加氫反應器12Cr2Mo1V鋼焊接工藝制定

牛翰卿

摘要：12Cr2Mo1V鋼主要用于高溫、高壓和高氫分壓的加氫裝置中，是大型壓力容器鍛件的理想材料。為保證焊后焊接接頭安全性，必須要進行焊接工藝評定。在對12Cr2Mo1V鋼焊接性進行理論分析的基礎上，制定了12Cr2Mo1V鋼的焊接工藝方案，并按照ASME? IX鋼卷標準進行了焊接工藝評定試驗。結果表明，所制定的焊接工藝方案其焊接接頭性能符合TSG21–2016《固定式壓力容器安全技術檢測規程》有關技術要求。

關鍵詞：12Cr2Mo1V;焊接工藝;焊接接頭

隨著加氫工藝技術的提高、特別是渣油加氫改質和煤加氫液化工藝的不斷發展，加氫裝置規模趨于大型化，加氫設備使用條件趨于更高溫。目前12Cr2Mo1V鋼因加入釩和微量合金元素提高鋼的淬透性和鋼的強度等級;具有較高的抗高溫蠕變性能、抗回火脆化能力、抗氫侵蝕、氫脆和氫致裂紋的能力，是大型壓力容器鍛件的理想材料[1]。因12Cr2Mo1V鋼使用要求及服役環境的特殊性，為確保焊后產品的安全性，合理評價焊接工藝，保證焊接工藝的合理性，使焊接接頭符合技術要求，具有非常重要意義。

試驗試板材料

焊接試板規格及坡口形式

12Cr2Mo1V鋼焊接試驗所用鍛件試板規格為1000×120×45，4塊（2對），坡口加工圖如圖1所示：

12Cr2Mo1V焊接試板化學成分如表 1 所示。12Cr2Mo1V鋼碳和合金元素含量高，根據公式CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15可得，12Cr2Mo1V鋼CE≥0.6%，焊接性較差，屬難焊材料。一方面，焊接過程中存在著一定程度的硬化傾向，另一方面，在焊接熱循環所決定的冷卻速率條件下，焊縫和熱影響區可能形成對冷裂紋敏感的顯微組織，可能會生成Cr、Mo和V碳化物，容易引起接頭過熱區的再熱裂紋。因此在焊接時需采用較高的預熱溫度和嚴格的工藝方法。

力學性能要求

12Cr2Mo1V鋼鍛件試板焊接后經過最大（Max.PWHT）和最小（Min.PWHT）焊后模擬熱處理后檢測力學性能。要求室溫拉伸強度590–760MPa;454℃、540℃高溫屈服強度Rp0.2≥350;夏比沖擊功–30℃（V型缺口）平均值≥60J，允許一個試樣≥54J，HV（10）硬度≤247，側彎無裂紋;顯微組織為貝氏體組織;回火脆性敏感性試驗vTr54+3△vTr54≤0℃。

焊接工藝制定

焊前預熱溫度制定

由于母材的碳當量大于0.6%，容易產生焊接冷裂紋和再熱裂紋，因此選擇了焊前預熱的方法。根據Ito–Bessyo和Seferiau[2]提出的預熱溫度公式，預熱溫度范圍為200℃–300℃。焊接前預熱溫度定為220℃。

焊前工藝參數制定

采用手工電弧焊方法進行多層多道焊接;

打底層選擇φ5.0mm 的CM–A106HD 焊條，填充層選擇φ5.0mm的 CM–A106HD 焊條施焊，側層間溫度230℃–300℃。

坡口形式及尺寸見圖 1，焊接時焊接工藝參數見表 2所示。

焊后熱處理參數如表3所示。

焊接試板性能結果

對Min.PWHT和Max. PWHT后的焊接試板均進行了對應的試驗，其中Min.PWHT試板編號為SMAW–1，Max. PWHT試板編號為SMAW–2，試驗結果如下：

拉伸試驗

焊接試板按照GB/T228.1–2010進行室溫拉伸試驗，作接頭板拉2件;按照GB/T 228.2–2015進行高溫拉伸試驗，分別作454℃、540℃拉伸各1件，試驗結果見表4所示。

焊接試板按照GB/T229–2007 進行母材區、焊縫區和熱影響區3區–30℃沖擊試驗，取樣位置在試板厚度方向的距上下表面1.6mm、T/2處取樣，–30℃KV2沖擊吸收功均大于等于60J，試驗結果見表5所示。

彎曲試驗

焊接試板按照GB/T232–2010進行側彎試驗，試板SMAW–1與SMAW–2全焊縫各做側彎2件，彎心直徑d=4a，試樣厚度a=10.0mm，彎曲角度α=180°。經過試驗，冷彎后4件側彎均未出現裂紋，結果合格。

硬度試驗

焊接試板按照GB/T231.1 –2009進行硬度試驗，分別取焊縫2點、熱影響區6點、母材2點（上、下表面1.6mm處及T/2處）進行硬度測量，HV（10）硬度測量值均小于等于247，符合要求，檢測結果見表6所示。

金相組織

焊接試板按照GB/T13298–2015進行顯微組織檢驗，在母材區、焊縫區、熱影響區進行檢測，顯微組織均為貝氏體回火組織，試驗結果見圖2所示。

模擬焊后熱處理焊接接頭進行回火脆性敏感性試驗，實驗結果熱影響區vTr54+3△vTr54=–91.0℃;焊縫金屬vTr54+3△vTr54=–83.0℃，結果均低于規定溫度，符合標準要求。

結論

本試驗針對規格為1000×120×45焊接試板，制定了焊接和熱處理規范，并進行焊接工藝評定實驗，得出以下結論：（1）對12cr2mo1v焊接試驗板的焊接接頭進行分析后，得到焊接試板經Min.PWHT和Max. PWHT焊后模擬熱處理后其焊接接頭室溫抗拉強度、高溫屈服強度、–30℃夏比沖擊功、彎曲實驗、HV（10）硬度、顯微組織、回火脆性敏感性試驗結果，均符合要求。（2） 評定結果表明，本文所制定的焊接工藝方案其焊接接頭性能符合TSG21–2016《固定式壓力容器安全技術檢測規程》有關技術要求[3]。

參考文獻

趙猛.加氫裂化反應器全面檢驗及缺陷處理[J].石油和化工設備，2013.

周振豐，張文鉞.焊接冶金與金屬焊接性[M].北京：機械工業出版社，1998：301–323.

TSG21–2016.定式壓力容器安全技術檢測規程[S].