2.25Cr—1Mo耐熱鋼焊接工藝試驗及應用

摘 要：通過對石油煉化系統中的核心設備加氫反應器用2.25Cr-1Mo耐熱鋼的焊接性分析，按選擇的焊材和工藝參數進行了工藝評定試驗，焊接接頭的力學性能，焊縫熔敷金屬的化學成分均滿足母材及技術條件要求，而根據合格的評定制定的焊接工藝成功完成了產品制造，對今后同類材料的焊接具有指導意義。

關鍵詞：2.25Cr-1Mo耐熱鋼；加氫反應器；焊接工藝；應用

0 前言

加氫反應器是整個石油煉化系統中的核心設備，也是壓力容器中的高端設備，操作介質：氫氣、硫化氫、蠟油、汽油、柴油、輕烴等，設備在高溫、高壓、臨氫條件下運行，使用工況惡劣。其材料2.25Cr-1Mo為耐熱鋼，材料焊接性較差， 且設備壁厚較厚，冷裂紋傾向較大，需采用嚴格的工藝措施才能保證焊接接頭的質量。

1 2.25Cr-1Mo鋼焊接性分析

1.1 母材基本性能

2.25Cr-1Mo鋼采用電爐或氧氣轉爐加真空脫氣精煉工藝冶煉，為本質細晶粒鎮靜鋼，供貨狀態為正火加回火（N+T），其化學成分見表1，力學性能見表2。其金相組織為：貝氏體，具有較好的力學性能和抗裂紋擴展性。通過Cr、Mo、Mn元素的加入提高了鋼材的熱強性和抗氫性，同時也增強了鋼的抗高溫蠕變強度。鎳改善了鋼材的低溫沖擊韌性，通過模擬MIN.PWHT+階梯冷卻試驗：VTr54+2.5△VTr54= -11.35℃，證明該鋼具有較高的抗回火脆化能力。

1.2 焊接性

根據國際焊接學會（IIW）碳當量計算公式可計算出2.25Cr-1Mo鋼的碳當量： Ceq= C+ Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15=0.87%，說明2.25Cr-1Mo鋼具有較大的冷裂傾向。較高的Cr、Mo含量加劇了鋼的淬硬性，焊接過程中易產生淬硬的馬氏體組織，加之設備壁厚較厚，空氣濕度較大，使得冷裂紋傾向加大。因此該鋼在焊接時需要采取嚴格的焊前預熱和焊后消氫等工藝措施，以減少其產生冷裂紋的可能性。

2.25Cr-1Mo鋼中含有沉淀強化元素的Cr、Mo、Nb等，在熱處理過程中，由于晶內析出這些碳、氮化物及沉淀相，從而晶內強化，而經熱處理應力松弛所產生的變形就集中于晶界，當晶界的塑性不足時，就會產生再熱裂紋（亦稱消除應力熱處理裂紋）。為保證焊接接頭質量，其焊接接頭通常在焊接完成24h后無損檢測合格的基礎上，熱處理后再進行一次無損檢測，主要是進行超聲波和磁粉檢測，以確定焊接接頭的質量。

2 焊接材料

2.25Cr-1Mo鋼焊材選擇的基本原則是焊縫金屬的化學成分、力學性能與母材基本一致，為提高焊縫金屬的抗裂性能，應控制焊接材料的含碳量略低于母材，保證焊縫金屬具有較高的沖擊韌性和與母材相當的蠕變強度，同時為防止冷裂紋的產生應選用堿性低氫型焊條和高堿度超低氫性焊劑，控制熔敷金屬中擴散氫的含量。達到產品所要求的綜合性能。

加氫反應器為高壓、厚壁設備，在制造過程中需經中間熱處理及焊后整體熱處理，并結合本公司的焊接技術特點，選用了日本神鋼進口焊材：焊絲US-521S，規格φ4mm，焊劑PF200；焊條CMA-106N，規格φ4mm/φ5mm。

3 焊接工藝評定

3.1 焊前準備

采用厚度為94mm的2.25Cr-1Mo鋼板進行對接焊接工藝評定，根據NB/T47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》及相關技術條件要求擬定了預焊接工藝規程。坡口按圖1所示，坡口采用機械加工成型。

3.2 主要工藝參數分別見表3

3.3 主要工藝措施

坡口及兩側20mm范圍內清理修磨并100%MT檢測，按JB/T4730-2005，I級合格。組對時留出反變形量，中間焊縫墊起15-20mm高。焊前坡口及兩側150mm范圍內均勻預熱200℃～250℃；層間溫度不低于預熱溫度，且不得高于300℃，層間嚴格清渣。焊縫背面碳弧氣刨清根，修磨清理后100%MT（熱態）檢測，I級合格后方可焊接。焊后焊接接頭在不低于預熱溫度下消氫：350℃～400℃×4小時，保溫緩冷；消氫后焊縫打磨與母材齊平。焊接完成24h后進行100%MT檢測，按JB/T4730-2005，I級合格；100%UT（B級），按JB/T4730-2005，I級合格；100%RT（AB級）檢測，按JB/T 4730-2005，不低于Ⅱ級合格。

3.4 力學性能試驗

評定試板分別進行最大熱處理與最小熱處理。

MaxPWHT： 690±10℃，保溫28小時，升降溫速度55℃～60℃/h。

MinPWHT：690±10℃，保溫6小時，升降溫速度55℃～60℃/h。

根據NB/T47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》及相關技術要求進行力學性能試驗、硬度檢測、焊縫熔敷金屬化學成分分析、回火脆化傾向評定試驗。

3.5 試驗結果

（1）試樣按相關標準進行試驗，其拉伸試驗結果見表4，沖擊試樣結果見表5，彎曲試驗結果見表6，硬度試驗結果見表7，化學成分分析結果見表8。

（2）回火脆化傾向評定試驗。此試驗的目的是在比較短的時間內加速2.25Cr-1Mo鋼的脆化，來測定此種鋼材的回火脆化敏感性。

試驗是在最小熱處理試板上取2組試樣，每組8套試樣，其中一組進行分步冷卻脆化處理（分步冷卻曲線見圖2），對步冷前和步冷后的兩組試樣（每組8套）各進行-80℃、-60℃、-40℃、-30℃、-10℃、0℃、10℃和20℃的夏比（V形缺口）沖擊試驗，其沖擊試驗結果見表9，根據沖擊試驗結果繪制兩組試樣的沖擊功與試驗溫度的關系曲線（見圖3）。

由沖擊功與試驗溫度的關系曲線可得出當AKV為54J時，對應的沖擊試驗溫度：步冷前為-57.5℃，步冷后為-39.04℃

則 VTr54+2.5△VTr54=-11.35℃<10℃

式中VTr54為經最小熱處理的沖擊功為54J時相應的轉變溫度，△VTr54為經最小熱處理加步冷試驗后沖擊功為54J時相應的轉變溫度增量。

由公式可以得出焊縫的回火脆性傾向較小。

3.6 評定結論

通過嚴格按照工藝參數和工藝措施進行焊接與控制，其得到的焊接接頭的力學性能、化學成分等各項性能均與母材相匹配，均能滿足2.25Cr-1M鋼產品所要求的綜合性能。

4 2.25Cr-1Mo鋼產品焊接

我公司為石化公司制造的加氫反應器，設備直徑Φ2400mm，總長度29519mm，主體厚度114mm，總重量約214噸。

4.1 焊接坡口的制備

筒體縱向A類焊接接頭單V形坡口，在預彎及卷制成型后采用切割機氣割；筒體間及筒體與封頭間環向B類焊接接頭單U形坡口在筒體、封頭成型后采用立式車床車出。坡口砂輪修磨，去除油污、鐵銹等雜物；

4.2 焊接及質控過程

焊前坡口表面進行100%MT檢測，按JB/T4730-2005，I級合格后坡口及其兩側各不小于150mm范圍內均勻預熱到200℃～250℃之間。

設備主體A類接頭采用焊接小車埋弧焊，B類接頭采用窄間隙埋弧焊，層間溫度控制在預熱溫度范圍內。焊接時，采用評定合格的焊接材料和焊接工藝規范，采用多層多道焊，層間嚴格清渣，認真檢查。焊劑焊前烘干350℃～400℃保溫2小時，隨用隨取，以防止其吸收空氣中的水分。焊接接頭一面焊后，背面碳弧氣刨清根，刨槽表面采用角向磨光機清除熱影響區和淬硬層，并進行100%MT（熱態）檢測合格，然后在預熱溫度范圍內再進行背面的焊接。

在每條焊接接頭焊后立即進行消氫處理，350℃～400℃保溫4小時，覆蓋保溫棉緩冷。

4.3 無損檢測

焊接接頭經外觀檢查不得有裂紋、未熔合、咬邊等焊接缺陷。焊接完成24小時后對焊接接頭進行100%射線探傷檢查（檢測技術等級AB級），按JB/T4730-2005不低于II級合格；并進行100%超聲波（檢測技術等級B級）檢測和100%磁粉檢測，按JB/T4730-2005均不低于I級合格。該臺加氫反應器設備A、B類焊接接頭射線檢測一次合格率達99.7%，其它無損檢測均未發現缺陷。

4.4 整體熱處理

設備經無損檢測合格后進行爐內整體消除應力熱處理，690℃±10℃保溫6小時，升降溫速度55℃～60℃/h。設備熱處理和水壓試驗后分別對焊接接頭進行超聲波（TOFD）和磁粉檢測，均未發現超標缺陷。

4.5 焊接試板

產品焊接試板和設備筒體第一條縱縫同時焊接，和設備具有相同的熱處理史，按NB/T47016和圖樣技術條件要求，進行了各項力學性能檢驗，均不低于母材指標。

5 結束語

通過對石油煉化系統中的核心設備加氫反應器用2.25Cr-1Mo耐熱鋼的焊接性分析和焊接工藝評定試驗，制訂了合理的、符合生產實際的焊接工藝規程，成功完成了該設備的制造任務。為今后同類產品焊接生產奠定了基礎，具有推廣應用價值，同時也提高了本公司的生產制造能力，為公司今后在同類材料高溫高壓臨氫設備的制造方面積累了實踐經驗。

參考文獻：

[1]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊（第2卷）[S].北京：機械工業出版社，2003.

[2]張文.焊接冶金學（基本原理）[S]. 機械工業出版社，2009.

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