氨合成塔用2.25Cr-1Mo 鋼的焊接及熱處理工藝研究

李英杰，李亞鵬，郝曉東，劉 斌

（山西陽煤化工機(jī)械（集團(tuán)）有限公司，山西 太原 030032）

引言

氨合成塔是在高壓、高溫下使氮?dú)夂蜌錃獍l(fā)生催化反應(yīng)進(jìn)行氨合成的設(shè)備，是合成氨的關(guān)鍵設(shè)備。我公司承制的某年產(chǎn)40 萬t 聚酰胺一體化項(xiàng)目30 萬t/a 合成氨裝置，其關(guān)鍵設(shè)備氨合成塔下封頭及其接管材料為2.25 Cr1Mo 的ASME 材料。采用厚度為50 mm 的SA336 F22 CL3 鍛件進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。該材料符合ASME SA336 標(biāo)準(zhǔn)要求，與國內(nèi)12Cr2Mo1（H）材料類似，為低合金耐熱鋼，室溫組織為貝氏體，具有高溫持久強(qiáng)度、抗氧化性、較好的抗蠕變性能和抗氫腐蝕能力[1]，使用溫度在370℃～565℃范圍內(nèi)。但由于鋼中含有較高的Cr、微量的P、Sn、Sb、As 等元素，鋼材的淬硬傾向較大，焊接性能較差，特別是對(duì)于厚板的焊接，在焊接的過程中容易產(chǎn)生冷裂紋、焊接熱影響區(qū)硬化、熱處理后產(chǎn)生再熱裂紋等缺陷及較高的回火脆化傾向[2-5]。因此，合理的制訂焊接工藝及焊后熱處理工藝，對(duì)焊接接頭性能至關(guān)重要。本文對(duì)50 mm 厚的SA336 F22 CL3 鍛件對(duì)接埋弧焊工藝進(jìn)行了探索，獲得了性能優(yōu)良的焊接接頭，為產(chǎn)品的制造提供了質(zhì)量保證。

1 實(shí)驗(yàn)原材料及工藝

根據(jù)NB/T47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定及力學(xué)性能試驗(yàn)[6-7]。實(shí)驗(yàn)原材料選用某公司的SA336 F22 CL3 鍛件。試樣的規(guī)格尺寸為500mm×125mm×50mm，12 件6 付，坡口采用機(jī)械加工成U 形坡口，坡口及焊層分布如第172 頁圖1 所示。焊接方法采用雙面埋弧自動(dòng)焊，背面清根。焊絲焊劑選用型號(hào)F9P2-EG-B3，符合標(biāo)準(zhǔn) AWS A5.23，牌號(hào)分別為日本神鋼的US-521S/PF-200。焊前清理坡口及表面的油污、水份、鐵銹等雜質(zhì)，坡口表面進(jìn)行100%MT 檢測(cè)，符合NB/T47013.4-2015 中I 級(jí)合格，確保無氣孔、裂紋等缺陷。焊接過程中的焊接工藝參數(shù)如第172 頁表1所示。分步冷卻處理曲線見第172 頁圖2。因在高溫回火溫度下，P、Sn、Sb、As 等微量元素會(huì)在原奧氏體晶界偏聚而導(dǎo)致接頭脆化，而Mn、Si 等合金元素與上述雜質(zhì)元素在晶界發(fā)生共偏聚，促進(jìn)雜質(zhì)元素的富集而加劇脆化，因此需要控制母材及焊縫回火脆化敏感系數(shù)，即系數(shù)J 和系數(shù)X。根據(jù)式（1）和式（2）對(duì)SA336 F22 CL3 鍛件的系數(shù)X 和系數(shù)J 進(jìn)行計(jì)算，以確定材料的回火脆化敏感系數(shù)在要求范圍之內(nèi)。

圖2 分步冷卻處理曲線

表1 焊接工藝參數(shù)

圖1 試板坡口與焊層分布

式中：式中元素以其質(zhì)量分?jǐn)?shù)代入，如0.15%應(yīng)以0.15 代入。

通過SA336 F22 CL3 鍛件化學(xué)成分實(shí)測(cè)值得X為9×10-6，J 為75，滿足要求，可以試驗(yàn)。

按標(biāo)準(zhǔn)推薦選擇最低預(yù)熱溫度200 ℃[4-5]，防止焊接冷裂紋及對(duì)低溫沖擊韌性的影響。道間溫度小于250 ℃，焊后立即進(jìn)行消氫處理（加熱至300 ℃～350 ℃，保溫3 h）。焊后對(duì)焊接試件進(jìn)行焊后熱處理，其中2 付進(jìn)行Max.PWHT，剩余4 付進(jìn)行Min.PWHT，分別在690 ℃±14℃溫度條件下保溫28 h和3 h，升溫速度都為55 ℃/h～100 ℃/h，降溫速度控制在55 ℃/h～130 ℃/h，當(dāng)溫度小于300 ℃以后，在靜止的空氣中冷卻。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試板焊后焊縫寬度、余高均勻，無咬邊、焊瘤等表面缺陷。熱處理前后分別對(duì)焊縫進(jìn)行100%射線探傷檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格，焊縫內(nèi)部未出現(xiàn)裂紋、氣孔、夾渣等焊接缺陷，焊縫質(zhì)量良好。

大模擬熱處理后分別進(jìn)行全焊縫室溫拉伸（T/2）和焊接接頭室溫拉伸各1 件（編號(hào)依次為1#、2#、3#）。全焊縫高溫拉伸和焊接接頭高溫拉伸各1件（取樣位置T/2 處，試驗(yàn)溫度480℃）（編號(hào)依次為1#、2#）。-30℃夏比（V 型缺口）沖擊試驗(yàn)，焊縫、熱影響區(qū)、母材各3 件（編號(hào)依次為1#、2#、3#）。測(cè)試結(jié)果如表2、表3 和表4 所示。

表2 室溫條件下的拉伸性能結(jié)果

表3 480℃溫度條件下的拉伸性能結(jié)果

小模擬熱處理后進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)，4 件試樣全部在彎心半徑40 mm、彎曲角度180°下未發(fā)現(xiàn)缺陷對(duì)。并進(jìn)行-30℃夏比（V 型缺口）沖擊試驗(yàn)，焊縫、熱影響區(qū)、母材各3 件（編號(hào)依次為4#、5#、6#），測(cè)試結(jié)果如表4 所示。對(duì)焊縫金屬進(jìn)行化學(xué)成分分析，并按本文中式（1）和式（2）計(jì)算X 系數(shù)和J 系數(shù)，分析和計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

表4 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表5 焊縫化學(xué)成分分析結(jié)果

從表2 可以看到，經(jīng)過最大模擬熱處理后的全焊縫和焊接接頭抗拉強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，接頭帶肩板狀拉伸斷裂位置為母材，說明焊縫強(qiáng)度會(huì)更高一些。480℃下焊縫和接頭高溫拉伸屈服強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可滿足高溫使用性能。經(jīng)過最大和最小模擬焊后熱處理的焊縫、母材、熱影響區(qū)的沖擊功值符合標(biāo)準(zhǔn)要求，說明在一定范圍內(nèi)熱處理保溫時(shí)間的對(duì)接頭沖擊韌性影響不大，但從數(shù)據(jù)中不難看出，母材韌性明顯優(yōu)于焊縫和熱影響區(qū)。焊縫金屬化學(xué)成分在標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)文件要求的母材化學(xué)成分要求的范圍之內(nèi)，經(jīng)計(jì)算X 系數(shù)為6.9×10-6，滿足設(shè)計(jì)文件≤15×10-6的要求，說明焊縫與母材一樣具備較小的回火脆化敏感性。

小模擬熱處理后的其中2 付進(jìn)行保溫時(shí)間總計(jì)約200 h 的分步冷卻脆化處理，處理曲線如圖2。其中，Min.PWHT 后，焊縫及熱影響區(qū)各加工V 型缺口沖擊試樣1 套（8 組共24 件）；Min.PWHT+階梯冷卻后，焊縫及熱影響區(qū)各加工V 型缺口沖擊試樣1 套（8 組共24 件）；每套在以下8 個(gè)溫度下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度依次為-80 ℃、-60 ℃、-40 ℃、-30 ℃、-10 ℃、0 ℃、20 ℃和40 ℃。焊縫和熱影響區(qū)回火脆化傾向評(píng)定試驗(yàn)的沖擊與試驗(yàn)溫度的關(guān)系曲線分別如圖3 和圖4 所示。

圖3 焊縫沖擊功與試驗(yàn)溫度關(guān)系曲線

圖4 熱影響區(qū)沖擊功與試驗(yàn)溫度關(guān)系曲線

沖擊功與試驗(yàn)溫度的關(guān)系曲線擬合后，滿足本文中式（3）的要求。其中，焊縫和熱影響區(qū)的VTr54+2.5△VTr54 值分別為-39.15℃和-45.33℃。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上確定了焊接接頭擁有較小的回火脆化傾向。

式中：VTr54 為經(jīng)Min.PWHT 后的夏比沖擊功為54 J時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度，℃；△VTr54 為經(jīng)Min.PWHT+S.C 后和經(jīng)Min.PWHT 后的夏比沖擊功為54 J 時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度的增量，℃。

3 結(jié)論

1）對(duì)厚度為50 mm 的2.25Cr-1Mo 鋼采用對(duì)接U 型坡口，埋弧自動(dòng)焊焊接工藝參數(shù)及熱處理工藝的選擇合理，焊接接頭性能優(yōu)良，表面成形良好。

2）焊接接頭的平均拉伸強(qiáng)度可達(dá)550 MPa 以上，斷裂于母材，焊縫性能更優(yōu)。480 ℃時(shí)焊接接頭的屈服強(qiáng)度可達(dá)300 MPa，高溫性能優(yōu)良。焊縫及熱影響區(qū)在-30 ℃時(shí)的沖擊功平均為100 J 以上，韌性儲(chǔ)備充足。側(cè)彎180°后，未見裂紋產(chǎn)生。焊接接頭的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均滿足要求。根據(jù)化學(xué)成分分析并計(jì)算焊縫的X 系數(shù)在要求范圍內(nèi)，通過對(duì)接頭的焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行了回火脆化傾向評(píng)定試驗(yàn)，滿足標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。

3）通過對(duì)2.25Cr-1Mo 鋼厚板埋弧焊焊材的選擇、合理的焊接參數(shù)及熱處理工藝制定，有效防止了接頭的回火脆化。制訂出了滿足產(chǎn)品生產(chǎn)要求的焊接工藝評(píng)定，為產(chǎn)品的制造提供了理論基礎(chǔ)。