原作者：黃嗣羅
出處：
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【關(guān)鍵詞】爐管,焊接工藝,回火脆化 【論文摘要】進行了Cr-1Mo爐管焊接工藝試驗和接頭性能檢驗，選擇了合適的焊接規(guī)范和熱處理回火參數(shù)，接頭經(jīng)回火脆化敏感性試驗，其脆化溫度增量遠低于控制指標。 |
中圖分類號：TG 44； TQ 054 文獻標識碼：B
我廠承制的北京燕山石化6 萬t/a乙烯裂解爐對流段，材料全部由日本進口。其中一組爐管材料為Cr-1Mo，規(guī)格為168 mm×27 mm，其設(shè)計壓力21.9 MPa，設(shè)計溫度516 ℃，屬于高溫高壓工況條件。我廠雖有多年制造裂解爐對流段的經(jīng)驗，但材料一般以碳鋼為主，且壁厚都在12 mm以內(nèi)。對于高溫高壓爐管材料的焊接，國內(nèi)外研究較多的是Cr5Mo及12CrMoV等，但對于厚壁Cr-1Mo爐管的焊接則研究較少。為了合理確定其焊接線能量、預(yù)熱溫度及焊后熱處理制度，因此對其進行了探討。
1 焊接方法及焊接材料選擇
裂解爐對流段爐管化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能為σb=625 MPa,σs=498 MPa,ψ=44.1%,HV=193,ak=257 J。架上焊接位置為水平固定加障礙物，而且焊縫外觀要求十分苛刻。焊縫的余高不大于1 mm,焊波的高低差不大于0.5 mm， 背面余高為0.5 mm，焊縫*X射線探傷二級合格，因此采用手工TIG焊較為適宜，選用按ASME SA355-92標準出品的TIG-2GM牌號低合金鋼焊絲，其化學(xué)成分見表1。
表1 化學(xué)成分 %
| 元素 | C | Si | Mn | Cr | Mo | S | P |
| 爐管 | 0.130 | 0.250 | 0.600 | 2.270 | 1.030 | 0.003 | 0.007 |
| 焊絲 | 0.085 | 0.302 | 0.780 | 2.240 | 1.060 | 0.008 | 0.005 |
2 焊接工藝試驗及分析 2.1 預(yù)熱溫度 試驗用Cr-1Mo鋼管，壁厚27 mm，進行常溫和不同預(yù)熱溫度下的斜Y型加強拘束抗裂性試驗，試驗焊接規(guī)范E=10.2 kJ/cm(I=110 A,U=14 V,v=9 cm/min)，試驗焊縫焊后經(jīng)48 h放置，用著色探傷檢查焊縫表面和用低倍光學(xué)顯微鏡觀察斷面，其表面和斷面裂紋率見表2。 表2 抗裂性試驗結(jié)果 |
| 預(yù)熱溫度／℃ | 表面斷裂率／％ | 斷面裂紋率／％ |
| 常溫 | 100.0 | 100.0 |
| 100 | 70.5 | 83.7 |
| 150 | 0.0 | 43.5 |
| 200 | 0.0 | 0.0 |
| 250 | 0.0 | 0.0 |
試驗表明，Cr-1Mo鋼冷裂傾向比較大，隨著預(yù)熱溫度的提高，接頭抗冷裂能力得以改善。當Tr≥200 ℃時，冷裂紋全部消除，因此，焊前預(yù)熱溫度選擇在200 ℃左右即可滿足抗裂要求。 2.2 焊接線能量 從前面試驗可知，在預(yù)熱溫度200 ℃，焊接線能量E為10 kJ/cm左右時，焊縫不出現(xiàn)裂紋，那么，此時的E值應(yīng)為臨界值(下限值)。從成型來看，在此規(guī)范下進行根部打底和第二、三層過渡，全位置成型良好，反面余高也在控制指標范圍內(nèi)，而其它焊層的規(guī)范在使接頭獲得良好的綜合力學(xué)性能前提下應(yīng)盡可能選擇大一些，以提高生產(chǎn)效率。因此，須確定一個線能量上限值，為此選用兩種方案進行試驗：①10 kJ/cm規(guī)范打底過渡，20 kJ/cm規(guī)范填充和蓋面。②10 kJ/cm規(guī)范打底過渡，30 kJ/cm規(guī)范填充和蓋面。這兩種方案的試樣都經(jīng)710 ℃下2 h高溫回火。檢查接頭的常溫力學(xué)性能和-50 ℃時的沖擊韌度。接頭常溫抗拉強度均在570～580 MPa，經(jīng)過90 °冷彎都不裂。兩種方案焊接試樣的焊縫區(qū)、熔合區(qū)及熱影響區(qū)的-50 ℃沖擊功對比見圖1。在相同熱處理條件下，減少焊層，增加線能量的結(jié)果使接頭韌度降低。這主要是因為E增大后冷卻速度變慢，導(dǎo)致過熱區(qū)晶粒粗大，韌度變差，Cr-1Mo鋼有較強的回火脆化傾向，它對接頭韌度有較大的損耗。因此，為了不致于由E的增大而過多提高其塑脆轉(zhuǎn)變溫度，損耗接頭的韌度貯備，所以，選用20 kJ/cm作為焊接規(guī)范的上限值。 |
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圖1 線能量對韌度的影響 2.3 焊后熱處理規(guī)范 ［P］=T(20+lgt)×10-3 (1) 式中，T為回火溫度，K；t為保溫時間，h。由式(1)可知T=710 ℃。為了進一步了解回火規(guī)范對接頭性能的影響，用前述方案1的焊接試樣分別在650 ℃、710 ℃及760 ℃進行高溫回火，保溫2 h，再進行性能檢驗。 |
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圖2 熱處理溫度對韌度的影響 2.4 ［P］對焊縫強度的影響 表3 接頭常溫和高溫短時性能 |
| 回火溫度／℃ | 室溫時σs/σb | 425 ℃時σs/σb |
| 650 | 612／436 | 507/359 |
| 710 | 540／411 | 485/308 |
| 760 | 538／402 | 475/284 |
3 接頭回火脆化敏感性檢驗 3.1 焊縫金屬有關(guān)系數(shù) X、J系數(shù)是衡量Cr-Mo鋼回火敏感性大小的重要指標。文獻［2］指出，為了保證焊縫有良好的抗回火脆化能力，要求焊縫金屬的X系數(shù)小于25×10-6，J系數(shù)小于200。為此，對與回火脆化關(guān)系密切的元素進行了化學(xué)成分分析，結(jié)果見表4。 表4 焊縫回火脆化敏感元素含量 % |
| 元素 | Si | Mn | P | As | Sn | Sb |
| 含量 | 0.37 | 0.75 | 0.006 | 0.000 4 | 0.000 9 | 0.001 |
從表中數(shù)據(jù)可求得： X=(10P+5Sb+4Sn+As)0.01=0.000 008 (2) J=(Si+Mn)(P+Sn)10 000=84.5 (3) 這兩個值均低于控制指標，說明所選的焊接材料足以滿足抗回火脆化的要求。 評定方法采用Socal No.1步冷曲線［2］，見圖3。通過步冷處理，使材料分步通過脆化溫度，造成加速脆化的條件，使其在較短時間內(nèi)材料脆化量更大。 |
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圖3 步冷處理(SC)曲線 Cr-1Mo材料回火脆化的塑脆轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)滿足下式要求： vTr54+KΔvTr54≤38 ℃ (4) 式中，ΔvTr54=vTr′54-vTr54,vTr54為回火處理(SR)后54 J沖擊功時的轉(zhuǎn)變溫度；vTr54為回火處理加步冷處理(SR+SC)后54 J沖擊功時的轉(zhuǎn)變溫度；K為增強系數(shù)，這里取2.0。 |
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圖4 焊縫脆化前后轉(zhuǎn)變溫度曲線 |
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圖5 熱影響區(qū)脆化前后轉(zhuǎn)變溫度曲線 4 結(jié) 語①對于厚壁爐管焊接，焊前預(yù)熱是必需的，當預(yù)熱溫度控制在200 ℃左右時，能有效地防止冷裂紋的產(chǎn)生。②對于爐管水平固定加障礙位置的焊接，焊接線能量下限控制在10 kJ/cm左右，能獲得滿意的焊縫根部成型。對于填充焊道和蓋面，隨著線能量上限值的增大，焊層減少，接頭常溫力學(xué)性能變化不明顯，而-50 ℃沖擊韌度則呈明顯下降趨勢。為保證接頭具有可靠抗斷裂韌度，線能量控制在20 kJ/cm較為合適。③厚壁爐管焊接接頭常溫和425 ℃高溫短時拉伸強度，隨回火溫度的提高均有明顯下降。而-50 ℃沖擊功則在710 ℃，即［P］=20.0時顯示了*值，為保證接頭的綜合力學(xué)性能，合理的熱處理規(guī)范為［P］=20.0，即回火溫度710 ℃，保溫2 h。④選用TGS-2CM焊絲，焊縫的脆化敏感性系數(shù)均低于控制指標，焊接線能量控制在10～20 kJ/cm，回火參數(shù)［P］取20.0時，焊縫和熱影響區(qū)的塑脆轉(zhuǎn)變溫度低，接頭步冷處理后脆化溫度增量小，接頭韌度貯備大，抗回火能力強，因此在高溫下使用其安全裕度大，不會發(fā)生脆性斷裂。 作者簡介：黃嗣羅(1969-)，男，工學(xué)學(xué)士，焊接工程師。 參考文獻： |