臨氫21/4Cr－1Mo焊接接頭的回火脆化傾向性

楊　權，趙衛(wèi)君，申　雷，王兆民(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江　哈爾濱　150046)

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臨氫21/4Cr－1Mo焊接接頭的回火脆化傾向性

楊權，趙衛(wèi)君，申雷，王兆民
(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150046)

1/4Cr－1Mo鋼在高溫下具有較高的強度和抗氧化性能，并具有良好的焊接性能，廣泛應用于石油化工、火電和核電行業(yè)。石油化工設備中主要采用1/4Cr－1Mo鋼板作為化工設備的筒體和封頭材料。研究表明［1］，鉻鉬鋼在回火脆化后比脆化前具有更高的氫脆敏感性?；鼗鸫嗷憩F為韌性下降，強度和硬度并不會發(fā)生明顯變化。發(fā)生回火脆化后，材料的韌脆轉變溫度明顯升高。Guttmann等人［2－8］對發(fā)生脆化的機理和評價方法進行了研究工作，提出了磷偏聚理論模型并結合工程實踐提出了評定試驗方法。

鉻鉬鋼材料發(fā)生回火脆化需要在高溫條件下經過較長時間運行，一般采用等溫時效處理方法或步冷試驗方法對材料的回火脆化進行評定試驗。等溫時效法是在脆化溫度范圍內進行等溫時效處理，等溫時效法處理時間較長(一般需上千小時，甚至上萬小時)。而步冷試驗法可以在較短的時間內使材料發(fā)生快速回火脆化。目前國際上通常采用步冷試驗法對材料進行回火脆化評定。受試驗時間條件的限制，實驗采用步冷試驗后進行系列沖擊試驗的方法來評價材料的回火脆化傾向性。

1　試驗材料和方法

本試驗母材采用120mm厚度的1/4Cr－1Mo鋼板，焊接破口采用U + V形式，V型坡口焊縫采用規(guī)格4.0mm和5.0mm的CM－A106N焊條的焊條電弧焊焊接方法，U型坡口焊縫采用US－521S埋弧焊絲配PF－200D焊劑的埋弧焊焊接方法。焊接接頭的最小焊后熱處理(Min.PWHT)采用溫度為680～710℃保溫6h的熱處理制度。

本試驗僅對U型坡口的埋弧焊焊縫和熱影響區(qū)進行研究和分析。將最小焊后熱處理后的樣坯進行步冷(Step－Cooling，S.C.)熱處理。步冷熱處理采用CALTEX爐冷型［2，9］工藝，該工藝是在Kusuhara處理工藝［10］基礎上改進而來的，即將Kusuhara處理工藝中468℃的保溫時間由125h縮短為100h。步冷熱處理工藝見圖1。

圖1　步冷(S.C.)熱處理工藝

僅針對埋弧焊焊縫進行分析研究，分別從焊接試板的表面(埋弧焊焊縫)、1/2厚度(埋弧焊焊縫)和1/4厚度(埋弧焊焊縫)等三個位置取樣，并分別從這四個位置的焊縫中心和熱影響區(qū)切取沖擊試樣進行系列沖擊試驗。

分別對Min.PWHT狀態(tài)和Min.PWHT + S.C.狀態(tài)的試樣進行系列沖擊試驗。系列沖擊試驗采用10×10×55mm的標準V型缺口沖擊試樣，采用JB－W500C型夏比沖擊試驗機和DWC－60型低溫槽。根據系列沖擊試驗結果繪制Min.PWHT狀態(tài)和Min.PWHT + S.C.狀態(tài)的沖擊吸收能量－溫度曲線，并按按公式(1)計算回火脆化結果。

公式(1)中:

vTr54為經Min.PWHT后的夏比沖擊能量為54焦耳時對應的轉變溫度，℃;

ΔvTr54為Min.PWHT加階梯冷卻后和經Min.PWHT后的夏比沖擊能量為54焦耳時對應的轉變溫度的增量，℃。

圖2　沖擊試樣取樣位置示意圖

2　試驗結果

焊接接頭的母材和焊縫金屬的化學成分見表1?；瘜W分析結果表明，母材和埋弧焊焊縫金屬的化學成分差異不大，各元素含量基本相當。母材和焊縫的磷元素含量較低。

表1　化學成分(質量分數)

沖擊吸收能量－溫度曲線見圖3，回火脆化計算結果見表2。試驗結果表明，焊縫金屬較熱影響區(qū)的沖擊吸收能量－溫度曲線上平臺平均低60J以上，并且同一位置試樣在步冷前后曲線上下平臺基本未發(fā)生變化。同時，焊縫金屬步冷前后54J時對應的轉變溫度(vTr54)均維持在－60℃～－80℃之間，而熱影響區(qū)步冷前后54J時對應的轉變溫度(vTr54)均低于－80℃。也就是說，54J時對應的轉變溫度(vTr54)特點是熱影響區(qū)低于焊縫。按公式(1)計算后的回火脆化傾向性數值也呈現出熱影響區(qū)低于焊縫的特點。從而可以看出，焊接接頭同一位置試樣焊縫金屬與熱影響區(qū)的關系是焊縫金屬的回火脆化傾向性高于熱影響區(qū)。

表2　回火脆化試驗結果

圖3　沖擊吸收能量－溫度曲線

3　分析與討論

從實驗結果可以看出，不同厚度處的焊縫中心的沖擊吸收能量－溫度曲線上平臺基本處于同一溫度范圍，而不同厚度處的熱影響區(qū)的沖擊吸收能量－溫度曲線上平臺也基本處于同一溫度范圍，并且熱影響區(qū)的上平臺溫度范圍普遍較焊縫高60℃，焊接熱影響區(qū)的韌性優(yōu)于焊縫。同時，計算結果顯示，焊縫的回火脆化傾向性較焊接熱影響區(qū)高。焊縫和熱影響區(qū)的回火脆化傾向性計算數值均低于－40℃，遠低于一般工程標準中規(guī)定的－10℃的要求。

Guttmann認為［8］，晶界脆化的兩個主要控制因素是偏聚元素的影響和力學－組織結構因素的影響。偏聚元素磷是影響材料回火脆性的主要因素，本試驗中焊縫和母材的P元素含量均低于0. 005%，因此，偏聚元素的影響可以忽略不計。組織結構的影響主要是晶粒的相組成和晶粒尺寸，本試驗中，焊縫組織狀態(tài)為貝氏體和鐵素體組織形成的等軸晶，而熱影響區(qū)為粗晶，由于粗晶區(qū)的韌性優(yōu)于等軸晶區(qū)，這是熱影響區(qū)上平臺高于

焊縫并且回火脆化傾向性焊縫高于熱影響區(qū)的主要原因。

4　結語

(1)試驗的焊接接頭回火脆化傾向性遠遠低于標準規(guī)定的不大于－10℃的規(guī)定，完全滿足工程標準中對回火脆化傾向性的要求。

(2)試驗的焊接接頭焊縫金屬的回火脆化傾向性高于焊接熱影響區(qū)。

(3)焊縫和熱影響區(qū)在不同厚度處的韌性基本處于同一水平。

參考文獻

［1］林建鴻，柳曾典，吳東棣.熱壁加氫反應器運行過程中的材質劣化問題［J］.石油化工設備技術，1997，18(5):3－9.

［2］萬穎濱，林金榜.步冷處理法在Cr－Mo鋼回火脆性研究中的應用［J］.化工煉油機械，1982(3):18－23.

［3］陳國浩.大型鍛件用鋼的回火脆性［J］.特殊鋼，1995，16(5):8－14.

［4］Koreaki tamaki，Jippei Suzuki，Kohji Ryoke.Factors Affecting the Temper Embrittlement in HAZ of Cr－Mo Steel.Research reports of the Faculty of Engineering，Mie University.1992，17，page 21－36.http: / /hdl.handle.net/10076/3982.

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［8］Guttmann M.Equilibrium segregation in a ternary solution: A model for temper embrittlement［J］.Surf Sci，1975，53:213－227.

［9］API RP 934.Materials and Fabrication Requirements for 1/4Cr－1Mo＆3Cr－1Mo Steel Heavy Wall Pressure Vessels for High Temperature，High Pressure Hydrogen Service.FIRST EDITION，December 2000.

［10］Y.kusuhara，T.Sekine，T.enami，H.Ooi.用氧氣頂吹轉爐－鋼包精煉爐精煉的低回火脆化傾向的超低磷2. 25Cr－Mo鋼板.Fourth International Conference on Pressure Vessel Technology(ICPVT－4)，1980.

摘要:采用步冷試驗法對21/4Cr－1Mo鋼焊接接頭的回火脆化傾向性進行評定試驗。結果表明，由于焊縫、焊縫金屬的回火脆化傾向性，試驗焊接接頭焊接熱影響區(qū)的韌性高于焊接熱影響區(qū)。由于焊縫和母材的磷含量較低，磷偏聚對回火脆化傾向性的影響較小，而組織結構對韌性和回火脆化傾向性的影響較大。

關鍵詞:鉻鉬鋼;回火脆化;步冷試驗;熱處理

Temper Embrittlement Tendency of 21/4Cr－1Mo Steel Welding Joint in Hydrogen Atmospheret

Yang Quan，Zhao Weijun，Shen Lei，Wang Zhaomin
(Harbin Boiler Company Limited，Harbin 150046，China)

Abstract:Test study of temper embrittlement tendency for welding joint of 2Cr－1Mo steel is carried out using step cooling test method.The results show that，due to the tendency of temper embrittlement of weld metal，the toughness of the heat affected zone of test welded joint is higher than that of heat affected zone.Because the phosphorus content in the weld and base material is lower，so phosphorus segregation effect on temper embrittlement tendency is smaller，while the affect of structure on toughness and embrittlement is si gnifican.

KeyWords:Cr－Mo steel; temper embrittlement; step－cooling test; heat treatment

作者簡介:楊權(1981－)，男，現從事鍋爐壓力容器材料的應用研究工作，工程師。

收稿日期:2015－01－22