2.25Cr-1Mo-0.25V鋼厚壁管對接埋弧焊工藝研究

范東亮，王東峰

1.一重集團大連核電石化公司 遼寧大連 116113

2.大連凱飛化學股份有限公司 遼寧大連 116000

1 序言

近年來，隨著國內石化行業迅速發展，煉油裝置規模趨于大型化，為壓力容器制造業提供了良好的機遇。加氫反應器作為煉油裝置的核心設備，具有高溫、高壓、臨氫等苛刻條件下的使用特點，近年來逐漸向大型化發展[1]。2.25Cr-1Mo-0.25V鋼自20世紀90年代開發成功后，由于設計許用應力大幅提高，適用溫度更高，耐氫損傷和氫剝離的性能更好等優勢，可在保證更安全使用的前提下有效降低投資，所以迅速替代了常規2.25Cr-1Mo鋼，成為鍛焊加氫反應器的首選材料[2，3]。

對于加氫反應器等厚壁容器，頂部和底部彎管組焊仍采用焊條電弧焊方法，不僅勞動強度大，生產效率低，而且焊接質量往往依賴于焊工的技能水平。為實現彎管組焊自動焊，目前考慮兩種解決方案：全位置TIG自動焊和埋弧焊。全位置TIG自動焊適用于?300mm以下的小管徑管對接，對厚壁鋼管并不適用。埋弧焊方法生產效率高，目前存在的問題是因熱輸入大，容易使層間溫度過高，對于2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊縫金屬的低溫沖擊韌度難以保證。

2 試驗材料及方法

（1）試驗設備 圖1是埋弧焊工作原理。本試驗采用的焊接設備為懸臂式埋弧焊機和壓緊式滾輪架，如圖2所示。焊接電源采用米勒焊機，型號為Summit Arc1000，焊接機頭包括送絲機構、自動控制系統、焊劑輸送機構等。壓緊式滾輪架是帶有雙排壓緊輪裝置，通過施加壓緊力，防止管件旋轉時產生偏重和軸向竄動。

（2）母材 母材為2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛件，滿足ASMEⅡ卷A篇 SA336 F22V的規定，化學成分和力學性能分別見表1、表2。試驗鋼管內徑為?396mm、壁厚54mm，加工U形對接坡口，除打底焊采用手工氬弧焊和焊條電弧焊外，其余層全部采用埋弧焊進行焊接，如圖3所示。

圖1 埋弧焊工作原理

圖2 埋弧焊試驗照片

圖3 試驗件規格及坡口尺寸

2.25 Cr-1Mo-0.25V鋼的焊接性[4，5]與2.25Cr-1Mo鋼相比，前者在焊接時不僅淬硬傾向大，更容易產生冷裂紋，還有在提高材料強度的同時，低溫沖擊韌性明顯低于2.25Cr-1Mo鋼。同時對回火脆性要求更加嚴格。

一般認為，回火脆化溫度在350～550℃之間，加氫反應器的使用溫度正處于此溫度范圍內，因此有必要對CrMo鋼材料的回火脆性進行評估和測試。為了在短時間內評價脆化性能，通過步冷熱處理加速脆化的方法，進行回火脆化傾向評定試驗[6-8]。對于2.25Cr-1Mo-0.25V鋼，國內各大設計院通常要求，回火脆化傾向評定試驗結果應滿足vTr54+3△vTr54≤0℃。同時，工程中還使用J系數代表化學元素對回火脆性的影響，2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的J=（Si+Mn）×（P+Sn）×104≤100，J系數越大，影響越大。

（3）焊接材料 根據設計技術要求，2.25Cr-1Mo-0.25V鋼應選用低氫型焊接材料，熔敷金屬的力學性能和回火脆性均不低于母材性能指標。焊接材料選用日本神戶制鋼的埋弧焊焊絲US-521H?2.4mm，匹配低氫型高堿燒結焊劑牌號為PF-500。

（4）試驗過程 首先，對試驗件坡口打磨后，進行裝配固定。其次，對試驗件進行預熱，采用埋弧焊方法焊接，焊后進行中間熱處理（ISR），再進行MT、UT、RT檢測。最后，試驗件分割成兩件，分別模擬最小焊后熱處理和最大焊后熱處理，解剖加工試樣，進行理化試驗。

3 焊接工藝要點

2.25 Cr-1Mo-0.25V鋼管對接埋弧焊的技術難點在于既要提高焊接效率，又要保證焊縫沖擊韌度，可從以下方面采取措施。

（1）預熱和層間溫度 焊前預熱的目的是防止冷裂紋，預熱能夠降低焊接熱影響區的冷卻速度，避免淬硬組織的形成。根據API RP 934-A規定，2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的預熱溫度≥180℃。但層間溫度過高，引起熱影響區局部晶粒粗大，使焊縫沖擊韌度下降[5]，所以有必要控制層間溫度≤250℃。加氫反應器筒體直徑較大，散熱條件較好，而彎管的管徑相對較小（?200～?600mm），當焊接熱輸入一定時，焊接道次之間散熱時間較短，容易造成層間溫度過高。故埋弧焊方法僅適用于厚壁管對接，以保證連續焊接，否則應增加有效的輔助冷卻裝置。

表1 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼化學成分（質量分數） （%）

表2 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼力學性能

（2）焊接熱輸入 對于埋弧焊，當焊絲規格一定時，在保證焊縫成形質量前提下，焊接參數調整的范圍有限。而焊絲直徑改變，焊接參數才能明顯變化。在調整焊接參數時，一方面要考慮焊道成形質量，另一方面還要考慮焊縫內在性能表現[5]。當試件規格一定時，降低焊接熱輸入，可以使冷卻速度變大，這對保證焊縫韌性有利。筒體環焊縫一般采用埋弧焊絲?4.0mm，焊接電流為500~600A，熱輸入可達3kJ/mm。根據彎管管徑小的特點，本次使用的埋弧焊絲為?2.4mm，熱輸入僅為2.16kJ/mm，焊接參數見表3。

（3）焊后熱處理 由于2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊縫金屬焊態下強度非常高，為防止焊接后延遲裂紋，在焊后立即實施消氫熱處理（DHT）或中間熱處理（ISR）。DHT采取消除焊縫金屬中的擴散氫來防止延遲裂紋，而ISR不僅能消氫，還可消除焊接殘余應力并改善焊縫韌性。而整臺反應器全部焊接結束后，將進行最終焊后熱處理（PWHT），這對獲得最佳綜合力學性能具有重要作用。PWHT溫度過低或時間不足，不能使焊縫充分回火，會導致硬度過高、韌性低。反之，隨著回火參數變大，焊縫抗拉強度和屈服強度均出現下降，一定程度內韌性改善。

API RP 934-A規定PWHT保溫制度為（705±14）℃×8h，實際生產中應綜合考慮強度和韌性選擇合理的PWHT條件。本試驗采用中間熱處理（ISR）665℃×4h，最小焊后熱處理（Min.PWHT）705℃×8h，最大焊后熱處理（Max.PWHT）705℃×26h。

4 焊接工藝評定

（1）熔敷金屬化學成分 表4是熔敷金屬化學成分結果，要求值為加氫反應器產品技術條件規定。可見，熔敷金屬化學成分結果均符合設計技術要求，P、Sb、Sn、As等有害元素處在較低水平，而且X系數在目標值范圍內。X系數是衡量2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊接材料回火脆化傾向性能的重要指標[7，8]。X系數反映了材料中有害元素的總量對于回火脆性的影響，X系數越大，影響越大。

（2）拉伸性能和彎曲性能 表5是焊接接頭室溫拉伸試驗、高溫拉伸試驗、彎曲試驗結果，在最小焊后熱處理和最大焊后熱處理兩種條件下焊接接頭的室溫拉伸和高溫拉伸試驗結果均滿足技術要求，最大焊后熱處理比最小焊后熱處理抗拉強度下降約50MPa。依據NB/T 47014標準規定，彎曲試驗按GB/T 2653的試驗方法測定焊接接頭彎曲性能，不允許有單條長度大于3mm的開口缺陷，試驗結果合格。

表3 厚壁管對接埋弧焊焊接參數

表4 焊熔敷金屬化學成分（質量分數） （%）

表5 焊接接頭拉伸性能和彎曲性能

（3）-30℃沖擊韌度和回火脆性 表6是焊縫、熱影響區、母材的-30℃沖擊值，最小焊后熱處理和最大焊后熱處理狀態下的焊縫、熱影響區的-30℃沖擊試驗結果均滿足技術要求，最大熱處理狀態下的-30℃沖擊韌度優于最小熱處理。焊縫回火脆化傾向試驗結果為vTr54+3△vTr54=-36℃，熱影響區回火脆化傾向試驗結果為vTr54+3△vTr54=-90℃，未發生明顯脆化。

表6 -30℃沖擊值（KV2）

5 應用前景

加氫反應器制造技術不斷進步，與以往采用30°彎管相比，90°彎管可以減少焊縫的數量，目前已經具備90°彎管整體堆焊技術。但是，90°彎管與直管之間的組焊仍采用焊條電弧焊，如果推廣使用埋弧焊方法，能夠有效提高產品質量和生產效率，有利于實現焊接自動化。對于厚壁管對接埋弧焊技術在90°彎管組焊中的應用場景，如圖4所示。

圖4 厚壁管對接埋弧焊應用

6 結束語

1）2.25Cr-1Mo-0.25V鋼管對接埋弧焊的難點在于，既要保證焊接效率，又要保證焊縫沖擊韌度，可通過嚴格控制預熱和層間溫度、降低焊接熱輸入等措施來保證。

2）通過采用?2.4mm埋弧焊絲進行焊接工藝評定，由于焊縫金屬化學成分、焊接接頭拉伸強度和彎曲性能、焊縫和熱影響區的低溫沖擊韌度、回火脆性等各項指標均滿足標準和設計技術要求，證明該方法具有可行性。

3）厚壁管對接埋弧焊技術在加氫反應器90°彎管組焊中推廣使用，有利于實現焊接自動化。