焊前預(yù)熱的作用及冷高壓設(shè)備焊前預(yù)熱溫度的確定*

馮 勇

（中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510620）

煉油廠的加氫裝置中有循環(huán)氫脫硫塔、循環(huán)氫脫硫塔入口分液罐、冷高壓分離器及循環(huán)氫壓縮機(jī)入口分液罐等高壓臨氫設(shè)備，其共同特點(diǎn)是壓力高（通常設(shè)計(jì)壓力可達(dá)17 MPa），溫度不高（工作溫度在60℃左右），材料一般選用Q345R（R-HIC），殼體壁厚超過100 mm，有時(shí)內(nèi)壁還會(huì)設(shè)有堆焊層保護(hù)，這些設(shè)備統(tǒng)稱為冷高壓設(shè)備。由于Q345R（R-HIC）的碳當(dāng)量并不高，往往按照NB/T 47014進(jìn)行焊接工藝評(píng)定就得出了焊前預(yù)熱的溫度。這種預(yù)熱溫度的確定方法簡單，并不能保證每個(gè)焊接接頭的安全可靠。

1 焊前預(yù)熱對(duì)預(yù)防焊接冷裂紋的影響

焊接冷裂紋的本質(zhì)是氫致開裂。這種裂紋通常是在焊接冷卻到室溫時(shí)發(fā)生，有時(shí)也會(huì)延后發(fā)生，因此又稱“延遲裂紋”。焊接時(shí)，電弧的溫度高達(dá)6 000℃，可以將藥皮、焊劑、空氣中的水及焊接接頭坡口處油脂等污染物分解成氫原子，溶解到焊接熔池中并擴(kuò)散到熱影響區(qū)。隨著熔敷金屬降溫凝固，碳鋼或低合金鋼焊縫金屬會(huì)產(chǎn)生奧氏體向貝氏體、鐵素體或馬氏體的相變，同時(shí)這些相變及降溫會(huì)導(dǎo)致焊縫金屬對(duì)氫的溶解度降低。如果焊縫溫度從高溫區(qū)快速下降到100℃以下，氫難以及時(shí)逸出金屬，又無法全部溶解到焊縫的顯微組織中，最終形成“過飽和”的擴(kuò)散氫。這些超臨界的擴(kuò)散氫在金屬中的擴(kuò)散速度很快，往往會(huì)在焊接接頭的微觀缺陷處或高應(yīng)力區(qū)聚集，并在應(yīng)力的共同作用下造成焊接接頭的開裂。

產(chǎn)生焊接冷裂紋需要以下因素共同作用：淬硬組織、超臨界的氫及局部高應(yīng)力。要控制冷裂紋的發(fā)生，就要設(shè)定合理的焊前預(yù)熱溫度，因?yàn)楹盖邦A(yù)熱可以延緩焊縫冷卻的速度［1］。P.Nevasmaa曾測(cè)試過在一定焊接條件下不同預(yù)熱溫度對(duì)焊縫金屬從最高溫度降到100℃的時(shí)間（t100）的影響（見圖1）以及不同預(yù)熱溫度對(duì)殘留氫占焊材總氫量比例的影響［2］（見圖2）。從圖1可以看出預(yù)熱溫度從20℃升高至200℃，焊縫金屬的t100從148 s延長至2 000 s。從圖2可以看出，隨著預(yù)熱溫度從20℃升高至200℃，焊接接頭中殘留氫占焊材總氫量的比例從76.4%大幅降至4.65%，這說明隨預(yù)熱溫度的升高殘留的擴(kuò)散氫更少。

圖1 預(yù)熱溫度與t100的關(guān)系

圖2 預(yù)熱溫度與殘留氫占比的關(guān)系

焊前預(yù)熱除了可以降低100℃以下焊縫金屬中的擴(kuò)散氫含量外，還可以避免焊縫與熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬組織，降低焊縫的硬度［3］。因此，焊前預(yù)熱對(duì)預(yù)防冷裂紋非常重要。

2 影響預(yù)熱溫度的幾個(gè)因素

相關(guān)人員進(jìn)行CTS（控制熱流）試驗(yàn)、斜Y坡口（小鐵研）試驗(yàn)、插銷試驗(yàn)等研究預(yù)防焊接冷裂紋的規(guī)律以及預(yù)熱溫度與其他焊接條件的關(guān)系。由于試驗(yàn)方法及試驗(yàn)數(shù)據(jù)不同，分別形成了不同的預(yù)測(cè)預(yù)熱溫度體系，其中EN 1011-2：2001中的方法B適用于合金含量不太高的低合金鋼及碳鋼，正好涵蓋了Q345R（R-HIC）材料，而且預(yù)測(cè)方法比較簡便。

2.1 碳當(dāng)量的影響

對(duì)碳鋼、低合金鋼而言，從800℃降到500℃的冷卻速度決定了焊接接頭的顯微組織和硬度，其中碳當(dāng)量對(duì)硬度的影響最大。因此碳當(dāng)量的公式常用來表達(dá)鋼材合金成分對(duì)淬硬性或氫致裂紋敏感性的影響。EN 1011-2：2001中的方法B提出來的碳當(dāng)量（CET）公式如下［4］：

隨著碳當(dāng)量的增加，焊縫金屬及熱影響區(qū)對(duì)氫致裂紋敏感性也隨之增加。為了降低焊縫開裂的風(fēng)險(xiǎn)，需要提高焊前預(yù)熱溫度來控制氫含量。碳當(dāng)量對(duì)預(yù)熱溫度的影響Tp與CET之間的關(guān)系式如下：

式中，TpCET的單位為℃。

從這個(gè)公式可以看出，碳當(dāng)量CET每增加0.01，預(yù)熱溫度就應(yīng)該增加7.5℃，這樣才能保證焊接的安全。

2.2 板厚的影響

P.Nevasmaa曾用有限元模型分析了厚板與薄板對(duì)氫擴(kuò)散時(shí)間的影響，分析結(jié)果表明，薄板的氫擴(kuò)散路徑是二維的，焊接時(shí)產(chǎn)生的擴(kuò)散氫的擴(kuò)散速度較快，一般在15 min左右降至最低值；然而對(duì)于厚板而言，氫擴(kuò)散路徑是三維的，擴(kuò)散的速度較慢，在厚板中氫擴(kuò)散的時(shí)間約是薄板的2～3倍。所以，板厚對(duì)氫擴(kuò)散有很大影響。另外，板厚的增加還會(huì)造成焊接接頭的約束度增加，提高了焊接冷裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。為了防止冷裂紋隨著板厚的增加，預(yù)熱溫度也應(yīng)隨之而增加。板厚d與預(yù)熱溫度Tp關(guān)系式如下：

式中，Tpd的單位為℃，d的單位為mm。

2.3 焊材氫含量的影響

焊材的氫含量大致可以分為三個(gè)等級(jí)：

（1）超低氫型（焊材產(chǎn)生的擴(kuò)散氫含量低于5 mL/100 g）。用于氣保焊的干凈的實(shí)心焊絲或在密閉包裝中取出的低氫型焊條，且需要在370～430℃下烘焙1 h，并在2 h內(nèi)用完。

（2）低氫型（焊材產(chǎn)生的擴(kuò)散氫含量處于5～10 mL/100 g）。在密閉包裝中取出的低氫型焊條在4 h內(nèi)用完，或使用干燥焊劑的埋弧焊。

（3）普通型（焊材產(chǎn)生的擴(kuò)散氫含量大于10 mL/100 g）。除去以上兩種情況的焊材，有時(shí)擴(kuò)散氫含量可達(dá)30 mL/100 g。

焊材產(chǎn)生的擴(kuò)散氫含量越高，焊接接頭冷卻到100℃以下的殘留擴(kuò)散氫含量也會(huì)越高，氫致開裂的風(fēng)險(xiǎn)也越高，這就需要更高的預(yù)熱溫度來保證氫消散效果。焊材氫含量HD與預(yù)熱溫度Tp關(guān)系式如下：

式中，TpHD的單位為℃，HD的單位為mL/100 g。

2.4 焊接熱輸入量的影響

隨著焊接熱輸入量的增加，焊接接頭的層間溫度會(huì)提高，降溫的時(shí)間會(huì)更長，更有利于氫的消散，這時(shí)允許預(yù)熱溫度降低。焊接熱輸入量Q往往與碳當(dāng)量CET一起影響預(yù)熱溫度Tp，關(guān)系式如下：

式中，TpQ的單位為℃，Q的單位為kJ/mm。

把式（2）、（3）、（4）、（5）加起來，就可以得到總的預(yù)熱溫度與碳當(dāng)量CET、板材厚度d、焊材氫含量HD及焊接熱輸入量Q的關(guān)系式如下

式中各參數(shù)的單位與（2）、（3）、（4）、（5）式的單位相同。

3 筒體焊接預(yù)熱溫度的計(jì)算

根據(jù)某石化企業(yè)提供的一臺(tái)冷高壓設(shè)備實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)及焊接參數(shù)得出Q345R（R-HIC）設(shè)備中各類焊縫的預(yù)熱溫度。

3.1 碳當(dāng)量的計(jì)算

設(shè)備材料Q345R（R-HIC）的實(shí)測(cè)元素成分見表1。

表1 殼體Q345R（R-HIC）的元素成分 w，%

根據(jù)公式（1），再將表1中材料的元素成分帶入后，可以求得Q345R（R-HIC）的CET為0.296 5。

3.2 焊接熱輸入量的計(jì)算

焊接熱輸入量Q的計(jì)算公式見式（7），單位kJ/mm：

式中，k為熱傳輸效率，該設(shè)備的焊接方法采用埋弧自動(dòng)焊（SAW），因此k取0.9；焊接電流I取550 A；焊接電壓U取32 V；焊接速度V取9 mm/s。

把以上數(shù)據(jù)代入到式（7），可以求得Q為1.76 kJ/mm。

3.3 預(yù)熱溫度的計(jì)算

由于制造廠采用的焊材擴(kuò)散氫含量有所不同，因此這里分別按三種類型焊條氫含量的均值來取值，如：超低氫型（HD為3 mL/100g）、低氫型（HD為7 mL/100g）和普通型（HD為15 mL/100g）分別代入式（6）計(jì)算。另外，高壓設(shè)備的各類焊縫厚度各不相同，因此我們分別按筒體厚度（d為150 mm）、封頭厚度（d為80 mm）、大直徑開口接管厚度（d為50 mm）、中等直徑開口接管厚度（d為30 mm）、小直徑開口接管厚度（d為12 mm）計(jì)算各類焊縫需要的焊前預(yù)熱溫度。計(jì)算結(jié)果見表2。從表2可以看出：

表2 各等級(jí)壁厚焊縫所需要的預(yù)熱溫度 ℃

（1）焊材的氫含量明顯影響預(yù)熱溫度，同樣條件下，采用普通型的焊材比采用低氫型的焊材預(yù)熱溫度約高40℃，而采用超低氫型的焊材比采用低氫型的焊材預(yù)熱溫度約低30℃。因此，冷高壓設(shè)備的焊材應(yīng)該盡量選用低氫型或超低氫型，以避免過高的預(yù)熱溫度。

（2）當(dāng)母材厚度超過80 mm，厚度對(duì)焊縫預(yù)熱溫度的影響微乎其微，因此封頭和筒體的預(yù)熱溫度一致，可以根據(jù)焊材低氫型或超低氫型而選用130℃或100℃。

（3）當(dāng)采用低氫型或超低氫型焊材時(shí)，對(duì)小直徑開口而言（例如DN≤80的開口），其接管壁厚往往小于12 mm，其焊接前無需預(yù)熱；其他DN＞80的開口，其接管焊接前最好預(yù)熱，焊接預(yù)熱溫度則隨接管壁厚及焊材擴(kuò)散氫的變化而有所不同。

4 結(jié) 語

（1）焊前預(yù)熱可以有效降低焊接冷裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，并且焊前預(yù)熱的溫度應(yīng)綜合考慮碳當(dāng)量、板厚、焊材氫含量及焊接熱輸入量的影響。

（2）冷高壓設(shè)備不同的焊接接頭焊前預(yù)熱溫度應(yīng)根據(jù)厚度、焊材的選用等分別討論，焊材的氫含量會(huì)明顯影響預(yù)熱溫度，而且當(dāng)焊接接頭厚度不超過80 mm時(shí)，厚度的變化也會(huì)明顯影響預(yù)熱溫度。

（3）應(yīng)量選用超低氫型的焊材，這可以有效降低焊前預(yù)熱的溫度。