范東亮，王東峰

1.一重集團(tuán)大連核電石化公司 遼寧大連 116113

2.大連凱飛化學(xué)股份有限公司 遼寧大連 116000

1 序言

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)石化行業(yè)迅速發(fā)展，煉油裝置規(guī)模趨于大型化，為壓力容器制造業(yè)提供了良好的機(jī)遇。加氫反應(yīng)器作為煉油裝置的核心設(shè)備，具有高溫、高壓、臨氫等苛刻條件下的使用特點(diǎn)，近年來(lái)逐漸向大型化發(fā)展[1]。2.25Cr-1Mo-0.25V鋼自20世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)成功后，由于設(shè)計(jì)許用應(yīng)力大幅提高，適用溫度更高，耐氫損傷和氫剝離的性能更好等優(yōu)勢(shì)，可在保證更安全使用的前提下有效降低投資，所以迅速替代了常規(guī)2.25Cr-1Mo鋼，成為鍛焊加氫反應(yīng)器的首選材料[2，3]。

對(duì)于加氫反應(yīng)器等厚壁容器，頂部和底部彎管組焊仍采用焊條電弧焊方法，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，而且焊接質(zhì)量往往依賴(lài)于焊工的技能水平。為實(shí)現(xiàn)彎管組焊自動(dòng)焊，目前考慮兩種解決方案：全位置TIG自動(dòng)焊和埋弧焊。全位置TIG自動(dòng)焊適用于?300mm以下的小管徑管對(duì)接，對(duì)厚壁鋼管并不適用。埋弧焊方法生產(chǎn)效率高，目前存在的問(wèn)題是因熱輸入大，容易使層間溫度過(guò)高，對(duì)于2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊縫金屬的低溫沖擊韌度難以保證。

2 試驗(yàn)材料及方法

（1）試驗(yàn)設(shè)備 圖1是埋弧焊工作原理。本試驗(yàn)采用的焊接設(shè)備為懸臂式埋弧焊機(jī)和壓緊式滾輪架，如圖2所示。焊接電源采用米勒焊機(jī)，型號(hào)為Summit Arc1000，焊接機(jī)頭包括送絲機(jī)構(gòu)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、焊劑輸送機(jī)構(gòu)等。壓緊式滾輪架是帶有雙排壓緊輪裝置，通過(guò)施加壓緊力，防止管件旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生偏重和軸向竄動(dòng)。

（2）母材 母材為2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛件，滿(mǎn)足ASMEⅡ卷A篇 SA336 F22V的規(guī)定，化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表1、表2。試驗(yàn)鋼管內(nèi)徑為?396mm、壁厚54mm，加工U形對(duì)接坡口，除打底焊采用手工氬弧焊和焊條電弧焊外，其余層全部采用埋弧焊進(jìn)行焊接，如圖3所示。

圖1 埋弧焊工作原理

圖2 埋弧焊試驗(yàn)照片

圖3 試驗(yàn)件規(guī)格及坡口尺寸

2.25 Cr-1Mo-0.25V鋼的焊接性[4，5]與2.25Cr-1Mo鋼相比，前者在焊接時(shí)不僅淬硬傾向大，更容易產(chǎn)生冷裂紋，還有在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)，低溫沖擊韌性明顯低于2.25Cr-1Mo鋼。同時(shí)對(duì)回火脆性要求更加嚴(yán)格。

一般認(rèn)為，回火脆化溫度在350～550℃之間，加氫反應(yīng)器的使用溫度正處于此溫度范圍內(nèi)，因此有必要對(duì)CrMo鋼材料的回火脆性進(jìn)行評(píng)估和測(cè)試。為了在短時(shí)間內(nèi)評(píng)價(jià)脆化性能，通過(guò)步冷熱處理加速脆化的方法，進(jìn)行回火脆化傾向評(píng)定試驗(yàn)[6-8]。對(duì)于2.25Cr-1Mo-0.25V鋼，國(guó)內(nèi)各大設(shè)計(jì)院通常要求，回火脆化傾向評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿(mǎn)足vTr54+3△vTr54≤0℃。同時(shí)，工程中還使用J系數(shù)代表化學(xué)元素對(duì)回火脆性的影響，2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的J=（Si+Mn）×（P+Sn）×104≤100，J系數(shù)越大，影響越大。

（3）焊接材料 根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)要求，2.25Cr-1Mo-0.25V鋼應(yīng)選用低氫型焊接材料，熔敷金屬的力學(xué)性能和回火脆性均不低于母材性能指標(biāo)。焊接材料選用日本神戶(hù)制鋼的埋弧焊焊絲US-521H?2.4mm，匹配低氫型高堿燒結(jié)焊劑牌號(hào)為PF-500。

（4）試驗(yàn)過(guò)程 首先，對(duì)試驗(yàn)件坡口打磨后，進(jìn)行裝配固定。其次，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行預(yù)熱，采用埋弧焊方法焊接，焊后進(jìn)行中間熱處理（ISR），再進(jìn)行MT、UT、RT檢測(cè)。最后，試驗(yàn)件分割成兩件，分別模擬最小焊后熱處理和最大焊后熱處理，解剖加工試樣，進(jìn)行理化試驗(yàn)。

3 焊接工藝要點(diǎn)

2.25 Cr-1Mo-0.25V鋼管對(duì)接埋弧焊的技術(shù)難點(diǎn)在于既要提高焊接效率，又要保證焊縫沖擊韌度，可從以下方面采取措施。

（1）預(yù)熱和層間溫度 焊前預(yù)熱的目的是防止冷裂紋，預(yù)熱能夠降低焊接熱影響區(qū)的冷卻速度，避免淬硬組織的形成。根據(jù)API RP 934-A規(guī)定，2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的預(yù)熱溫度≥180℃。但層間溫度過(guò)高，引起熱影響區(qū)局部晶粒粗大，使焊縫沖擊韌度下降[5]，所以有必要控制層間溫度≤250℃。加氫反應(yīng)器筒體直徑較大，散熱條件較好，而彎管的管徑相對(duì)較小（?200～?600mm），當(dāng)焊接熱輸入一定時(shí)，焊接道次之間散熱時(shí)間較短，容易造成層間溫度過(guò)高。故埋弧焊方法僅適用于厚壁管對(duì)接，以保證連續(xù)焊接，否則應(yīng)增加有效的輔助冷卻裝置。

表1 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼力學(xué)性能

（2）焊接熱輸入 對(duì)于埋弧焊，當(dāng)焊絲規(guī)格一定時(shí)，在保證焊縫成形質(zhì)量前提下，焊接參數(shù)調(diào)整的范圍有限。而焊絲直徑改變，焊接參數(shù)才能明顯變化。在調(diào)整焊接參數(shù)時(shí)，一方面要考慮焊道成形質(zhì)量，另一方面還要考慮焊縫內(nèi)在性能表現(xiàn)[5]。當(dāng)試件規(guī)格一定時(shí)，降低焊接熱輸入，可以使冷卻速度變大，這對(duì)保證焊縫韌性有利。筒體環(huán)焊縫一般采用埋弧焊絲?4.0mm，焊接電流為500~600A，熱輸入可達(dá)3kJ/mm。根據(jù)彎管管徑小的特點(diǎn)，本次使用的埋弧焊絲為?2.4mm，熱輸入僅為2.16kJ/mm，焊接參數(shù)見(jiàn)表3。

（3）焊后熱處理 由于2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊縫金屬焊態(tài)下強(qiáng)度非常高，為防止焊接后延遲裂紋，在焊后立即實(shí)施消氫熱處理（DHT）或中間熱處理（ISR）。DHT采取消除焊縫金屬中的擴(kuò)散氫來(lái)防止延遲裂紋，而ISR不僅能消氫，還可消除焊接殘余應(yīng)力并改善焊縫韌性。而整臺(tái)反應(yīng)器全部焊接結(jié)束后，將進(jìn)行最終焊后熱處理（PWHT），這對(duì)獲得最佳綜合力學(xué)性能具有重要作用。PWHT溫度過(guò)低或時(shí)間不足，不能使焊縫充分回火，會(huì)導(dǎo)致硬度過(guò)高、韌性低。反之，隨著回火參數(shù)變大，焊縫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均出現(xiàn)下降，一定程度內(nèi)韌性改善。

API RP 934-A規(guī)定PWHT保溫制度為（705±14）℃×8h，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)綜合考慮強(qiáng)度和韌性選擇合理的PWHT條件。本試驗(yàn)采用中間熱處理（ISR）665℃×4h，最小焊后熱處理（Min.PWHT）705℃×8h，最大焊后熱處理（Max.PWHT）705℃×26h。

4 焊接工藝評(píng)定

（1）熔敷金屬化學(xué)成分 表4是熔敷金屬化學(xué)成分結(jié)果，要求值為加氫反應(yīng)器產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定?？梢?jiàn)，熔敷金屬化學(xué)成分結(jié)果均符合設(shè)計(jì)技術(shù)要求，P、Sb、Sn、As等有害元素處在較低水平，而且X系數(shù)在目標(biāo)值范圍內(nèi)。X系數(shù)是衡量2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊接材料回火脆化傾向性能的重要指標(biāo)[7，8]。X系數(shù)反映了材料中有害元素的總量對(duì)于回火脆性的影響，X系數(shù)越大，影響越大。

（2）拉伸性能和彎曲性能 表5是焊接接頭室溫拉伸試驗(yàn)、高溫拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)結(jié)果，在最小焊后熱處理和最大焊后熱處理兩種條件下焊接接頭的室溫拉伸和高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足技術(shù)要求，最大焊后熱處理比最小焊后熱處理抗拉強(qiáng)度下降約50MPa。依據(jù)NB/T 47014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，彎曲試驗(yàn)按GB/T 2653的試驗(yàn)方法測(cè)定焊接接頭彎曲性能，不允許有單條長(zhǎng)度大于3mm的開(kāi)口缺陷，試驗(yàn)結(jié)果合格。

表3 厚壁管對(duì)接埋弧焊焊接參數(shù)

表4 焊熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表5 焊接接頭拉伸性能和彎曲性能

（3）-30℃沖擊韌度和回火脆性 表6是焊縫、熱影響區(qū)、母材的-30℃沖擊值，最小焊后熱處理和最大焊后熱處理狀態(tài)下的焊縫、熱影響區(qū)的-30℃沖擊試驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足技術(shù)要求，最大熱處理狀態(tài)下的-30℃沖擊韌度優(yōu)于最小熱處理。焊縫回火脆化傾向試驗(yàn)結(jié)果為vTr54+3△vTr54=-36℃，熱影響區(qū)回火脆化傾向試驗(yàn)結(jié)果為vTr54+3△vTr54=-90℃，未發(fā)生明顯脆化。

表6 -30℃沖擊值（KV2）

5 應(yīng)用前景

加氫反應(yīng)器制造技術(shù)不斷進(jìn)步，與以往采用30°彎管相比，90°彎管可以減少焊縫的數(shù)量，目前已經(jīng)具備90°彎管整體堆焊技術(shù)。但是，90°彎管與直管之間的組焊仍采用焊條電弧焊，如果推廣使用埋弧焊方法，能夠有效提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，有利于實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化。對(duì)于厚壁管對(duì)接埋弧焊技術(shù)在90°彎管組焊中的應(yīng)用場(chǎng)景，如圖4所示。

圖4 厚壁管對(duì)接埋弧焊應(yīng)用

6 結(jié)束語(yǔ)

1）2.25Cr-1Mo-0.25V鋼管對(duì)接埋弧焊的難點(diǎn)在于，既要保證焊接效率，又要保證焊縫沖擊韌度，可通過(guò)嚴(yán)格控制預(yù)熱和層間溫度、降低焊接熱輸入等措施來(lái)保證。

2）通過(guò)采用?2.4mm埋弧焊絲進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，由于焊縫金屬化學(xué)成分、焊接接頭拉伸強(qiáng)度和彎曲性能、焊縫和熱影響區(qū)的低溫沖擊韌度、回火脆性等各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)技術(shù)要求，證明該方法具有可行性。

3）厚壁管對(duì)接埋弧焊技術(shù)在加氫反應(yīng)器90°彎管組焊中推廣使用，有利于實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化。