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(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川德陽 618000)

0 引言

某公司承制的大型加氫反應(yīng)器，主體材料主要為2.25Cr-1Mo-0.25V。在制造過程中，筒體之間環(huán)縫及筒體與封頭之間連接焊縫多采用焊后消氫處理來替代中間消應(yīng)熱處理，此做法均參考了國外的技術(shù)參數(shù)，但從未深入研究過2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊接接頭內(nèi)部擴散氫的分布狀態(tài)及最佳的后熱消氫工藝。

本次試驗正是對上述問題開展的基礎(chǔ)研究。對厚度150 mm的2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊縫在不同后熱狀態(tài)下、不同部位的擴散氫含量進行檢測，得到不同后熱工藝狀態(tài)下擴散氫的變化規(guī)律及最佳的焊后消氫工藝。

1 試驗要求

按照預(yù)定試驗方案開展系列試驗。試驗過程中采用的試板為某公司生產(chǎn)的2.25Cr-1Mo-0.25V鍛件，試驗中涉及的鍛件均由同一批號的試板加工而成，試驗中采用的焊材也均為同一廠家、同一批號的焊材。

試驗共進行7組(A，B，C，D，E，F(xiàn)，G)不同后熱狀態(tài)下的試板焊接，每組試驗焊接試板厚度150 mm，長度600 mm。7組試板焊前預(yù)熱溫度、焊接規(guī)范參數(shù)、分割、入爐時間、出爐入水冷卻時間均相同，焊后按照預(yù)定的工藝步驟進行固氫、試樣制備、擴散氫測量。其各組試板的后熱要求及說明如表1所示。

表1 A～G組試板不同后熱狀態(tài)的工藝要求及說明

圖1 中間消應(yīng)熱處理工藝曲線

2 擴散氫試樣的制備及固氫過程

2.1 試板組對

每種狀態(tài)下的試板組對情況如圖2所示。在焊接完成后較短時間內(nèi)，快速從中間位置將焊接試板分割為2部分，一部分用來進行擴散氫的測量；另一部進行其他試驗研究。

圖2 每組試板組對后的平面圖

2.2 試板坡口形式

試驗中為了模擬產(chǎn)品的真實情況，設(shè)定其坡口形狀為U形，考慮到單邊焊接時的變形，坡口最寬處為30 mm。

2.3 擴散氫取樣位置

對于每組不同狀態(tài)下的試板，分別在不同的位置取9個擴散氫試樣，試樣尺寸為5 mm×15 mm×50 mm，質(zhì)量32 g。第1件擴散氫試樣的上表面位置距焊縫上表面3 mm；第2件擴散氫試樣的上表面位置距焊縫上表面14 mm；第3件擴散氫試樣的上表面位置距焊縫上表面30 mm，其他試樣的位置如圖3所示。

圖3 擴散氫取樣位置分布

2.4 試板的焊接

試板焊接時，采用SAW方法，焊材為日本生產(chǎn)的US-521H/PF500，焊絲直徑?4.0 mm。焊前按工藝要求對焊材進行烘干，試板焊接時的預(yù)熱溫度不得低于150 ℃，焊接層間溫度不得大于250 ℃。具體焊接規(guī)范參數(shù)見表2。

表2 試板焊接規(guī)范參數(shù)

2.5 試板固氫冷卻

對于A組試板，氣割結(jié)束后，快速將2件試板吊入裝有水+冰的水箱中進行冷卻。冷卻過程中不斷添加CO2干冰，以更好地冷卻試板。徹底冷卻后，將試板吊入預(yù)先備有大量干冰的鐵箱子中并采取保溫措施，確保試板完全處于干冰包圍狀態(tài)。隨后，將試板轉(zhuǎn)運到切割車間制備擴散氫試樣。

圖4 制備擴散氫試樣

按照圖3進行擴散氫試樣的水切割時，試驗人員隨時測量試板溫度，不斷采用干冰來冷卻，使試板處于-10 ℃以下(溫度儀下限為-10 ℃)，確保試板在較低溫度下切割。對切割下的試樣進行編號，并立即放入液氮罐中冷卻固氫，然后當(dāng)天送到試驗室，由專業(yè)人員進行擴散氫測定。

對于B～G組試板，采用類似方式進行冷卻固氫，并制備試樣，見圖4。

3 擴散氫含量測量結(jié)果

對不同后熱狀態(tài)下制備的擴散氫試塊(每組9個)進行擴散氫的檢測，參照GB/T 3965—2012 《熔敷金屬中擴散氫測定方法》(或ISO 3690：2000)中的熱導(dǎo)法進行試驗分析。檢測采用的儀器為德國生產(chǎn)的G4 Phoenix DH。該擴散氫試驗中的擴散氫試樣為純?nèi)鄯蠼饘伲c實驗室測量焊縫擴散氫不同，此次試驗不需要按照公式進行計算，檢測的結(jié)果即為試塊擴散氫的實際數(shù)據(jù)。

通過專業(yè)人員的檢測，厚度150 mm的2.25Cr-1Mo-0.25V試板在7種不同后熱狀態(tài)下，試板不同位置的擴散氫含量數(shù)據(jù)匯總見表3。

表3 厚度150 mm的2.25Cr-1Mo-0.25V試板在不同后熱狀態(tài)下的擴散氫含量 ml/100 g

注：距離是指擴散氫試樣中心到試板背面的位置高度，誤差±1 mm

圖5示出厚度150 mm的2.25Cr-1Mo-0.25V試板不同后熱狀態(tài)下截面擴散氫含量分布曲線。

從圖5可以觀察到：

(1)焊接接頭處于焊態(tài)時，其焊縫截面的擴散氫含量相對較高(見圖5中最右邊的曲線)，其焊縫中擴散氫含量最高值為1.45 ml/100 g；

圖5 厚度150 mm的2.25Cr-1Mo-0.25V試板不同后熱狀態(tài)下截面擴散氫含量分布曲線

(2)對于相同厚度的試板，當(dāng)后熱溫度變化時，其在不同位置的擴散氫含量是有差異的，當(dāng)消氫溫度越高時，其整個截面焊縫的擴散氫含量逐步降低；

(3)在不同狀態(tài)下的消氫，擴散氫均在距離150 mm試板表面15～20 mm范圍最高；

(4)對于厚度150 mm的試板，當(dāng)消氫溫度采用250，280，300，350 ℃時，其在厚度100 mm以下的擴散氫含量相差不大；

(5)350 ℃×2 h和350 ℃×4 h兩種狀態(tài)下的擴散氫分布基本相當(dāng)，說明擴散氫與溫度有關(guān)系，與保溫時間的長短無關(guān)；只要在焊后加熱到350 ℃、保溫時間2 h即可達到消氫的目的；

(6)厚度為150 mm的試板經(jīng)過660 ℃、保溫3 h后，其焊縫中的擴散氫含量最高為0.21 ml/100 g。

4 結(jié)論

(1)在不同狀態(tài)下的消氫，擴散氫均在距離150 mm試板表面15～20 mm范圍最高；

(2)焊后消氫溫度超過300 ℃，即保證2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊接接頭擴散氫含量最大為0.75 ml/100 g，其已經(jīng)遠(yuǎn)低于產(chǎn)品不大于5 ml/100 g的技術(shù)要求。