范陽(yáng)陽(yáng) 繆興平 楚成剛

摘要：加氫反應(yīng)器用2.25Cr-1Mo-0.25V鋼配套焊接材料長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口，針對(duì)2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊條進(jìn)行配方研制。焊條采用鋼芯過(guò)渡合金方式，C、Si、Mn、Cr、Mo、V、Nb等合金元素全部通過(guò)高純凈度合金鋼芯過(guò)渡，在不同電流水平下均能夠獲得成分穩(wěn)定的高純凈度焊縫金屬。焊條藥皮的配方設(shè)計(jì)采用高堿度低氫配方渣系，具有良好的焊接工藝性。焊條擴(kuò)散氫含量達(dá)到H4超低氫水平，在不低于150 ℃的預(yù)熱溫度下進(jìn)行焊接，能有效抵抗冷裂紋。工藝評(píng)定結(jié)果顯示，在不同熱處理狀態(tài)下，焊條的室溫拉伸、高溫拉伸、-30 ℃夏比沖擊、側(cè)彎、硬度、回火脆化等試驗(yàn)結(jié)果均可滿(mǎn)足2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊材技術(shù)要求，特別是低溫沖擊韌性的穩(wěn)定性較好，未出現(xiàn)離散低值。鋼芯過(guò)渡合金的配方設(shè)計(jì)方式，保證了整個(gè)焊道成分和組織均勻性，是保證整個(gè)接頭獲得穩(wěn)定性能的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：2.25Cr-1Mo-0.25V鋼;焊條;合金鋼芯;沖擊韌性

中圖分類(lèi)號(hào)：TG422.1? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）01-0023-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.03

0? ? 前言

加氫反應(yīng)器是石油煉化裝備加氫裂化工藝的核心裝備，通常工作在高溫、高壓、充氫環(huán)境下，成品壁厚可達(dá)350 mm以上，單臺(tái)噸位超過(guò)3 000 t，代表了高端裝備設(shè)計(jì)和制造的最高水平。

加氫反應(yīng)器技術(shù)水平的進(jìn)步離不開(kāi)耐熱鋼的發(fā)展。目前，2.25Cr-1Mo-0.25V鋼是加氫反應(yīng)器的首選材質(zhì)。通過(guò)添加V-Nb元素，鋼材的強(qiáng)度與2.25Cr-1Mo鋼相比進(jìn)一步提高，高溫蠕變斷裂性能有所改進(jìn)，能夠有效減小加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)壁厚，并且抗氫剝離、抗氫腐蝕以及耐回火脆化的能力進(jìn)一步提高[1]。

國(guó)內(nèi)以一重、二重等企業(yè)為代表的裝備制造企業(yè)已經(jīng)解決了2.25Cr-1Mo-0.25V鋼大型鍛件的均勻化、致密化和各向同性難題，并且具備了世界一流的加氫反應(yīng)器制造能力。然而，制造過(guò)程所需的配套焊接材料卻長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口，成為制約加氫反應(yīng)器制造完全國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。2.25Cr-1Mo-0.25V鋼配套焊接材料的國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)，一方面能夠填補(bǔ)加氫反應(yīng)器制造產(chǎn)業(yè)鏈的空白，另一方面能夠降低制造企業(yè)的焊材采購(gòu)成本及周期。為此，進(jìn)行了加氫反應(yīng)器用2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊條的研制。

1 配方設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)難點(diǎn)

2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊條成品主要技術(shù)難度如下：（1）多種熱處理?xiàng)l件下，焊縫金屬同時(shí)滿(mǎn)足焊材技術(shù)條件對(duì)于室溫拉伸性能、高溫拉伸性能、低溫沖擊韌性、硬度、側(cè)彎、耐回火脆化等性能的要求;（2）焊縫金屬純凈度高， P、As、Sn、Sb等痕量元素嚴(yán)格受控;（3）良好的焊接工藝性及抗裂性。

目前，國(guó)內(nèi)企業(yè)在使用進(jìn)口焊材過(guò)程中，同時(shí)完全滿(mǎn)足上述要求也具有一定的困難，特別是-30 ℃低溫沖擊韌性容易出現(xiàn)離散低值[3]。產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性對(duì)焊條設(shè)計(jì)的合金過(guò)渡均勻性、微合金強(qiáng)韌化穩(wěn)定性都提出了極高的要求。

1.2 配方設(shè)計(jì)

為了針對(duì)性地解決上述難點(diǎn)，國(guó)產(chǎn)焊條（牌號(hào)XY-ECr2MoV）在配方設(shè)計(jì)中采取了如下措施：

（1）焊條采用鋼芯過(guò)渡合金方式。C、Si、Mn、Cr、Mo、V、Nb等合金元素全部通過(guò)焊條的鋼芯過(guò)渡，確保不同焊接條件下均能夠獲得成分均勻穩(wěn)定的焊縫。傳統(tǒng)的低合金鋼焊條設(shè)計(jì)時(shí)，多采用碳鋼鋼芯，通過(guò)在藥皮中添加合金顆粒完成合金過(guò)渡，制造成本和技術(shù)難度低，但是，焊接電流的波動(dòng)、焊接位置變化、合金原材料的粒度和成分穩(wěn)定性都會(huì)極大影響合金的燒損和過(guò)渡，焊縫成分整體波動(dòng)大，局部均勻性差。

（2）焊條鋼芯采用專(zhuān)用高純合金鋼芯，向焊縫過(guò)渡合金的同時(shí)，嚴(yán)格控制S、P、Sb、Sn、As、Pb、Bi等有害元素，保證焊縫金屬的高純凈度。

（3）焊條藥皮的配方渣系設(shè)計(jì)采用高堿度低氫配方。藥皮配方采用CaCO3-MgCO3-CaF2-SiO2為主的渣系。多種碳酸鹽聯(lián)合應(yīng)用并優(yōu)化含量配比，不同CO2氣體分解溫度的組合使焊條具備良好的吹力，多種分解產(chǎn)物進(jìn)入熔渣后調(diào)節(jié)熔渣流動(dòng)性并使凝固后渣殼具備良好的脫渣性，保證良好的焊接工藝性。

完成了φ3.2 mm、φ4.0 mm和φ5.0 mm多種規(guī)格的焊條開(kāi)發(fā)，并選擇規(guī)格最大的φ5.0 mm焊條，按照加氫反應(yīng)器用2.25Cr-1Mo-0.25V焊材技術(shù)要求開(kāi)展全面評(píng)估。

2 焊條使用性評(píng)估

2.1 焊接工藝性

對(duì)于φ5.0 mm規(guī)格的焊條，推薦電流范圍為190～240 A。選擇制造廠常用的較大規(guī)范，在2.25Cr-1Mo-0.25V母材試板中進(jìn)行試驗(yàn)，焊接電源極性為直流，焊接參數(shù)如表1所示。

焊條脫渣前和脫渣后的焊縫成形如圖1所示。 焊接后渣殼自動(dòng)翹起并斷裂，整體自動(dòng)脫渣。脫渣后焊縫表面呈青色金屬光澤，魚(yú)鱗紋均勻，焊縫邊緣飛濺較少。焊條具有良好的焊接工藝性。

2.2 冷裂紋敏感性

焊接冷裂紋的主要影響因素為殘余擴(kuò)散氫含量、淬硬組織和殘余應(yīng)力。其中，擴(kuò)散氫主要來(lái)源于焊接材料，而淬硬組織產(chǎn)生主要與焊接接頭的化學(xué)成分和焊接過(guò)程的熱循環(huán)有關(guān)[4-5]。

采用德國(guó)布魯克G4 Phoenix DH擴(kuò)散氫測(cè)試儀測(cè)試了焊條的擴(kuò)散氫，含量為2.9 mL/100 g，符合H4超低氫要求。

按照ISO 17642-2-2005《金屬材料焊接的有損試驗(yàn) 焊接的冷裂試驗(yàn) 弧焊工藝 第2部分自束試驗(yàn)》進(jìn)行了斜Y型坡口鐵研式焊接裂紋試驗(yàn)，評(píng)定焊縫及熱影響區(qū)冷裂紋的敏感性，試驗(yàn)?zāi)覆臑?.25Cr-1Mo-0.25V鋼。分別在預(yù)熱 150 ℃、180 ℃和 200 ℃條件下進(jìn)行試驗(yàn)，每種條件下焊 2 塊試件。

試樣焊接完成后置放48 h，對(duì)焊縫表面采用肉眼及PT檢測(cè)，3組試樣的焊道表面均未發(fā)現(xiàn)裂紋，表面裂紋率為0。對(duì)焊縫斷面進(jìn)行線(xiàn)切割加工，每個(gè)試樣取5個(gè)斷面磨平并腐蝕后觀察其斷面裂紋。3組試樣的斷面均未發(fā)現(xiàn)裂紋，其中預(yù)熱溫度最低的一組（150 ℃）試樣的斷面檢查結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在不低于150 ℃的預(yù)熱溫度下進(jìn)行焊接，能有效抵抗冷裂紋的發(fā)生。根據(jù)2.25Cr-1Mo-0.25V制造工藝，產(chǎn)品制造時(shí)預(yù)熱溫度不低于180 ℃，焊條冷裂紋敏感性可滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)制造工藝的需要。

2.3 焊縫成分穩(wěn)定性

分別在190 A、220 A、240 A焊接電流下堆焊純?nèi)鄯蠼饘伲弊x光譜成分分析結(jié)果如表2所示。

隨著焊接電流的增加， C-Si-Mn-Cr等與O親和力大于Fe的元素的燒損均有所增加，焊縫主要合金元素的含量均有一定程度的降低。但是，由于焊條的合金過(guò)渡全部來(lái)源于合金鋼芯，電流條件變化對(duì)合金過(guò)渡過(guò)程影響較小，焊縫合金元素波動(dòng)幅度有限。從痕量元素來(lái)看，采用高純凈度鋼芯的焊縫金屬中，P、As、Sn、Sb等雜質(zhì)元素完全受控，有利于焊縫的沖擊韌性以及耐回火脆化性能。

3 焊條性能評(píng)估

按照NB/T 47014承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定及加氫反應(yīng)器用2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊接材料技術(shù)要求，于制造廠完成了φ5.0 mm規(guī)格焊條的工藝評(píng)定，焊縫金屬的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)要求。

3.1 試驗(yàn)材料及檢測(cè)項(xiàng)目

試驗(yàn)鋼板使用2.25Cr-1Mo-0.25V鍛件，加工為

500 mm×200 mm×40 mm規(guī)格試板后組合焊接坡口，坡口根部間隙18 mm，坡口角度30°。按照表1中焊接參數(shù)完成了4對(duì)試板的焊接。按照2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊材技術(shù)條件，進(jìn)行最小熱處理（705±

14 ℃×8 h）以及最大熱處理（705±14 ℃×32 h）。焊縫金屬的力學(xué)性能試驗(yàn)部分包括：室溫拉伸、高溫拉伸、-30 ℃夏比沖擊、硬度、側(cè)彎、回火脆化評(píng)定。

回火脆化試驗(yàn)是對(duì)焊縫金屬進(jìn)行步冷試驗(yàn)以判斷其回火脆化的敏感性[6]。步冷前和步冷后各取8組不同溫度下的沖擊試驗(yàn)試樣，每個(gè)溫度下進(jìn)行3個(gè)試樣的沖擊試驗(yàn)，繪制轉(zhuǎn)變溫度曲線(xiàn)并計(jì)算回火脆化評(píng)定結(jié)果。其中，步冷前為最小熱處理狀態(tài)下的試樣，步冷后為最小熱處理狀態(tài)試樣進(jìn)一步按照步冷溫度曲線(xiàn)完成回火脆化試驗(yàn)的試樣，步冷試驗(yàn)溫度曲線(xiàn)如圖3所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

焊接過(guò)程中，焊條成形及脫渣性良好。試板焊接完成后，按照J(rèn)B4730-2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了RT探傷，均為Ⅰ級(jí)合格，未見(jiàn)氣孔、夾渣、未熔合等焊接缺陷。

評(píng)定試板的T/2位置焊縫金屬的化學(xué)成分如表3所示，與堆焊金屬成分基本一致。最小熱處理和最大熱處理后，T/2處焊縫金屬的室溫拉伸試驗(yàn)及-30 ℃夏比沖擊試驗(yàn)的結(jié)果如表4所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，焊縫金屬符合2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊材技術(shù)條件，具有較大的室溫強(qiáng)度和低溫沖擊韌性裕度，特別是低溫沖擊韌性的穩(wěn)定性較好，未出現(xiàn)離散低值。

按照2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應(yīng)器常用的設(shè)計(jì)溫度454 ℃和482 ℃進(jìn)行T/2處純焊縫金屬高溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示，滿(mǎn)足技術(shù)條件要求。

最小熱處理和最大熱處理后，焊接接頭的4倍彎頭180°側(cè)彎試樣共4件均未發(fā)現(xiàn)裂紋。焊接接頭的硬度分布僅考核最小熱處理狀態(tài)，焊縫的多點(diǎn)HV10硬度分布于195～209之間，滿(mǎn)足HV10≤248的技術(shù)要求。

按照?qǐng)D2所示的2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊材步冷試驗(yàn)程序，完成了焊縫金屬的回火脆化試驗(yàn)，并分別繪制步冷前和步冷后的沖擊功轉(zhuǎn)變溫度關(guān)系曲線(xiàn)，試樣經(jīng)分步冷卻脆化處理后應(yīng)滿(mǎn)足式（1）要求：

VTr54+3ΔVTr54≤0℃? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中 VTr54為步冷前沖擊功為54 J時(shí)相應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度;ΔVTr54為步冷后沖擊功為54 J時(shí)相應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度增量，如圖4所示，圖中曲線(xiàn)A和曲線(xiàn)B分別為步冷前和步冷后的沖擊功與試驗(yàn)溫度的曲線(xiàn)。

焊縫金屬的回火脆化試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯缚p金屬經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間熱循環(huán)后的脆化傾向不明顯，具有良好的耐回火脆化性能。

4 分析與討論

XY-ECr2MoV焊條的各項(xiàng)性能結(jié)果均符合技術(shù)要求，特別是在最小和最大熱處理狀態(tài)下，焊縫金屬均具有穩(wěn)定的沖擊韌性。最小熱處理后的沖擊斷口形態(tài)如圖6所示。從沖擊斷口形貌來(lái)看，呈韌窩分布特征，斷裂區(qū)域的微觀組織為塑性破壞，與焊縫的高塑韌性檢測(cè)結(jié)果一致。

對(duì)沖擊試樣的金相組織進(jìn)行了分析，如圖7所示。焊縫金屬為均勻的回火貝氏體組織，殘留M/A島元組織在鐵素體基體上呈現(xiàn)無(wú)序分布特征，在沖擊過(guò)程中能夠有效延緩裂紋的擴(kuò)展，因此使焊縫金屬表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度和塑韌性特征[7]。

由于焊條采用合金鋼芯過(guò)渡，熔滴形成及過(guò)渡過(guò)程受焊接過(guò)程中電流波動(dòng)的影響小，能夠在整個(gè)焊道上獲得均勻穩(wěn)定的成分及微觀組織，因此有效避免了同一組沖擊試驗(yàn)中出現(xiàn)離散低值的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

（1）完成了國(guó)產(chǎn)2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊條XY-ECr2MoV的配方設(shè)計(jì)。焊條鋼芯采用高純凈合金鋼芯，不同電流水平下焊縫合金過(guò)渡穩(wěn)定。焊條藥皮的配方渣系設(shè)計(jì)采用高堿度低氫配方渣系，焊條擴(kuò)散氫含量達(dá)到H4超低氫水平。

（2）焊條具有良好的焊接工藝性，焊后自動(dòng)脫渣，成形規(guī)則。斜Y型冷裂紋試驗(yàn)結(jié)果表明，焊條在不低于150 ℃的預(yù)熱溫度下進(jìn)行焊接，能有效抵抗冷裂紋的發(fā)生。

（3）在不同熱處理狀態(tài)下，焊條的室溫拉伸、高溫拉伸、-30 ℃夏比沖擊、側(cè)彎、硬度、回火脆化等試驗(yàn)結(jié)果均可滿(mǎn)足2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊材技術(shù)要求，特別是低溫沖擊韌性的穩(wěn)定性較好，未出現(xiàn)離散低值。鋼芯過(guò)渡合金的配方設(shè)計(jì)方式，保證了整個(gè)焊道成分和組織均勻性，是保證整個(gè)接頭獲得穩(wěn)定性能的關(guān)鍵。

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