12CrMo9-10 鋼埋弧焊接工藝

珠光體耐熱鋼是在普通碳素鋼中加入Cr、Mo 等合金元素， 既提高了鋼的高溫強(qiáng)度及組織穩(wěn)定性， 同時(shí)還具有良好的抗脆斷及抗氫腐蝕等性能， 通常是高溫高壓臨氫設(shè)備的首選材料

。但正是因其Cr、 Mo 等合金元素的添加， 使鋼的碳當(dāng)量升高， 導(dǎo)致其淬硬性及冷裂傾向增大；而且該鋼中Cr、 Mo 等強(qiáng)碳化物形成元素及微量元素增加了焊接接頭再熱裂紋及回火脆化傾向，使鋼的焊接性變差

， 因此焊接過(guò)程中必須采用一定的工藝措施才能獲得滿足需求的焊接接頭。 本公司承制的反應(yīng)器按照EN 13445 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造及檢驗(yàn)， 材料牌號(hào)為12CrMo9-10，屬于珠光體耐熱鋼， 相當(dāng)于SA-387 Gr22 CL2或12Cr2Mo1R 鋼， 但其化學(xué)成分及力學(xué)性能又存在不同。 為此， 本研究通過(guò)對(duì)12CrMo9-10 鋼焊接性的分析及系統(tǒng)的焊接工藝試驗(yàn)， 掌握了該鋼的焊接工藝， 為承制反應(yīng)器的焊接提供了技術(shù)保障。

1 試驗(yàn)材料

本研究項(xiàng)目規(guī)范要求12CrMo9-10 鋼及其焊材化學(xué)成分除需滿足EN10028-2 及EN ISO 24598-A標(biāo)準(zhǔn)外， 還需滿足w（P）≤0.009%、 w（S）≤0.008%、w（Cu）≤0.2%及w（Ni）≤0.3%， 且需控制Sn、 Sb、As 元素含量， 使12CrMo9-10 鋼的J 系數(shù)=（Si+Mn）×（P+Sn）×10

≤100， 焊材的X 系數(shù)=（10P+5Sb+4Sn+As）×10

＜15×10

。 本試驗(yàn)用板材與設(shè)備用鋼板具有同批號(hào)， 板材供應(yīng)商為江陰興澄特種鋼鐵有限公司， 板材厚度為75 mm， 化學(xué)成分見表1。

本試驗(yàn)采用埋弧焊焊接， 焊接材料為Bohler公司生產(chǎn)的SAFB165DC （UV 420 TTR） 焊劑與Φ4.0 mm SCrMo2 （T Union SA Cr2Mo SC） 焊絲，焊接材料的化學(xué)成分及性能需滿足EN ISO 24598-A標(biāo)準(zhǔn)要求， 實(shí)際用焊接材料化學(xué)成分見表2。

2 焊接性分析

2.1 冷裂紋敏感性試驗(yàn)

通過(guò)12CrMo9-10 鋼的化學(xué)成分， 可根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW） 碳當(dāng)量及冷裂紋敏感性指數(shù)計(jì)算方法計(jì)算鋼的碳當(dāng)量Ceq=0.926%； 冷裂紋敏感性指數(shù)Pcm=0.362。 有關(guān)研究

表明， 當(dāng)Ceq＞0.6%時(shí)， 鋼材淬硬傾向很大， 焊接性能很差； 當(dāng)Pcm＞0.25 時(shí)， 鋼材有冷裂傾向， Pcm 值越高冷裂傾向越大， 需要通過(guò)焊前預(yù)熱避免焊縫及熱影響區(qū)開裂。

本研究首先按ISO 17642-2 進(jìn)行了斜Y 形坡口焊接裂紋試驗(yàn)， 通過(guò)不同預(yù)熱溫度下的焊接接頭出現(xiàn)裂紋的傾向， 確定有效防止12CrMo9-10鋼焊接冷裂紋產(chǎn)生的最低預(yù)熱溫度。 斜Y 形坡口焊接裂紋試板型式及尺寸如圖1 所示， 先焊接拘束焊縫， 焊前先將試板預(yù)熱至200 ℃以上， 然后采用J507 焊條雙面焊接， 焊后緩冷， 檢查間隙尺寸滿足2 mm±0.1 mm， 且不產(chǎn)生角變形。

(6)冷卻:當(dāng)釜內(nèi)甲烷氣體和水穩(wěn)定在9.5 MPa后，分別設(shè)定恒溫水浴溫度為273.75 K、273.85 K和273.95 K 3個(gè)溫度值，通過(guò)冷卻釜內(nèi)溫度誘導(dǎo)甲烷氣體生成水合物。

對(duì)4 組試板的表面、 橫截面及根部進(jìn)行宏觀觀察及PT 檢測(cè)發(fā)現(xiàn)， 在預(yù)熱80 ℃焊接時(shí)， 試板的焊道表面、 橫截面及根部均發(fā)現(xiàn)裂紋； 在預(yù)熱120 ℃焊接時(shí)， 試板的橫截面及根部發(fā)現(xiàn)了裂紋； 在預(yù)熱溫度為160 ℃及200 ℃焊接時(shí)， 試板的焊道表面、橫截面及焊縫根部均未發(fā)現(xiàn)裂紋。 由此可知，12CrMo9-10 鋼焊接的最低預(yù)熱溫度應(yīng)≥160 ℃，在此預(yù)熱溫度下焊接可有效防止冷裂紋的產(chǎn)生。

2.2 再熱裂紋敏感性試驗(yàn)

12CrMo9-10 鋼中含有的P、 Sn、 Sb、 As 等雜質(zhì)元素易在原奧氏體晶界偏聚， 弱化晶界， 使晶界滑移時(shí)喪失聚合力， 導(dǎo)致晶界脆化， 從而增加了再熱裂紋的可能性

。 同時(shí)該鋼中含有Cr、Mo 等強(qiáng)碳化物形成元素， 可提高鋼的高溫性能，但這些強(qiáng)碳化物形成元素在焊接快速冷卻過(guò)程中不能充分析出， 從而形成過(guò)飽和固溶體， 在再次加熱過(guò)程中， 由于在晶內(nèi)析出強(qiáng)化， 使得殘余應(yīng)力松弛所需要的應(yīng)變或塑性變形集中于相對(duì)弱化的晶界， 當(dāng)變形量增加到大于晶界的塑性變形能力時(shí)， 就會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋

。 根據(jù)再熱裂紋敏感性指數(shù)公式可以計(jì)算出ΔG=5.2， 研究表明，ΔG＞2 時(shí)， 材料對(duì)再熱裂紋敏感

， 表明12Cr-Mo9-10 鋼具有較強(qiáng)的再熱裂紋敏感性。

同樣按ISO 17642-2 進(jìn)行了斜Y 形坡口焊接裂紋試驗(yàn)， 并采用同樣方法焊接拘束焊縫。 本試驗(yàn)4 組試樣分別在不低于160 ℃的預(yù)熱溫度下進(jìn)行焊接。 焊接完成后放置48 h， 對(duì)焊縫表面進(jìn)行PT 檢測(cè)， 檢查焊道表面是否存在裂紋； 然后分別進(jìn)行650 ℃/2 h、 690 ℃/8 h、 690 ℃/32 h和720 ℃/32 h 四種焊后熱處理工藝， 熱處理后放置48 h。 經(jīng)對(duì)4 組試件的表面、 橫截面及根部進(jìn)行宏觀觀察及表面PT 檢測(cè)， 均未發(fā)現(xiàn)裂紋， 說(shuō)明通過(guò)對(duì)原材料微量元素化學(xué)成分的特殊要求， 以及焊前預(yù)熱等焊接過(guò)程控制措施能有效避免該材料再熱裂紋的產(chǎn)生。

焊前采用電加熱板將坡口及周邊區(qū)域預(yù)熱至200 ℃以上， 且焊接過(guò)程中層間溫度≤250 ℃，并采用熱電偶進(jìn)行控溫， 始終保持在200～250 ℃進(jìn)行焊接， 焊接參數(shù)見表4， 在焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制焊接熱輸入， 并采用多層多道焊接。 焊接完成后，立即進(jìn)行350 ℃/4 h 消氫處理， 消氫處理后放置24 h 后進(jìn)行100%無(wú)損檢測(cè) （磁粉+超聲+射線），檢測(cè)合格后， 將試樣切割成兩件， 分別進(jìn)行最小焊后熱處理 （690±14 ℃/6 h） 及最大焊后熱處理（690±14 ℃/27 h）。 熱處理后再次放置24 h 后分別對(duì)兩試件進(jìn)行100%無(wú)損檢測(cè)（磁粉+超聲+射線），所有檢測(cè)合格后進(jìn)行相關(guān)的理化試驗(yàn)。

3 焊接工藝試驗(yàn)

3.1 試板的焊接及熱處理

采用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。定量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(x±s)表示，先進(jìn)行正態(tài)性分析;正態(tài)分布資料采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)、非正態(tài)分布資料采用兩獨(dú)立樣本Mann-Whitney U檢驗(yàn)，定性資料用百分?jǐn)?shù)(%)表示、采用卡方檢驗(yàn)進(jìn)行組間比較。當(dāng)P＜0.05時(shí)表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

滲瀝液中懸浮物含量過(guò)多，可造成床體孔隙堵塞，堵塞程度因懸浮物自身組成和顆粒粗細(xì)的不同而異：有機(jī)物含量較多，且顆粒粗大者，容易引起反應(yīng)床表面結(jié)皮，而細(xì)小的礦物顆粒則容易穿過(guò)表層，使床體內(nèi)堵塞。堵塞一旦發(fā)生，即對(duì)床體滲透性能、復(fù)氧過(guò)程造成嚴(yán)重影響，進(jìn)而使穩(wěn)態(tài)運(yùn)行系統(tǒng)失控。因此，滲瀝液進(jìn)入礦化垃圾反應(yīng)床之前，進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)處理工序十分必要。工程上設(shè)置了過(guò)濾器來(lái)防止礦化床被堵。

熔覆金屬化學(xué)成分見表5。 焊縫化學(xué)成分滿足EN ISO 24598-A 標(biāo)準(zhǔn)要求， 且此項(xiàng)目通過(guò)對(duì)母材、 焊材的微量元素特殊要求， 使得X 系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于15×10

， 僅為8.3×10

， 降低了焊縫中微量元素沿晶界擴(kuò)散偏析， 提高了焊接接頭抗回火脆性能力。

3.2.1 化學(xué)成分

埃塞是中國(guó)國(guó)際產(chǎn)能合作先行試點(diǎn)國(guó)家，也是“一帶一路”重點(diǎn)戰(zhàn)略合作投資國(guó)家。根據(jù)埃塞工業(yè)園政策以及以出口為主和大量解決就業(yè)項(xiàng)目，最多可以享受15年免稅，埃塞政府還可以給予一定的配套融資。這對(duì)外國(guó)投資者特別是中國(guó)企業(yè)投資埃塞是一個(gè)政策利好方面。

All the indices were measured strictly according to manufacturers’ instructions.

對(duì)最小焊后熱處理及最大焊后熱處理試件分別進(jìn)行焊接接頭常溫拉伸試驗(yàn)、 熔敷金屬482 ℃高溫拉伸試驗(yàn)、 導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)、 焊接接頭沖擊試驗(yàn)及硬度試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果分別見表6～表8。 從表6～表8 可以看出： ①經(jīng)最小焊后熱處理和最大焊后熱處理兩種條件下焊接接頭的室溫拉伸強(qiáng)度、 高溫拉伸強(qiáng)度、 導(dǎo)向彎曲沖擊韌性及硬度值均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及項(xiàng)目技術(shù)要求； ②試件最大熱處理后的抗拉強(qiáng)度及硬度比最小熱處理后的平均值有所下降， 數(shù)據(jù)總體符合焊后熱處理規(guī)范的參數(shù)對(duì)2.25Cr-1Mo類別鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度及硬度的影響。

3.2.3 回火脆化傾向評(píng)定試驗(yàn)

試樣經(jīng)分步冷卻脆化處理后應(yīng)滿足vTr55+2.5ΔvTr55≤10 ℃的要求， 其中vTr55 為步冷前沖擊功為55 J 時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度， ΔvTr55 為步冷后沖擊功為55 J 時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度增量。 通過(guò)曲線可以得出：

此試驗(yàn)?zāi)康氖窃谳^短的時(shí)間內(nèi)加速鋼的脆化， 來(lái)測(cè)定鋼材的回火脆化敏感性。 本試驗(yàn)是在最小焊后熱處理試板1/2 壁厚的焊縫及熱影響區(qū)分別取2 組試樣 （每組8 套）， 其中一組按API RP 934-A 進(jìn)行分步冷卻脆化處理。 對(duì)步冷前和步冷后的兩組試樣各進(jìn)行-100 ℃、 -80 ℃、 -60 ℃、-40 ℃、 -30 ℃、 -10 ℃、 0 ℃和20 ℃沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 和圖4 所示。

本試驗(yàn)4 組試板分別在80 ℃、 120 ℃、 160 ℃和200 ℃預(yù)熱溫度下進(jìn)行焊接。 焊接完成后放置48 h， 采用宏觀觀察及滲透檢測(cè) （PT）， 檢查焊道表面是否存在裂紋； 并分別在各組試板的試驗(yàn)焊道部位進(jìn)行切割， 檢查焊道橫截面斷面裂紋；最后將著色后試板拉斷， 對(duì)試件的焊道根部處裂紋進(jìn)行檢測(cè)。 檢查后得到的試板裂紋率見表3。

（1） 焊縫區(qū)： vTr55=-49.23 ℃， ΔvTr55=4.41 ℃， vTr55+2.5ΔvTr55=-38.21 ℃；

3.2.2 力學(xué)性能

（2） 熱影響區(qū)： vTr55=-58.13 ℃， ΔvTr55=4.26 ℃， vTr55+2.5ΔvTr55=-47.48 ℃。

焊縫和熱影響區(qū)的vTr55+2.5ΔvTr55 均小于10 ℃， 說(shuō)明焊接接頭脆化傾向不明顯。 這與對(duì)母材和焊材中的P、 Sn、 Sb、 As、 Mn、 Si 等微量元素特殊要求直接相關(guān)， 因?yàn)槟覆暮秃缚p中的雜質(zhì)元素在奧氏體晶界偏聚， 會(huì)降低晶界處Fe 原子的結(jié)合力， 材料經(jīng)受沖擊或拉伸時(shí)， 界面能較弱的晶界處很容易首先開裂， 如果材料的晶內(nèi)韌性好，裂紋就會(huì)沿晶界擴(kuò)展， 從而造成沿晶斷裂。 這與前文所述結(jié)論一致。

擬建印度WPCPL發(fā)電工程，本工程計(jì)劃建設(shè)4×135MW燃煤發(fā)電機(jī)組，按2臺(tái)機(jī)組合用1座煙囪考慮，4臺(tái)機(jī)組共設(shè)置2座220m高雙管鋼內(nèi)筒煙囪，2個(gè)煙囪中心相距118.2m，煙囪中的每個(gè)鋼內(nèi)筒內(nèi)直徑為3.5m，煙氣流速不大于25m/s。風(fēng)荷載取值可按要求折算為我國(guó)的基本風(fēng)壓。

4 結(jié) 論

（1） 當(dāng)12CrMo9-10 鋼焊接預(yù)熱溫度≥160 ℃時(shí)， 可有效防止冷裂紋的發(fā)生， 并在650 ℃/2 h、690 ℃/8 h、 690 ℃/32 h 和720 ℃/32 h 熱處理后均不會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋。

（2） 采用T Union SA Cr2Mo SC 焊絲+UV 420 TTR 焊劑的焊材組合， 預(yù)熱200 ℃以上， 層間溫度200～250 ℃， 并控制焊接線能量不高于3.0 kJ/mm，后經(jīng)模擬焊后熱處理， 12CrMo9-10 鋼焊接接頭常溫和高溫強(qiáng)度、 彎曲性能、 硬度及-30 ℃低溫沖擊韌性良好， 能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)條件要求。

（3） 焊縫金屬的回火脆化傾向試驗(yàn)結(jié)果為-38.2 ℃， ΔvTr55 僅為4.4 ℃， 熱影響區(qū)回火脆化傾向試驗(yàn)結(jié)果為-47.4 ℃， ΔvTr55 僅為4.2 ℃，焊接接頭回火脆化傾向小， 抗回火脆化性能良好。

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