1.25C r-0.5M o-Si耐熱鋼板焊接應用研究

吳小強

中國石化國際事業(yè)有限公司 北京 100728

中國石化某煉油廠120 萬t/ a S- zorb 催化汽油吸附脫硫裝置中，脫硫反應器與再生器的筒體、封頭采用1.25Cr- 0.5Mo- Si 鋼制造。該鋼材具有良好的抗氧化性、熱強性能，以及較強的抗硫、氫腐蝕性能，被廣泛應用在石油化工加氫裂化和脫硫等設備中。但該鋼材易產(chǎn)生焊接裂紋等焊接缺陷，可焊性差，是焊接工作的一大難點。為了確保設備制造焊接質(zhì)量，需要對其進行可焊性分析，選擇合適的焊接材料，并通過一系列的焊接工藝評定方法對其力學性能加以驗證，確定合理的焊接工藝，應用于設備制造中。

1 焊接性能分析

1.25Cr- 0.5Mo- Si 鋼板的化學成分[1]見表1、力學性能見表2。由表1 可見，1.25Cr- 0.5Mo- Si 鋼中加入了Cr、Mo、Si 三種合金元素。加入Mo 元素可顯著提高鋼的高溫蠕變強度，但鉬鋼在長時間高溫作用下會產(chǎn)生組織不穩(wěn)定現(xiàn)象，尤其是0.5Mo 鋼在460℃以上長期運行會發(fā)生石墨化過程，即鋼中的碳化物以石墨形式分解而析出游離碳，從而使鋼的強度降低。加入的Cr 元素則會與游離出的碳發(fā)生反應，形成穩(wěn)定的碳化物，從而提高鋼材的組織穩(wěn)定性。當鋼中的Cr 含量超過1%時，就不再存在高溫石墨化傾向，可顯著提高鋼的熱穩(wěn)定性。但Cr、Mo等強烈碳化物形成因素的存在對提高鋼的淬硬性和冷裂紋，以及再熱裂紋的生成有很大影響，這些合金元素推遲了鋼在冷卻過程中的轉(zhuǎn)變，特別是在較高的冷卻速度下影響更為明顯。因此，焊接過程中需要采用預熱等降低冷卻速度的工藝措施。加入一定量的Mn 及Si 元素，它們能與焊縫中的O 及S 發(fā)生反應，起到脫氧與脫硫的作用，但同時也會在一定程度上增加鋼的脆性。此外，S、P、Sb、Sn、As 等殘余元素在焊接過程中會導致熱裂紋的產(chǎn)生，并且會使鉻鉬鋼及其焊接接頭在350～500℃區(qū)間長期運行時發(fā)生劇烈脆變現(xiàn)象。因此，在選用焊材焊接時應嚴格控制這些雜質(zhì)的含量，降低其回火脆性。脫硫反應器與再生器制造技術條件要求回火脆化敏感性系數(shù)應滿足X ＝（10P+5Sb+4Sn＋As）×10-2≤0.0015%。

表1 1.25Cr-0.5Mo-Si 鋼板化學成分 %

由表2 可以看出，1.25Cr- 0.5Mo- Si 鋼這種耐熱鋼除了要有良好的常溫抗拉強度、沖擊韌性外，還要保證其在高溫下有良好的力學性能，以滿足脫硫反應器與再生器的使用條件[1]。

表2 1.25Cr-0.5Mo-Si 鋼板的力學性能

2 焊接工藝制定

2.1 焊接方法選擇

埋弧自動焊因具有較高的熔敷率和較好的焊接效果而得到廣泛應用。但埋弧焊不能在任意空間位置焊接，對于小直徑管與薄壁構(gòu)件及一些埋弧焊無法進行焊接的位置，還需要采用焊條電弧焊與鎢極氬弧焊作為補充。

2.2 焊接材料選擇

焊縫的組織和性能在很大程度上取決于焊接材料，1.25Cr- 0.5Mo- Si 耐熱鋼焊接接頭應具有與母材相同的抗氧化性和熱強性，應選用焊縫性能與母材匹配的焊接材料，并且不應低于產(chǎn)品的最低性能指標。因焊后還要進行熱處理，所以應選用合金成分或強度級別較高的焊接材料；為提高焊縫金屬的抗熱裂能力，焊接材料中碳的總含量應略低于母材的碳含量；為了滿足高溫抗氫腐蝕要求，焊接材料必須保證Cr 和Mo 的含量，盡量降低焊縫中C、S、P 的含量；為了減小焊縫回火脆性，還要控制焊接材料中的含Si 量，并限制微量元素Sn、Sb、As 等含量不超標。根據(jù)不同的焊接方法，確定焊材的牌號及規(guī)格[2]，如表3 所示。

表3 焊接材料的選擇

在1.25Cr- 0.5Mo- Si 耐熱鋼焊縫金屬中，擴散氫含量的增加容易產(chǎn)生冷裂紋。低氫型焊條場合吸濕水分量與擴散氫含量的關系見圖1，吸濕水含量與焊縫金屬中產(chǎn)生氣孔數(shù)關系如圖2 所示[2]。

圖1 吸濕水分量與擴散氫含量的關系圖

圖2 吸濕水分量與焊縫金屬產(chǎn)生氣孔的關系圖

由圖1、圖2 可見，低氫焊條中含有的水分越多，擴散氫含量越高，焊縫金屬中產(chǎn)生氣孔的數(shù)量也會增加。因此，焊接材料在焊前應嚴格烘干，烘干溫度和時間[2]如表4 所示。

表4 焊材烘干溫度及時間

2.3 接頭型式

為保證接頭能夠熔透，形成焊接形狀系數(shù)大的焊縫，接頭型式應選用較大坡口與較小鈍邊。但若將坡口開的過大，則不僅消耗大量的焊材，還要費大量的工時。綜合考慮坡口的經(jīng)濟性、適用性和工藝性，采用如圖3 所示的坡口。當采用焊條電弧焊或鎢極氬弧焊時，為保證根部焊透，并防止未熔合，宜采用圖3（a）型坡口；當采用埋弧焊時，因其電弧能量較高，為防止燒穿，宜采用圖3（b）型坡口[2]。鑒于鉻鉬類耐熱鋼的淬硬傾向，試件坡口加工宜采用機械方法。焊前需徹底清除坡口表面及邊緣20mm 內(nèi)油、漆等所有雜質(zhì)，避免焊接熱輸入作用下分解產(chǎn)生水分，導致擴散氫含量增加，產(chǎn)生氣孔或冷裂紋。

圖3 焊接坡口示意圖

2.4 預熱、后熱及層間溫度控制

為降低鋼材的淬硬傾向，延緩焊縫冷卻速度，以利于氫的逸出和改善應力條件，從而降低接頭產(chǎn)生延遲裂紋的傾向，在焊前應對焊件進行預熱。1.25Cr- 0.5Mo- Si預熱焊時，熱影響區(qū)能夠形成性能較好的貝氏體組織。但如果電弧能量較低，焊件厚度較大，致使熱影響區(qū)冷卻速度過快，仍可能形成馬氏體比率較高的淬硬組織[1]。因此，應對坡口兩側(cè)不小于100mm 范圍內(nèi)均勻預熱200～300℃后及時焊接，且每條焊縫宜一次連續(xù)焊接完成，若中間間斷焊接應及時進行200～350℃的后熱，后熱時間30min。這樣可減小焊縫中氫的有害影響，降低焊接殘余應力，避免焊接接頭中出現(xiàn)馬氏體組織，從而防止氫致裂紋的產(chǎn)生。另外，繼續(xù)焊接時應對焊縫再次預熱。

焊接過程中宜采用多層多道焊。采用多層焊接可以有效提高焊縫金屬的性能。一方面由于每層焊縫變小而改善了凝固結(jié)晶的條件；另一方面，更主要的原因是后一層對前一層焊縫具有附加熱處理的作用，從而改善焊縫固態(tài)相變的組織。多道焊一方面使焊接點在Ac3 以上停留時間較短，避免了晶粒長大；另一方面，減緩了Ac3 以下的冷卻速度，從而防止淬硬組織產(chǎn)生。層間溫度應等于或稍高于預熱溫度，因?qū)娱g溫度過高會使焊縫和熱影響區(qū)的沖擊韌性有所降低。

2.5 焊接參數(shù)

焊接線能量和預熱層間溫度決定了焊縫金屬的冷卻條件，對焊縫區(qū)顯微組織有很大影響。因此，適當提高焊縫區(qū)冷卻速度對改善顯微組織、提高沖擊韌性、防止熱裂紋有利。采用低的線能量和較低的預熱層間溫度都能提高冷卻速度，但采用過低的預熱層間溫度不利于氫的逸出，易產(chǎn)生冷裂紋。所以，采用低的線能量是控制冷卻速度的主要手段，有利于細化晶粒、改善顯微組織而提高沖擊韌度、防止熱裂紋產(chǎn)生。對于不同的焊接工藝及焊材規(guī)格,使用的焊接規(guī)范參數(shù)[3]見表5。

表5 焊接參數(shù)選擇

2.6 焊后熱處理

焊后熱處理是利用金屬高溫下強度的降低，把彈性應變轉(zhuǎn)變成塑性應變，不僅能消除焊接殘余應力，還能改善組織，提高接頭的綜合力學性能，包括提高接頭高溫蠕變強度與組織穩(wěn)定性，降低焊縫熱影響區(qū)及焊縫硬度等。根據(jù)這種鋼材的使用溫度要求，焊后進行690±14℃的熱處理[3]。

3 焊接工藝評定

3.1 試件

焊接工藝評定所用1.25Cr- 0.5Mo- Si 鋼試件均為600mm 長、150mm 寬的鋼板[4]，根據(jù)現(xiàn)場需要選擇表6 所示規(guī)格的鋼板進行評定。

表6 焊接工藝評定要求

3.2 工藝評定結(jié)果

3.2.1 無損檢測

試板經(jīng)焊接、熱處理后外觀檢查合格，內(nèi)部質(zhì)量經(jīng)X射線檢測,結(jié)果見表7。

表7 射線探傷結(jié)果

3.2.2 試件機械性能

根據(jù)《鋼制壓力容器焊接工藝評定》及“某煉油廠120萬噸/ 年S- zorb 催化汽油吸附脫硫裝置脫硫反應器、再生器說明書”的規(guī)定檢驗試樣，進行性能測定，沒有發(fā)現(xiàn)任何缺陷，評定合格。試件機械性能[2]試驗結(jié)果見表8—表11。由表可見，熱處理后，試件的高溫拉伸性能、彎曲與沖擊等力學性能符合要求，焊接接頭力學性能有了明顯改善。焊后熱處理降低了鋼材的淬硬程度，成功消除了焊接殘余應力，使試件的硬度有所降低，都在225HB 以下[2]，符合要求。

表8 試件拉伸性能試驗結(jié)果

3.2.3 焊縫化學成分分析

焊縫化學成分分析結(jié)果見表12，由表可見，由于使用了正確的焊接材料，焊縫金屬的化學成分與母材相匹配，這對保證焊接接頭擁有良好的抗氧化性、熱強性能，以及較強的抗硫、氫腐蝕性能具有重要意義。

表9 試件彎曲試驗結(jié)果

表10 試件沖擊試驗結(jié)果

表11 試件熱處理后的硬度值

4 焊接實際應用

在中國石化股份有限公司某煉油廠120 萬t/ a S- zorb 催化汽油吸附脫硫裝置的脫硫反應器與再生器的焊接施工中，針對1.25Cr- 0.5Mo- Si 的焊接特點，制定了該焊接工藝。并結(jié)合焊接工藝評定編制焊接工藝指導書，指導生產(chǎn)。施工中，嚴格執(zhí)行焊接工藝，取得了良好的效果。但焊接時需注意以下幾方面：

（1）焊前要預熱到規(guī)定溫度，要求熱透且溫度分布均勻、溫度控制準確，宜使用電加熱法[5]；

（2）每道焊縫焊接完成后，應徹底清除焊道表面熔渣，并進行表面檢驗[5]；

（3）焊接過程中，要使用測溫儀監(jiān)控層間溫度；

表12 焊縫化學成分分析

（4）焊接過程中因故中斷焊接應進行后熱，再次焊接前應進行檢查，確認無裂紋后方可按原工藝要求繼續(xù)施焊[5]；

（5）焊后熱處理應按確定的熱處理參數(shù)嚴格控制升溫、恒溫和降溫過程。