2.25Cr1MoV钢埋弧焊工艺评定

GXF360 2017-12-18

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2.25Cr1MoV钢埋弧焊工艺评定

汪沛1，王庆江2，胡鹏亮2

(1.山东齐鲁石化机械制造有限公司，山东淄博255400;2.哈尔滨威尔焊接有限责任公司，哈尔滨，150028)

0 前言

加氢反应器是加氢装置的核心设备，操作条件苛刻，工况比较恶劣，近年来，为了提高原油利用率，增加经济效益，2.25Cr1Mo钢制加氢装置日趋大型化、厚壁化，为了降低设备重量，采用综合性能更好的2.25Cr1MoV钢来代替传统的2.25Cr1Mo钢制造反应器。2.25Cr1MoV钢具有高强度、抗氢腐蚀能力强、抗氢脆性能显著、回火脆化倾向小、抗氢致剥离性能优良等特点［1］，采用此钢种制造的加氢反应器，可降低设备重量约30%，极大地降低了设备的制造成本，但由于该钢种的特殊性，尤其是钒的加入恶化了其焊接性，焊接接头的冲击韧性及硬度极易突变，对国内加氢设备制造厂商来说，这又是一个检验水平和能力的关口。

山东齐鲁石化机械制造有限公司作为国内加氢设备制造商之一，为保住相应的市场份额，开发2.25Cr1MoV钢的制造技术就显得尤为迫切。针对这一情况，根据设计院的技术要求，并结合我们多年的经验，开展了工艺开发及性能研究工作。

1 试验材料

1.1 母材

试验用2.25Cr1MoV钢，其供货状态为正火+回火态，符合ASME标准要求，回火温度一般不低于675℃。其化学成分应满足表1的要求，力学性能应满足表2的要求。表2中VTr54为步冷脆化处理前(最小模拟焊后热处理)的夏比冲击吸收功为54 J时的对应温度;△VTr54为按步冷脆化热处理后(最小模拟焊后热处理+分步阶梯冷却热处理)，与经最小模拟焊后热处理后的夏比冲击吸收功为54 J时，对应温度的变化量。

表1 2.25Cr1MoV钢化学成分 (质量分数，%)

Mn V Si P S Cr Mo 0.10 ～0.16 0.27 ～0.63 0.25 ～0.35 ≤0.10 ≤0.008 ≤C 0.005 1.95 ～2.60 0.87 ～1.13 Ti Ca Nb Ni Cu Sn Sb As≤0.030 ≤0.015 ≤0.07 ≤0.20 ≤0.20 ≤0.010 ≤0.003 ≤0.012

表2 2.25Cr1MoV钢力学性能要求

检测项目室温抗拉强度Rm/MPa室温屈服强度ReL/MPa高温(454℃)屈服强度Rp0.2/MPa断后伸长率A(%)断面收缩率Z(%)－30℃低温冲击吸收能量KV2/J冷弯实验硬度(HV10)步冷脆化评定试验合格值 585～760 415～620 ≥340 ≥18 ≥45≥54(三个试样平均值，允许一个试样≥48)弯曲180度，无裂纹≤245 VTr54+3.0△VTr54≤0℃

1.2 焊接材料

焊接材料的选择，主要考虑三方面的因素。一是强度匹配原则，焊材的力学性能与母材应匹配，包括经过长时间和短时间热处理时，室温及高温下强度和冲击韧性等值要达到指标。二是焊材的主要合金元素的含量与母材相匹配，进而控制焊缝与母材具有基本相同的抗氢性和高温抗氧化性，最新研究表明，焊缝金属含碳量过低，长时间的焊后热处理会促使铁素体形成，从而导致冲击韧性的下降，所以2.25Cr1MoV钢用焊材的最佳碳含量应控制在0.08% ～0.12%，在这种含碳量下，焊缝金属具有较高的冲击韧性和与母材相当的蠕变强度［2］。三是要严格控制焊材中杂质微量元素的含量，满足焊材的回火脆化敏感性系数X=(10P+5Sb+4Sn+As)×10－2≤15ppm，焊材回火脆化倾向评定试验VTr54+3.0△VTr54≤0℃的要求，以保证焊接接头具有较低的回火脆性［3］。

参考国内外焊接该类钢时选用的焊接材料，试验中选用了US－521H/PF－500埋弧焊丝焊剂。

2 2.25Cr1MoV钢焊接性分析

2.1 2.25Cr1MoV 钢成分分析

根据国际焊接学会(IIW)碳当量计算公式可计算出2.25Cr1MoV钢的最大碳当量为:CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15(%)=1.11%，2.25Cr1MoV钢具较强的冷裂纹倾向。由于2.25Cr1MoV钢中含有一定含量的 Cr，Mo，V，Nb等强碳化物形成元素，导致焊接过热区具有一定的再热裂纹倾向［4］。另外，设备长时间在400～500℃范围内运行，焊缝中P，Sn，Sb，As及S等杂质元素在原奥氏体晶界偏聚倾向较大，降低了焊缝金属的晶界结合力，造成沿晶断裂［5］，因此，2.25Cr1MoV 钢还具有一定的回火脆性敏感性，为降低回火脆性敏感性，直接方法是降低这些杂质元素在焊材中的含量。

2.2 2.25Cr1MoV钢焊接预热温度确定

由于2.25Cr1MoV钢既具有冷裂纹倾向，又具有再热裂纹倾向，预热温度过低，焊接时容易形成冷裂纹，预热温度过高，会导致焊接接头的冲击韧性下降，焊接接头易产生再热裂纹，因此选用焊材时，按GB4675.1—1984规定的“斜Y型坡口焊接裂纹试验方法”进行焊接接头冷裂纹敏感性试验，经试验确定2.25Cr1MoV钢焊接有效防止冷裂纹产生的最低预热温度为175℃。

3 2.25Cr1MoV钢埋弧自动焊工艺评定

3.1 焊接及焊后热处理工艺

(1)焊接前需对焊接设备及测温设备进行校准，确保仪表读数正确。焊剂使用前进行(300～350℃)×(2～4)h烘干处理。

(2)试验用试板开U形坡口，钝边7 mm，形式如图1所示，坡口采用机械加工，焊接前试板坡口表面打磨，并进行100%磁粉检测，确保表面无缺陷。

图1 焊接试板坡口形式

(3)将试板在焊接平台上组对，并进行刚性固定，焊前试板均匀预热不小于180℃。

(4)采用IDEALARC AC-1200型交流埋弧焊机焊接，焊后立即进行350℃ ×(3～4)h去氢处理。预热及去氢处理采用自制氧－乙炔火焰加热工装进行，试验过程中采用远红外线测温枪测量试板预热温度、层间温度及去氢处理温度。

(5)试验中采用埋弧焊丝US-521H，焊丝直径4.0 mm，焊剂PF-500，交流电源，焊接工艺参数见表3。

(6)去氢处理结束24 h后对试板进行100%RT+100%UT+100%MT检测。

(7)焊接试板进行炉内焊后热处理。试验中对焊接接头进行两种热处理状态下的研究:分别为705℃×8 h和705℃ ×28 h。

表3 最佳焊接工艺参数

电源极性/℃AC 500～600 32～34 450～500 ≤焊接电流I/A焊接电压U/V焊接速度v/(mm·min－1)焊接热输入Q/(kJ·cm －1)层间温度T 32 180～230

3.2 焊缝性能试验结果

3.2.1 焊缝金属成分分析

焊缝金属的化学成分见表4，从表4中可以看出，焊缝中主要合金元素Cr，Mo及V的含量适中，C含量控制合理，化学成分符合要求，杂质元素P，Sb，Sn及As的含量均控制在较低的水平，抗回火脆化系数:X=(10P+5Sb+4Sn+As) ×10－2=8.20 ppm≤15 ppm，J=(Si+Mn) × (P+Sn) ×104=92.4≤100，且P+Sn=0.007%≤0.012%，焊缝金属抗回火脆性好。

表4 焊缝金属化学成分(质量分数，%)

Si Mn S P Cu标准值 0.05～0.15 0.05～0.35 0.50～0.30 ≤0.010 ≤0.010 ≤元素C 0.20实测值 0.10 0.17 1.17 0.003 0.006 0.12元素 Cr Mo Nb Sn Sb As标准值 2.00～2.60 0.90～1.20 0.01～0.04 ≤0.015 ≤0.004 ≤0.010实测值 2.39 1.01 0.025 0.001 0.003 0.003元素 Ni B V标准值 ≤0.20 ≤0.002 0.2 ～0.4实测值0.05 0.0005 0.32

3.2.2 拉伸试验

在经过705℃ ×8 h和705℃ ×28 h焊后热处理的试板上分别截取试样，按NB/T47014—2011标准及加氢反应器制造技术要求进行试验。

拉伸试样采用机械方法加工，按照GB/T 2652—2008和GB/T 228—2010要求进行，分别在最大焊后热处理和最小焊后热处理条件下，在试板的T/4，1T/2，3T/4处各取样1件，板状试样取样分别在经过705℃×8 h和705℃ ×28 h焊后热处理试板上各取样两件，经过705℃ ×8 h热处理后焊缝金属常温拉伸试验结果见图2和图3，常温拉伸(板试样)试验结果见图4，高温拉伸(圆形试样)试验结果见图5和图6。

图2 焊缝金属常温拉伸试验结果(705℃×8 h)

图3 焊缝金属常温拉伸试验结果(705℃×28 h)

图4 接头板拉试验结果

图5 焊缝金属高温拉伸试验结果(705℃×8 h)

图6 焊缝金属高温拉伸试验结果(705℃×28 h)

图2 ～图6的试验结果表明:

(1)在705℃ ×28 h最大和705℃ ×8 h最小热处理后焊接接头的常温和高温下抗拉强度、屈服强度等结果均满足标准及加氢反应器制造技术条件的要求。

(2)从试板T/4，2T/4，3T/4厚度处取样试验，相同热处理状态下各处抗拉强度、屈服强度值稳定，断后伸长率适中，差值较小，焊接接头厚度方向上各处强度分布均匀。

(3)焊接接头经705℃ ×28 h焊后热处理后的拉伸性能与经705℃ ×8 h焊后热处理相比较，发现经过705℃ ×28 h处理后，强度降低，断后伸长率增加，塑性增加。

3.2.3 弯曲试验

按照NB/T47014—2011《承压设备焊接工艺评定》标准在最大和最小模拟焊后热处理试板上分别截取4组弯曲(侧弯)试样，试样规格为200 mm×75 mm×10 mm，试样包含焊缝区、热影响区和母材区。按 GB/T2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》进行冷弯试验，弯曲后在受检测面未发现缺陷，焊接接头具有良好的塑性、延展性和均匀性。

3.2.4 冲击试验

在经过705℃ ×8 h和705℃ ×28 h焊后热处理试板上，焊缝和热影响区的T/4，T/2，3T/4厚度处位置分别取样进行－30℃下的夏比V型缺口冲击试验，试样加工要求及试验标准按GB/T 2650-2008《焊接接头冲击试验方法》进行，焊缝和热影响区冲击功见图7～图8。

图7 焊缝和热影响区冲击吸收能量(705℃×8 h)

图8 焊缝和热影响区冲击吸收能量(705℃×28 h)

图7 和图8试验结果表明:

(1)在705℃ ×28 h和705℃ ×8 h焊后热处理后，－30℃下焊缝和热影响区的冲击吸收能量远远高于54 J的要求值，韧性余量充足，储备高，满足要求。

(2)相同热处理状态下的不同厚度取样得到的冲击功平均值相差较小，因此焊接接头全厚度方向上冲击韧性比较均匀。

(3)经过708℃ ×28 h焊后热处理与708℃ ×8 h焊后热处理状态下冲击功相比较，焊后热处理时间长，冲击韧性有下降趋势。

3.2.5 硬度试验

在最大和最小模拟焊后热处理试板上取样，采用HV－1000维氏硬度计，分别测量焊缝区、热影响区、母材区的硬度，试验结果见图9。

图9 焊接接头硬度

从图9的试验结果可以看出，焊缝和热影响区硬度值均小于245(HV10)要求值。经过705℃ ×8 h焊后热处理的硬度值比经过705℃×28 h的硬度值高10个单位左右。随着热处理时间延长，硬度降低，强度随之降低，塑性、韧性提高，这与前面最大热处理后强度比最小热处理后拉伸强度有所降低，其变化趋势基本相一致。

3.2.6 焊缝、热影响区回火脆性评定试验

步冷试验处理采用API 934中规定的冷却方法，见图10，目前，国际上2.25Cr1MoV钢通常以试验结果VTr54+3.0△VTr54≤0℃为合格标准，即分步冷却前冲击吸收能量为54 J时相应的转变温度与经分步冷却脆化后冲击吸收能量为54 J时相应的转变温度的增量之和应小于等于0℃为合格。式中VTr54为试样经最小模拟焊后热处理后夏比冲击功为54 J时的转变温度;△VTr54为试样经最小模拟焊后热处理+分步冷却脆化处理后夏比冲击功为54 J时转变温度的增量［6］。

经过705℃ ×8 h热处理后，再进行回火脆性试验，分焊缝区和热影响区两组分别进行。在试板T/2位置的焊缝区和热影响区各取18组试样，每组3件(每件规格56 mm×12 mm×12 mm)，其中一半试样直接加工成夏比V型缺口冲击试样，另外一部份进行分步阶梯冷却处理，处理后再加工成冲击试样。冲击试样规格为55 mm×10 mm×10 mm，缺口也加工成夏比V型缺口。

图10 分步冷却脆化热处理工艺曲线

将分步冷却脆化处理前、后的27个试样分别做40℃，20℃，0℃，－10℃，－30℃，－40℃，－60℃，－80℃，－100℃系列温度下的冲击试验(每个温度3个试样)。根据冲击吸收能量做出分步冷却脆化处理前、后的脆性转变温度曲线，在曲线上找出冲击吸收能量在54 J时的转变温度VTr54以及经分步冷却脆化处理后的转变温度的增量△VTr54，求出回火脆化韧性指标VTr54+3.0△VTr54 之值。

焊缝区:VTr54+3.0△VTr54= －49.3+3.0 ×( －43+49.3)= －30.4 ℃≤0 ℃;

热影响区:VTr54+3.0△VTr54= －99.5+3.0 ×( －96.9+99.5)= －91.7 ℃≤0 ℃。

试验结果表明:焊缝和热影响区回火脆性试验结果均远远低于0℃的标准要求值，焊接接头抗回火脆性好，能够满足标准及加氢反应器制造技术条件的要求。

3.3 金相组织

焊接接头金相制尺寸为10 mm×10 mm×10 mm，加工完成后，采用5%的硝酸酒精腐蚀，在LEICA MPS 30型金相显微镜下观察组织形貌。焊缝区和热影响区金相显微照片见图11和图12。

图11 焊缝及热影响区显微组织(705℃×8 h)

图12 焊缝及热影响区显微组织(705℃×28 h)

从上面图片可以看出，经最小和最大热处理后的焊接接头焊缝区和热影响区组织均为贝氏体+少量铁素体，采用本研究的焊接和热处理的工艺后，焊接接头微观组织形貌能够满足加氢反应器制造技术条件的要求。