1Cr5Mo珠光體耐熱鋼管的三種不同焊接工藝研究

趙 亮，李憲臣，劉海河

(1.遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001；2.中國石油撫順工程建設有限公司，遼寧 撫順113004)

1Cr5Mo珠光體耐熱鋼管的三種不同焊接工藝研究

趙 亮1，李憲臣1，劉海河2

(1.遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001；2.中國石油撫順工程建設有限公司，遼寧 撫順113004)

通過分析1Cr5Mo鋼的焊接性，介紹了當前應用于該鋼種的三種不同的焊接工藝方法。通過比較三種焊接工藝方法所獲得焊接接頭性能差異和特點，提出在具備焊后熱處理條件和大規模施焊情況下應盡可能采用同質材料進行焊接，以避免接頭在運行中出現早期失效，降低焊接成本。在不具備熱處理條件或現場維修量少的情況下，也可采用異質材料進行焊接。但是，為保證接頭在長期高溫運行下不出現低韌性脆性斷裂，建議采用新型低鉻高錳型AR617焊條焊接1Cr5Mo，該焊條焊接工藝性能優良，通過生產實踐和對服役44 000 h的接頭取樣觀察，使用性能穩定，完全滿足生產要求，其焊接工藝條件相對簡單。

耐熱鋼焊接；1Cr5Mo；焊接工藝比較

0 前言

隨著我國石油化工工業的快速發展，大型化的石油加工與化工合成裝置在各石化企業得到了建設。大型化石化裝置的特點是大容量、高溫、高壓。為滿足這一發展趨勢，國內冶金企業在引進、消化、吸收創新的基礎上積極開發適用于高溫高壓的合金材料來滿足國民經濟建設的需要。目前在石油化工裝置中的高溫工藝管線、焦化爐、常壓爐以及電力行業的電站鍋爐等大量使用如15Cr1Mo、12Cr1MoVG等低合金珠光體耐熱鋼。而對于像煉油廠的加氫、裂化、重整等設備中的臨氫管線、加熱爐爐管和再生器內取熱盤管等以及超高壓鍋爐和臨界超高壓鍋爐的爐管一般都采用1Cr5Mo、9Cr1Mo等中合金耐熱鋼。在此以1Cr5Mo耐熱鋼管為例，討論三種不同情況下的焊接工藝過程。

1 1Cr5Mo耐熱鋼管介紹

1Cr5Mo耐熱鋼具有高溫強度和高溫抗氧化性能，在550℃以下具有一定的熱強性，在石油介質中具有很好的耐熱性和耐蝕性。并且合金元素的含量少，價格便宜，工藝性能優良，所以廣泛應用于石油化工行業中。在我國煉油廠加氫、裂化、重整等設備中，廣泛使用1Cr5Mo鋼制作臨氫管線、加熱爐爐管和再生器內取熱盤管等。由于1Cr5Mo鋼工作在高溫、高壓、耐腐蝕強的條件下，焊接性較差，其焊接質量是引起事故的根本原因。因此，在施焊過程采取合理的施焊工藝措施和焊接工藝參數尤為重要。

1.1 1Cr5Mo耐熱鋼的性能和焊接特點[1]

1Cr5Mo鋼為珠光體耐熱鋼，1Cr5Mo耐熱鋼管通常在退火狀態下供貨，管材金相組織為粒狀珠光體加少量鐵素體的組織，其化學成分和機械性能如表1、表2所示。Cr可提高鋼的抗高溫氧化和抗腐蝕性，能抗石油裂化中產生的腐蝕；Mo可提高鋼在高溫下的機械性能，也能降低鋼的回火脆性傾向。同時鉻鉬能顯著提高鋼的淬透性，作用要比鉻大50倍。因此，1Cr5Mo具有空氣淬火硬化傾向[2]。

表1 1Cr5Mo耐熱鋼管化學成分[2]%

表2 1Cr5Mo機械性能[2]

(1)冷裂紋傾向[1]。

冷裂紋產生于焊接后的冷卻過程中或冷卻以后，形成裂紋的溫度約在200℃～300℃，即馬氏體轉變范圍。1Cr5Mo鋼焊接時，焊縫金屬的冷裂紋敏感性較低，冷裂紋主要集中在熱影響區，其產生原因是焊后熱影響區產生的淬硬組織、擴散氫和焊接殘余拉應力的共同作用。

根據日本JIS標準規定的Ceq(JIS)計算得

因此，其碳當量很高，接頭熱影響區域有很高的淬硬和冷裂傾向。在1℃／s冷卻速度下，可獲得0.1%鐵素體，99.9%馬氏體。因此，焊接時應采取措施防止產生裂紋。在使用奧氏體不銹鋼焊條焊接時，常采取預熱。當使用同成分的焊條(如R507)焊接時，除焊前需預熱外，焊后還應進行熱處理。

(2)熱裂紋敏感性。

熱裂紋是在臨界凝固階段，由于焊接應力和焊縫及熔合區的低熔共晶物共同作用形成的裂紋。由表1可知，低熔共晶物的形成元素S、P含量很低，由熱裂紋敏感系數(HCS)可估算出1Cr5Mo鋼熱裂紋敏感性的大小

由文獻[1]可知，當HCS＜4時可以防止裂紋。但是，在1Cr5Mo鋼的焊接過程中，當剛性較大，收弧弧坑未能很好填滿時，也會出現熱裂紋。

(3)再熱裂紋敏感性。

再熱裂紋是焊后接頭再次加熱到一定溫度范圍而產生的裂紋。由文獻[3]可知，再熱裂紋敏感性的經驗公式

若PSR≥0，則有可能產生再熱裂紋，1Cr5Mo鋼的PSR≥2.9，可見1Cr5Mo鋼具有一定的再熱裂紋敏感性。1Cr5Mo鋼產生再熱裂紋的主要原因是該鋼的合金元素是Cr、Mo等，Cr、Mo等元素形成的碳化物在一次焊接熱作用下因受熱而固溶(高于1 100℃)，焊后冷卻時不能充分析出，當焊縫在再次熱處理過程中，合金碳化物在晶內沉淀，從而大大強化晶粒內部。這種強化妨礙了晶粒的整體變形，而使蠕變應變集中于晶界，當晶界的變形超過晶界在該種狀態下所具有的塑性時，就會沿晶界開裂，形成再熱裂紋。

1.2 1Cr5Mo耐熱鋼常用的焊接工藝比較

目前，1Cr5Mo耐熱鋼焊條電弧焊通常采用三種工藝措施：(1)不銹鋼焊條A307或A302(GBE1-23-13-15)。焊前不預熱，焊后不進行熱處理[2]。(2)耐熱鋼焊條R507(GBE1-5MoV-15)。焊前預熱250℃～400℃，焊后進行750℃～780℃的退火處理[2]。(3)采用新型低鉻高錳奧氏體焊接材料AR617。預熱溫度不低于250℃，層間溫度250℃～300℃。焊接工藝評定坡口形式和尺寸如圖1所示[3]。

試驗條件及施焊工藝參數比較見表3。三種焊條的化學成分及機械性能如表4和表5所示。

表3 三種焊接措施參數[2-4]

圖1 焊接接頭

表4 三種焊條的化學成分[2-4]%

表5 三種焊條的機械性能[2-4]

2 機械性能比較試驗

2.1 強度和塑性比較

由文獻[2-4]可知，三種工藝的焊接接頭強度和塑性試驗結果如表6所示。

表6 室溫拉伸彎曲試驗結果[2-4]

2.2 沖擊韌性比較

三種工藝焊接接頭的不同位置的沖擊韌性值如表7所示，試樣均為標準V型缺口試樣。

2.3 金相試驗

三種工藝焊接接頭組織成分如表8所示。

表7 焊接接頭不同溫度下的沖擊功AKV[2-4]J

表8 接頭各部分的金相組織

由表8可以看出：

(1)工藝1，即異種材質焊接法。采用奧氏體不銹鋼焊接材料A302或A307焊接。在焊接過程中，由于1Cr5Mo母材含合金元素較低而使得焊縫金屬稀釋，焊縫中產生了脆性馬氏體組織，同時在熔合線邊緣因金屬成分的差異，在熔合線上產生一個窄的低塑性帶，接頭在長期高強運行過程中，熔合區低塑性馬氏體組織導致焊縫失效。

(2)工藝2，即同材質焊接法。采用化學成分與1Cr5Mo鋼母材金屬相近的R507焊條焊接，其焊接接頭具有與母材相同的組織和極為相近的化學成分，且無明顯的熔合線，可獲得與母材相近的力學性能，使用中無明顯合金元素擴散和碳遷移問題。

(3)工藝3，也屬于異種材質焊接法。采用低鉻高錳奧氏體焊接材料AR617焊接。該焊條通過降低鉻含量、增加錳含量以獲得焊縫金屬的奧氏體組織。其含鉻量接近母材含鉻量，使其在熔合線附近不因成分差異產生鉻的擴散，提高焊縫鎳含量阻止耐熱鋼側的碳向焊縫遷移[4]，造成耐熱鋼側貧碳產生。由合金元素對鐵碳相圖的影響而知，錳和鎳一樣具有增大奧氏體相的作用，因此利用高錳含量(12.4%)和鎳共同保證了焊縫金屬的奧氏體組織，以獲得良好的焊縫韌性。為了檢驗這種合金系統在高溫下長期工作時，在熔合線邊緣是否會因合金成分(鉻、錳、鎳以及碳)差異出現低塑性馬氏體組織而導致焊縫失效，對焊接工藝評定后的接頭沿縱向切口制成試樣，在500℃，700℃進行不同時間時效處理，并對時效前后接頭試樣的熔合區組織進行金相分析，其分析結果如圖2、圖3所示。

圖2 500℃時效處理時熔合區SEM組織(A為焊縫)

圖2為異質接頭未時效以及在500℃時效50h， 200 h，700 h的SEM分析結果。由圖2可知，時效初期在焊接接頭熔合界面的焊縫金屬一側有一定增碳層(圖中箭頭所指白色帶狀區域)，在時效200 h以后增碳層寬度達到最大值，隨時效時間進一步延長(700 h)，增碳層消失。

圖3為異質接頭在700℃時效10 h，50 h，100 h的金相組織。可以看到在時效初期(10 h)，焊頭熔合區焊縫金屬一側有一定增碳層，但時效時間達到100 h后增碳層完全消失。

由組織分析可知：AR617焊條與1Cr5Mo鋼所焊接的異質接頭在長期高溫服役和時效過程中，焊接接頭熔合界面兩側無明顯的增碳層和貧碳層，解決了以往Cr-Mo類鋼異質接頭的提前失效問題。

3 試驗結果分析

(1)從拉伸試驗結果可以看出，三種焊接工藝下的焊接接頭均斷在母材上，其強度、延伸率、斷面收縮率相差不大，符合標準要求，但有資料表明，焊接工藝1的接頭長期高溫服役后拉伸斷裂在熔合線上，延伸率幾乎為零。從彎曲試驗結果可知，三種接頭的抗彎性能均能達到要求。

(2)從沖擊試驗結果看，焊接工藝1的接頭各部位的沖擊功均低于新母材，熔合線沖擊試樣均沿焊縫金屬的一側斷裂，正好說明了這一點，焊接工藝2的接頭各部位的沖擊功均高于新母材。說明工藝2的接頭具有很高的沖擊韌性。焊接工藝3的接頭各部位的沖擊功與母材相近。

4 生產應用

采用焊接工藝1施工比較簡單，焊前不預熱，焊后也無需熱處理，施工周期短，特別適合于現場施工和設備搶修，但不銹鋼焊條成本較高(A307成本是R507的三倍多)，并且消耗大量的稀有金屬。采用焊接工藝2施焊較復雜，焊接控制嚴格，而且需要一套復雜的熱處理工藝，這就增加了施工周期，增加了工時，適用于大項目的1Cr5Mo耐熱鋼的焊接，焊口數量較多，管徑越大，熱處理效率就越高，焊接材料節省的費用就越可觀，而且為國家節約了大量的稀有金屬。焊接工藝3效果介于工藝1和2之間，相對工藝1而言，需要進行預熱，可以采用火焰或電加熱帶預熱，省去了焊后熱處理，這給現場安裝或維修帶來了方便，同時解決了接頭在運行過程出現提前失效的可能性。

圖3 700℃時效時熔合區金相組織(A為焊縫)

通過采用低鉻高錳奧氏體焊條AR617在煉化裝置1Cr5Mo管線、常壓爐以及焦化爐中的1Cr5Mo爐管的管線施焊共計1 770 m，444道焊縫，探傷2 664張X射線片子，其中2 631張片子合格，管道焊接一次合格率達98.76%，且對服役44 000 h的接頭進行取樣觀察，結果良好。說明在役的管線高溫工作狀態良好，使用性能穩定。

5 結論

(1)在室溫，三種焊接工藝焊接接頭的強度、延伸率、斷面收縮率相差不大，彎曲均無裂紋。

(2)焊接工藝1的接頭各部位的沖擊功均低于新母材；焊接工藝2的接頭各部位的沖擊功均高于新母材，且隨著試驗溫度的提高，沖擊功更高，且高于母材，說明焊接工藝2的接頭具有很高的沖擊韌性；焊接工藝3的沖擊韌性與母材相近，滿足標準要求。

(3)在有現場熱處理和大規模的施工中盡可能采用焊接工藝2和3，從保證接頭長期使用看，建議采用焊接工藝3。在無現場熱處理條件，現場設備的搶修及無法熱處理的部位采用焊接工藝1。

(4)通過AR617焊條焊接1Cr5Mo鋼管表明，采用焊接工藝3在焊接性能和焊接工藝等方面具有很多優點，接頭力學性能均滿足要求，焊接合格率遠高于同材質焊接。同時，焊工普遍反映焊接時操作手感好，焊條引弧容易，焊弧穩定，飛濺小，脫渣性能良好，煙塵小，焊縫成形好，焊后無需熱處理，焊接可操作性和焊縫成形明顯優于A307焊條。

(5)用AR617焊條焊接后的在役1Cr5Mo鋼管目前工作狀態良好，使用性能穩定。

[1]李 波.Cr5Mo鋼管的焊接[J].廣西工學院學報，2001(12)：77-79.

[2]楊 莉.Cr5Mo耐熱鋼兩種焊接工藝的評價[J].鄭州紡織工學院學報，2000(6)：54-56.

[3]張克志，李厚興，劉麗月.奧氏體焊條AR617在1Cr5Mo鋼管焊接中的應用[J].石油化工設備，2006(1)：76-78.

[4]姜 勇，鎳基和奧氏體的Cr5Mo異種鋼焊接接頭的高溫性能研究[D].江蘇：南京工業大學，2003.

Research in three different welding technology of 1Cr5Mo pearlitic heat-resistant steel pipe

ZHAO Liang1，LI Xian-chen1，LIU Hai-he2
(1.Liaoning Shihua University，Fushun 113001，China；2.Fushun Project Construction Corporation of China National Petroleum Corporation，Fushun 113004，China)

Describes the three different welding technologies of applied to the steel currently by analyzing the weldability of Cr5Mo steel.It can be proposed that welding with the same materials as much as possible in order to avoid joints early failure in the operation and reduce welding cost when it has the availability of post weld heat treatment conditions and case of large-scale welding by comparing the performance differences of welded joints obtained and the implementation features with the three welding technology.If in the absence of heat treatment conditions or less maintenance in the field，it is also can be welded with differernt materials.However，we recommend using the new low-Cr high manganese AR617 weld rod to weld Cr5Mo so as to ensure that it will not low ductile fracture in the joints，the weld rod has excellent welding technology.Through joints sampling observation in the production practices and 44 000 hours service，performance is stable，fully meet the production requirements，the welding technology conditions is relatively simple.

heat-resistant steel welding；1Cr5Mo；process comparison

TG457.11

A

1001-2303(2011)07-0058-05

2010-12-20；

2011-06-15

趙 亮(1964—)，男，河南清豐人，工程師，學士，主要從事焊接工藝的研究與教學工作。