12Cr2MoWVTiB鍋爐用低合金鋼管焊接工藝

喬平 池寧 朱寧

摘 要：本文針對(duì)12Cr2MoWVTiB低合金貝氏體耐熱鋼（鋼研102），在鍋爐過(guò)熱器蛇形主蒸汽管的應(yīng)用，通過(guò)焊接性分析、工藝試驗(yàn)及工藝評(píng)定，研究制定合理的焊接工藝方案，滿足了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量和使用性能。

關(guān)鍵詞：鋼研102管；焊接性；焊接工藝

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.058

1 前言

為延長(zhǎng)鍋爐過(guò)熱器的使用壽命，攀鋼發(fā)電廠新制作安裝的240t/h鍋爐高溫過(guò)熱器蛇形管采用材質(zhì)為12Cr2MoWVTiB的鋼管，其規(guī)格Φ42×5mm。由于12Cr2MoWVTiB鋼焊接性較差，工作時(shí)壓力為7.82MPa，又在高溫環(huán)境下運(yùn)行使用，對(duì)焊縫質(zhì)量和使用性能要求較高。為保證焊接質(zhì)量，根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，要求做焊接工藝試驗(yàn)及焊接工藝評(píng)定，以制定出合理的工藝及措施，來(lái)保證焊縫質(zhì)量和焊接接頭的使用要求。

2 12Cr2MoWVTiB鋼管焊接特點(diǎn)

2.1 化學(xué)成分分析

12Cr2MoWVTiB鋼的化學(xué)成分見表1。它是一種貝氏體型的低合金耐熱鋼，以Cr、Mo、V、Ti為主要合金元素，Cr能顯著地提高鋼的熱穩(wěn)定性，Mo的固溶強(qiáng)化和V的彌散強(qiáng)化提高了鋼的高溫性能。在鉻鉬鋼中加入釩、鈮、鈦、鎢和硼等碳化物形成元素，彌散分布的碳化物可以強(qiáng)化鐵素體基體，同時(shí)提高鋼它的蠕變強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性。該鋼采用了固溶強(qiáng)化、穩(wěn)定碳化物相、晶界強(qiáng)化多種強(qiáng)化等手段，使它具有良好的綜合力學(xué)性能、工藝性能和相當(dāng)高的持久強(qiáng)度。

2.2 焊接性分析

12Cr2MoWVTiB鋼焊接時(shí)有下列特點(diǎn)：①按其合金含量具有的一定淬硬傾向。在熱循環(huán)決定的冷卻速度條件下，焊縫金屬和熱影響區(qū)可能易產(chǎn)生冷裂紋，并且可能出現(xiàn)熱影響區(qū)的硬化、軟化；②鋼中含有Cr、Mo、V、Ti等強(qiáng)烈的碳化物形成元素，從而使接頭過(guò)熱區(qū)具有產(chǎn)生再熱裂紋的傾向；③鋼材及其焊接接頭，具有明顯的回火脆性；④當(dāng)焊接材料選擇不當(dāng)焊縫中有可能產(chǎn)生熱裂紋。

2.2.1 冷裂紋傾向

碳鋼和低合金鋼的淬硬性取決于它的碳含量、合金成分及其含量。12Cr2MoWVTiB鋼中的主要合金元素鉻和鉬等都顯著地提高了鋼的淬硬性。這些合金元素推遲了鋼在冷卻過(guò)程中的轉(zhuǎn)變，提高了過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性。由于淬硬組織和擴(kuò)散氫的作用，在焊接接頭中可能出現(xiàn)冷裂紋。

根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)提供的低合金鋼碳當(dāng)量公式：

CE=C++

按表1數(shù)據(jù)，計(jì)算得到：CE=0.892%。CE數(shù)值越大，被焊材料淬硬傾向越大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)碳當(dāng)量值達(dá)到0.45%以上時(shí)，就容易產(chǎn)生冷裂紋。因此焊接過(guò)程應(yīng)采用低氫型焊條并控制焊接熱輸入，以及適當(dāng)?shù)念A(yù)熱、后熱等措施，來(lái)避免產(chǎn)生焊接冷裂紋。

2.2.2 消除應(yīng)力處理裂紋傾向

低合金耐熱鋼焊接接頭消除應(yīng)力裂紋傾向主要取決于鋼中碳化物形成元素（Mo、V等）及其含量、焊接工藝措施。可以用PSR裂紋指數(shù)表示鋼的消除應(yīng)力裂紋的敏感性。

PSR=（%Cr）+（%Cu）+2（%Mo）+10（%V）+7（%Nb）+5（%Ti）-2

計(jì)算得到：PSR=6.5。當(dāng)PSR≥0時(shí)，就有可能產(chǎn)生再熱裂紋。由此可見12Cr2MoWVTiB材料有產(chǎn)生應(yīng)力裂紋的可能較大。應(yīng)力裂紋出現(xiàn)在焊縫熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，與焊接工藝及焊接殘余應(yīng)力有關(guān)。消除應(yīng)力裂紋一般在500℃～700℃的敏感溫度范圍。為防止消除應(yīng)力裂紋，可采取下列措施：

①選用優(yōu)于母材的焊接材料，限制母材和焊接材料的合金成分，特別是要嚴(yán)格限制V，Ti等合金元素的含量；

②采用低線能量焊接工藝，適當(dāng)提高預(yù)熱溫度和道間溫度，縮小焊接過(guò)熱區(qū)寬度，細(xì)化晶粒；

③選擇合理的熱處理、避免在敏感溫度區(qū)間停留較長(zhǎng)時(shí)間。

2.2.3 回火脆性

鉻鉬鋼及其焊接接頭在350℃～500℃的回火脆性溫度與其雜質(zhì)含量有密切關(guān)系，母材中P、As、Sb、Sn等雜質(zhì)元素在奧氏體晶界偏析而引起的晶界脆化。

為了盡可能地減小焊接接頭回火脆性傾向，應(yīng)盡量控制接頭中雜質(zhì)含量，特別是降低焊縫金屬中的O，Si和P的含量。

3 焊接工藝

3.1 焊接方法與焊接材料的選擇

3.1.1 焊接方法

根據(jù)12Cr2MoWVTiB的焊接特點(diǎn)以及我公司的設(shè)備、材料準(zhǔn)備情況。決定采用手工鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接。因氬弧焊用于管道生產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，它還具有超低氧的特點(diǎn)，焊接時(shí)還可適當(dāng)降低預(yù)熱溫度。

3.1.2 焊接材料

根據(jù)焊縫金屬的合金成分與強(qiáng)度性能基本符合母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值或應(yīng)達(dá)到產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定的最低性能指標(biāo)的原則，選擇與鋼相對(duì)應(yīng)的焊絲牌號(hào)H08Cr2MoWVNbB。

4 焊接工藝及操作要點(diǎn)

4.1 焊前準(zhǔn)備

（1）焊前采用砂輪打磨清理坡口兩側(cè)各20mm范圍內(nèi)的加工面上的毛刺、鐵銹，并用丙酮擦洗坡口表面上的氧化膜、油污等，還應(yīng)將焊絲表面的防銹油清除干凈。

（2）鋼管組對(duì)蛇形管時(shí)采用對(duì)管器組對(duì)。應(yīng)做到內(nèi)壁齊平，盡量減小錯(cuò)邊。錯(cuò)邊量應(yīng)控制不超過(guò)壁厚的10%以內(nèi)。坡口基本型式及尺寸如圖1所示。

（3）定位焊接時(shí)所用焊絲牌號(hào)、規(guī)格及工藝參數(shù)與正式焊接相同。

（4）焊前預(yù)熱溫度可通過(guò)鋼材的碳當(dāng)量值CE來(lái)估算：預(yù)熱溫度T0=350。根據(jù)公式估算出T0≈280℃，因此確定預(yù)熱溫度為260～300℃。

4.2 焊接工藝參數(shù)

4.3 整個(gè)焊接過(guò)程中控制層間溫度略高于預(yù)熱溫度

層間溫度高控制在300度～350度之間，略高于中碳鋼預(yù)熱溫度50度左右，利用擴(kuò)散氫的逸出。

4.4 操作要點(diǎn)

（1）底層焊接操作時(shí)焊槍應(yīng)均勻而平穩(wěn)地向前做直線運(yùn)動(dòng)，可以采用斷續(xù)點(diǎn)滴的填絲方式填絲，在氬氣保護(hù)區(qū)內(nèi)焊絲向熔池邊緣以滴狀形式往復(fù)加入；蓋面焊時(shí)焊絲放在熔池中連續(xù)送進(jìn)，焊槍可做輕微橫向擺動(dòng)并控制熔池大小和熔合好兩坡口邊緣。焊槍、焊絲與管縫焊接操作時(shí)的相對(duì)角度圖2所示。

（2）氬氣流量要合適，流量過(guò)小，沒有挺度，會(huì)導(dǎo)致在焊接過(guò)程中，空氣侵入熔池，造成保護(hù)不良，流量過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生紊流，也會(huì)影響保護(hù)效果。熄弧后，不能立即關(guān)閉氬氣，必須等到鎢極呈暗紅色后才能關(guān)閉，時(shí)間為5～10s，以防止母材及鎢極在高溫時(shí)被氧化。

4.5 焊后熱處理

12Cr2MoWVTiB鋼由于有消除應(yīng)力裂紋傾向和回火脆性，焊后熱處理應(yīng)盡量避免在敏感溫度區(qū)間進(jìn)行，在危險(xiǎn)溫度區(qū)間范圍內(nèi)應(yīng)較快加熱速度。焊后熱處理工藝曲線如圖3所示。

5 焊后檢驗(yàn)

（1）焊接接頭冷卻到室溫后，經(jīng)外觀檢查焊縫表面無(wú)氣孔、夾渣、未熔合、裂紋、咬邊等缺陷，焊縫表面尺寸均控制在NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

（2）對(duì)所有焊縫進(jìn)行X射線無(wú)損探傷均不低于Ⅱ級(jí)片。

（3）按GB2649-89標(biāo)準(zhǔn)截取試樣加工后，進(jìn)行接頭的拉伸、冷彎和沖擊檢驗(yàn)，均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值以上。

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)12Cr2MoWVTiB低合金貝氏體耐熱鋼管應(yīng)用于鍋爐的過(guò)熱器，進(jìn)行焊接性能分析，制定出合理的焊接工藝及措施，保證了焊接接頭的質(zhì)量和高溫使用性能要求。現(xiàn)已生產(chǎn)運(yùn)行3年半，未發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量問(wèn)題，延長(zhǎng)了鍋爐高溫過(guò)熱器管的使用壽命。

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[4]NB/T47014-2011.承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定[S].

作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)唐剑?970-），男，重慶人，大專，二級(jí)電焊工技師，從事焊接工藝研究與焊接操作。