宋相華

(中石化第十建設有限公司，山東 青島 266555)

某公司長期承擔石油化工建設行業(yè)方面的施工，管道焊接、管道焊縫焊后熱處理施工是其中一項重要的施工內容和施工工序。常見施工標準中只對焊后熱處理最短保溫時間進行了限制，對最長保溫時間卻未提出要求。延長焊后熱處理保溫時間對焊接接頭的性能會產生怎樣的影響?是否會導致材料的過度軟化和性能變差?本文將針對上述問題進行探討。

1 材料介紹

A335 P11(以下簡稱P11)是美標無縫鋼管鋼號，執(zhí)行標準ASTM A335/A335M—2019。P11屬于鉻鉬合金鋼，組織為珠光體＋鐵素體，通常是退火狀態(tài)或正火＋回火狀態(tài)供貨【2】，鋼中添加鉻、鉬元素來提高高溫蠕變強度，最高溫度可達550℃，其化學成分和力學性能分別見表1和表2。

表1 A335 P11化學成分

表2 A335 P11力學性能

2 A335 P11材料熱處理工藝

2.1 焊后熱處理

焊后熱處理是指焊接工作完成后，將焊件加熱到一定溫度(材料的相變溫度Ac1以下)，保溫一定時間，使焊件緩慢冷卻下來，以改善焊接接頭的金相組織和性能、消除殘余應力的一種焊接熱處理工藝。在現(xiàn)場施工條件下的焊后熱處理，系指對焊接接頭進行高溫回火，即只對焊縫及其附近區(qū)域進行加熱，然后緩慢冷卻，降低焊接應力的峰值，使應力分布比較平緩，同時防止產生裂紋，改善焊縫及近縫區(qū)的金屬組織與性能，起到部分消除焊接應力的目的。

2.2 熱處理工藝

2.2.1 加熱方法選擇

焊接熱處理常用的加熱方法有電加熱和火焰加熱，施工現(xiàn)場較普遍采用柔性陶瓷電阻加熱的方法。本次試驗為了準確研究不同焊后熱處理保溫時間對焊接接頭性能的影響，保證熱處理效果，采用了箱式電阻爐加熱，即將整個焊件放入爐內加熱，可使溫度控制更為精確。

2.2.2 熱處理溫度選擇

A335 P11材料管道的焊接及熱處理工藝按照SH/T 3520—2015《石油化工鉻鉬鋼焊接規(guī)范》、SH 3501—2011《石油化工有毒、可燃介質鋼制管道工程施工及驗收規(guī)范》執(zhí)行，以上施工規(guī)范對P11材料管道的焊接及熱處理要求基本一致，即要求焊前預熱不低于150℃、后熱200～350℃保溫時間不少于30 min、壁厚超過13 mm的管道焊接完成后還需做650～700℃的焊后熱處理【3】。由于鉻鉬鋼有再熱裂紋傾向，并且存在一個最易產生再熱裂紋的溫度范圍(即500～600℃之間)，因此焊后熱處理溫度應避開這一敏感溫度區(qū)間，升、降溫時，應盡快通過該區(qū)，且避免在此溫度區(qū)間停留【4】。同時，焊后熱處理溫度的選擇不應高于材料最終回火溫度。本次試驗選擇675℃。

3 試件焊接與熱處理工藝設置

3.1 試件焊接

焊件選用規(guī)格為DN 600 mm×59.54 mm的A335 P11材料管道，供貨狀態(tài)為930℃×4 h(正火)＋695℃×8 h(回火)，化學成分和力學性能分別見表3和表4;焊接方法為手工鎢極氬弧焊打底＋焊條電弧焊填充、蓋面，用同焊工、同工藝、同層數(shù)、同道數(shù)焊接。焊材化學成分見表5，焊材熔覆金屬力學性能見表6。

表3 A335 P11鋼管的化學成分

表4 A335 P11鋼管的力學性能

表5 焊材化學成分

表6 焊材熔覆金屬力學性能

坡口型式和焊接層道分別如圖1(a)和圖1(b)所示，相關焊接參數(shù)見表7。

表7 焊接參數(shù)

圖1 坡口型式和焊接層道

3.2 熱處理工藝設置

為了對比不同焊后熱處理保溫時間對焊接接頭性能的影響，設置了3組保溫時間，具體設置見表8。

表8 熱處理工藝設置

實際熱處理工藝記錄曲線見圖2(a)～圖2(c)。

圖2 實際熱處理工藝記錄曲線

3.3 評定試驗

評定試驗按照NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》標準執(zhí)行。根據(jù)評定要求，分別對3種焊后熱處理保溫時間的焊接接頭進行了無損檢測和機械性能試驗，試驗項目包括常溫拉伸、500℃高溫拉伸(見圖3)和沖擊(見圖4)以及硬度(見圖5)檢測、橫向側彎、金相分析。常溫下的主要機械性能數(shù)據(jù)見表9，500℃高溫拉伸性能數(shù)據(jù)見表10。

圖3 高溫拉伸試驗及斷裂位置

圖4 沖擊試驗及斷口形貌

圖5 硬度試驗及焊縫截面

4 結果分析

對上述試驗數(shù)據(jù)分析如下:

1)從表9～表10的試驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著焊后熱處理保溫時間的增加，各項數(shù)據(jù)表現(xiàn)出一定的規(guī)律，性能基本穩(wěn)定。

表9 常溫下的主要機械性能數(shù)據(jù)

表10 500℃高溫拉伸試驗數(shù)據(jù)

2)從表9可以看出，隨著焊后熱處理保溫時間的增加，常溫下的抗拉強度值有所下降(見圖6)，0℃時的沖擊值有比較明顯的提高(見圖7)。

圖6 不同熱處理保溫時間下的抗拉強度變化

圖7 不同熱處理保溫時間下的0℃沖擊值變化

3)從表10可以看出，在500℃高溫時，隨著焊后熱處理時間的增加，抗拉強度、屈服強度有所降低，延伸率、斷面收縮率有所提高，但是隨著焊后熱處理保溫時間的繼續(xù)延長，各項性能數(shù)據(jù)又有所回升。

4)分析形成以上試驗結果的原因，一方面，根據(jù)焊后消應力熱處理的原理，隨著焊后熱處理保溫時間的增加，焊接接頭內部的殘余應力會得以釋放，時間越長，應力釋放越徹底，但使得材料有所軟化，導致抗拉強度、屈服強度下降，塑、韌性提高。另一方面，焊后消應力熱處理是在材料的Ac1線以下溫度進行，材料的金相組織不會發(fā)生相變，但是，通過查閱文獻可知，隨著焊后熱處理保溫時間的增加，原本的最大鐵素體晶粒尺寸將會減小，鐵素體晶粒尺寸波動范圍減小，鐵素體組織會變得相對均勻。同時，焊后消應力熱處理時，原本的組織中會有碳化物析出。碳化物主要成分為M23C6，主要沿鐵素體晶界以及內部析出，可以細化鐵素體晶粒。隨著焊后熱處理保溫時間的增加，碳化物析出越來越多，細化作用也越明顯。碳化物的析出主要體現(xiàn)為亞晶粒尺寸的減小。

5 結論

通過上述試驗結果分析可知:隨著焊后熱處理保溫時間的增加，常溫下的抗拉強度值有下降的趨勢，焊縫金相組織有細化的現(xiàn)象，0℃時的沖擊韌性值有比較明顯的提高;在500℃進行熱拉伸試驗時，隨著焊后熱處理時間的增加，抗拉強度、屈服強度有所降低，延伸率、斷面收縮率有所提高，但是隨著焊后熱處理保溫時間繼續(xù)延長，抗拉強度、屈服強度又有增加的趨勢。