箱段焊接一段材質(zhì)為12Cr2Mo1R的裙座過渡段與主殼體一同進(jìn)行最終熱處理，Q345R裙座則單獨(dú)進(jìn)行熱處理，最后將Q345R裙座與主殼體熱箱段12Cr2Mo1R組裝后再進(jìn)行620℃±14℃×3+1h局部焊后熱處理，總共進(jìn)行三次熱處理。如果Q345R鋼板入廠經(jīng)705℃±14℃×8 h模擬焊后熱處理后的力學(xué)性能滿足GBT 713—2014標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，Q345R裙座段可參與產(chǎn)品的最終焊后熱處理。

另外，保證12Cr2Mo1R+Q345R和Q345R+Q345R的焊接接頭在經(jīng)歷705℃±14℃×8 h熱處理后的接頭強(qiáng)度與母材匹配也是制造的關(guān)鍵，為此我公司開展了12Cr2Mo1R+Q345R和Q345R+Q345R的焊接工藝試驗(yàn)，為加氫反應(yīng)器等產(chǎn)品裙座與主殼體進(jìn)行整體焊后熱處理提供參考。

1 焊接材料及熱處理

GB 150.4—2010《壓力容器：制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收》8.2.2.1中規(guī)定Q345R厚度≥32 mm需要進(jìn)行焊后熱處理，而12Cr2Mo1R任意厚度都需要進(jìn)行焊后熱處理。這可使接頭的金相組織得到改善，提高了焊接接頭的塑性、韌性，從而改善焊接接頭的綜合力學(xué)性能；另外8.2.3條規(guī)定對于異種鋼之間的焊接接頭，需要焊后熱處理時(shí)按照熱處理要求高的材質(zhì)進(jìn)行確定。加氫反應(yīng)器的殼體材質(zhì)為12Cr2Mo1R，最終焊后熱處理溫度明確為705℃±14℃×8+2h，當(dāng)Q345R鋼板入廠按照模擬705℃±14℃×8+2h工藝進(jìn)行熱處理后的力學(xué)性能檢驗(yàn)符合GB 713—2014標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，反應(yīng)器與Q345R鋼裙座可同爐焊后熱處理，那么Q345R+12Cr2Mo1R、Q345R+Q345R試板的熱處理保溫溫度及保溫時(shí)間也須確定為705℃±14℃×8+2h。

根據(jù)GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》中的規(guī)定，厚度36 mm～100 mm的鋼板需進(jìn)行焊后熱處理，并要求Q345R的Rm為490 MPa～620 MPa，12Cr2Mo1R的Rm為520 MPa～680 MPa。Q345R與12Cr2Mo1R分別為Fe-1-2和Fe-4-2組別，參照NBT 47015—2011標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)情況下在選擇焊接材料時(shí)按照低強(qiáng)度級(jí)別的Q345R選擇低級(jí)別的焊接材料，但考慮到Q345R+12Cr2Mo1R、Q345R+Q345R之間的焊接接頭需經(jīng)705℃的焊后熱處理，故特地提高了焊接材料的強(qiáng)度等級(jí)，Q345R+12Cr2Mo1R、Q345R+Q345R之間的埋弧焊焊材最終均采用某公司生產(chǎn)的CHW-S7+CHF113，焊條電弧焊焊材采用CHE-557R，埋弧焊焊絲中含有一定量的Mo、Ni元素，可以保證在705℃熱處理后的焊縫強(qiáng)度符合要求，也降低了12Cr2Mo1R側(cè)母材中的合金元素稀釋率。

CHW-S7+CHF113、CHE-557R熔敷金屬的力學(xué)性能如表1所示。

試驗(yàn)用焊接試板12Cr2Mo1R為正火+回火供貨態(tài)，按照模擬705℃±14℃×8+2h熱處理后的力學(xué)性能檢測結(jié)果如表2所示；Q345R板為正火供貨態(tài)，按照模擬705℃±14℃×8+2h熱處理后的力學(xué)性能檢測結(jié)果如表3所示。

從表2、表3可以看出，12Cr2Mo1R、Q345R試板在模擬705℃×8 h熱處理后的力學(xué)性能滿足GB 713—2014的要求。

2 焊接試板

試驗(yàn)用焊接試板12Cr2Mo1R數(shù)量兩塊，Q345R數(shù)量六塊，試板尺寸均為40 mm×200 mm×600 mm，焊接方法采用埋弧焊和焊條電弧焊。埋弧焊焊接坡口如圖1所示，焊條電弧焊焊接坡口如圖2所示。

圖1 埋弧焊焊接坡口Figure 1 Submerged arc welding groove

(a)Q345R+12Cr2Mo1R(b)Q345R+Q345R

焊接前對焊劑進(jìn)行嚴(yán)格烘干，防止焊接時(shí)產(chǎn)生氣孔等缺陷；Q345R+12Cr2Mo1R預(yù)熱溫度≥150℃，焊接時(shí)層溫嚴(yán)格控制在150～250℃范圍內(nèi)；Q345R+Q345R預(yù)熱溫度≥100℃，焊接時(shí)層溫嚴(yán)格控制在150～250℃范圍內(nèi)。焊接時(shí)先焊接正面，背面碳弧氣刨清根及打磨之后再進(jìn)行焊接，焊接完成之后進(jìn)行消氫處理(300～350)℃×2 h，埋弧焊和手工電弧焊焊接參數(shù)見表4、表5。

試板焊接完成之后，對Q345R+12Cr2Mo1R、Q345R+Q345R進(jìn)行焊后熱處理，熱處理工藝如表6所示。試板焊后熱處理24 h后，按照NBT 47013.10—2015技術(shù)等級(jí)B級(jí)對焊縫進(jìn)行100%TOFD檢測，質(zhì)量等級(jí)I合格。

表1 熔敷金屬力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of mechanical properties of deposited metal

表2 12Cr2Mo1R力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of mechanical properties of 12Cr2Mo1R

表3 Q345R力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of mechanical properties of Q345R

表4 埋弧焊焊接工藝參數(shù)Table 4 Welding process parameters for submerged arc welding

表5 焊條電弧焊焊接工藝參數(shù)Table 5 Welding process parameters forwelding electrode arc welding

表6 焊后熱處理工藝Table 6 Post-weld heat treatment process

表7 Q345R+12Cr2Mo1R板材接頭拉伸試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果Table 7 Tensile test results of Q345R+12Cr2Mo1Rplate joint

表8 Q345R+Q345R板材接頭拉伸試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果Table 8 Tensile test results of Q345R+Q345R plate joint

表9 Q345R+12Cr2Mo1R焊接接頭沖擊試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果Table 9 Impact test results of Q345R+12Cr2Mo1R welded joint

表10 Q345R+Q345R焊接接頭沖擊試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果Table 10 Impact test results of Q345R+Q345R welded joint

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 焊接接頭抗拉強(qiáng)度

3.2 焊接接頭沖擊性能

一般來說，熱影響區(qū)、焊縫區(qū)域的沖擊性能是驗(yàn)證焊材選用、熱處理工藝是否合適的重要指標(biāo)之一。按照GBT 229—2007要求，對焊接接頭熱影響區(qū)、焊縫進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，具體測試數(shù)值如表9、表10所示，其檢驗(yàn)結(jié)果均滿足GBT 713—2014標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品技術(shù)條件要求。

3.3 焊接接頭彎曲試驗(yàn)

3.4 焊接接頭硬度試驗(yàn)

為了更好地了解705℃熱處理溫度對焊接接頭硬度的影響，對Q345R+12Cr2Mo1R、Q345R+Q345R試塊進(jìn)行了硬度試驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表11。

Q345R側(cè)母材及熱影響區(qū)硬度相較于610～620℃去應(yīng)力退火時(shí)明顯降低，其主要是由珠光體中滲碳體的轉(zhuǎn)化及組織的均勻化所致。

表11 PWHT后的焊接接頭硬度試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果Table 11 Hardness test results of welding joint after PWHT

4 分析及小結(jié)

加氫反應(yīng)器裙座Q345R筒體段入廠檢驗(yàn)時(shí)選用兩種熱處理工藝，即705℃±14℃×8+2h和620℃±14℃×3+1h，前者是為保證碳鋼裙座段參與反應(yīng)器整體熱處理，后者是保證碳鋼裙座段與反應(yīng)器裙座Cr-Mo段實(shí)施局部焊后熱處理。當(dāng)采用前者熱處理時(shí)，Q345R鋼板復(fù)驗(yàn)結(jié)果能夠滿足GB 713—2014標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，Q345R段裙座可參與整體熱處理，更為經(jīng)濟(jì)，這時(shí)的Q345R+12Cr2Mo1R、Q345R+Q345R焊接接頭的力學(xué)性能是否與Q345R筒體匹配，則成為主要矛盾。

通過上述的試驗(yàn)結(jié)果證明，選擇合金含量高的高強(qiáng)度級(jí)別的焊接材料更能保證Q345R+12Cr2Mo1R、Q345R+Q345R焊接接頭的力學(xué)性能在經(jīng)歷705℃±14℃×8+2h熱處理后能滿足GB 713—2014對Q345R的力學(xué)性能要求。對于12Cr2Mo1R殼體、12Cr2Mo1R裙座過渡段、Q345R裙座的產(chǎn)品，整體進(jìn)行最終焊后熱處理可縮短工期，降低成本。