14Cr1MoR鋼焊接工藝性研究及其在石油化工裝置中的應用

陳昌軍　林立　王文濤

摘要：14Cr1MoR鋼因具有較好的耐熱強度及抗氧化、抗氫、抗硫腐蝕性能以及廉價性，在石油化工行業的氨合成塔、焦炭塔、加氫反應器等重要裝置中得到廣泛應用。綜述了14Cr1MoR鋼的化學成分和力學性能，重點分析了其焊接性、焊接工藝要點、存在的焊接問題及處理方法、復合焊接等，指出了其與不銹鋼復合鋼板是實現材料兼具熱強性與高耐蝕性的有效方法，為14Cr1MoR鋼得到更好的應用提供了理論參考。

關鍵詞：14Cr1MoR鋼;焊接性;焊接工藝要點;復合鋼板

中圖分類號：TG47文獻標志碼：B文章編號：1001-2303（2020）05-0094-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.19

0 前言

隨著石油工業產業的不斷發展，高溫、高壓、高腐蝕的工況環境對石油化工裝置提出了更為苛刻的要求，所采用的鋼材必須具有優異的常溫機械性能、常溫塑性、韌性和抗回火脆性及耐蝕性。早期，這類設備所需鋼材只能通過進口，如SA387 Gr11 C12等材料，但是此類鋼材價格昂貴、供貨周期長，不適宜工業生產。近年來，國產14Cr1MoR鋼因高溫性能穩定、價格便宜、加工性能優異等優點逐漸進入石化行業，在降低成本的同時縮短了生產周期，為大眾所青睞。

1 14Cr1MoR鋼的化學成分及力學性能

1.1 14Cr1MoR鋼的化學成分

14Cr1MoR鋼是舞陽鋼廠開發的一種抗氫耐熱鋼，屬鉻鉬低合金結構鋼，執行GB713-2008國家標準，系1.25Cr0.5Mo珠光體耐熱鋼，其化學成分如表1所示。其中Cr、Mo為主要熱強元素，Cr能增加鋼的淬透性并有二次硬化的作用，可在提高碳鋼的硬度和耐磨性的同時不使鋼變脆，使其具有良好的高溫抗氧化性和耐氧化性腐蝕作用，還增加了其熱強性，是耐熱鋼的主要合金元素。Mo增強了鋼的熱強性，防止回火脆性，并進一步提高對有機酸（如蟻酸、醋酸、草酸等）以及過氧化氫、硫酸、亞硫酸、硫酸鹽、酸性染料等的抗蝕性，特別是防止了氯離子產生的點腐蝕傾向。

1.2 14Cr1MoR鋼的力學性能

為了獲取良好的力學性能，14Cr1MoR鋼的熱處理工藝為900 ℃水冷淬火+685 ℃高溫回火。900 ℃淬火后的組織為板條馬氏體，具有高的強度（1 000～1 040 MPa）和顯微硬度（401～446 HV），但塑性和韌性較差，必須通過高溫回火以改善其塑性和韌性。14Cr1MoR鋼的力學性能如表2所示。

2 14Cr1MoR鋼的焊接應用研究

2.1 14Cr1MoR鋼的可焊性分析

采用國際焊接學會推薦的碳當量計算公式CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15，根據表1中數據計算出14Cr1MoR鋼的CE為0.42%～0.72%。一般當CE<0.4%時，鋼材的焊接性能良好，無需預熱即可焊接;當0.4%～0.6%時，鋼材的焊接性能不佳，需較高溫度預熱，嚴格控制焊接工藝，才能進行焊接。可見14Cr1MoR鋼具有一定的淬硬傾向，易產生冷裂紋，一般采用低氫焊條并控制焊接熱輸入，加上適當的預熱、后熱和焊后熱處理等工藝措施來保證焊縫質量。

14Cr1MoR鋼存在較多具有沉淀強化的合金元素（Cr、Mo），在焊接過程中熱影響區受到高溫作用，奧氏體晶粒嚴重長大，碳化物溶于奧氏體中，焊接接頭經過700 ℃左右的焊后熱處理，碳化物在晶粒內部析出，晶粒內部強化，晶界薄弱，當拘束應力超過晶界抗拉強度時，則產生再熱裂紋[1]。針對該問題，可采取以下措施：焊接時控制線能量的輸入，盡量減少過熱粗晶區;選用低匹配的焊接材料，適當地降低焊縫金屬強度以及提高其塑性變形能力;采用預熱和后熱措施;控制焊接質量，合理裝配，以減少焊接接頭的應力集中，減少再熱裂紋的產生。

2.2 14Cr1MoR鋼的焊接工藝要點

2.2.1 焊接材料及方法

14Cr1MoR鋼焊接時，焊材的選擇應充分考慮焊縫金屬的熱膨脹系數、成分和力學性能與母材相匹配，特別是熱強性。常采用焊條電弧焊（SMAW）固定和埋弧焊（SAW）雙面成型焊接，常用H13CrMoA焊絲-J603焊劑，R307H焊條（φ4.0），焊材成分如表3所示。

2.2.2 焊接工藝參數的選擇

焊接工藝參數包括焊接熱輸入、焊前預熱溫度和道間溫度等，會直接影響焊接接頭的冷卻條件，進而影響其組織性能。王國慶[2]曾提出，對于Cr-Mo系耐熱鋼采用熱焊工藝焊接可提高合金的耐應力腐蝕性能。14Cr1MoR鋼多為中厚板，散熱慢，大的熱輸入容易造成接頭晶粒粗大，強度和韌性降低，應采用小的焊接熱參數，配合預熱與緩冷，縮小焊接接頭過熱區寬度，限制晶粒長大，同時防止冷裂紋的產生。常用焊接工藝參數如表4所示，電流種類及極性均為直流反接[3]。

2.2.3 焊接輔助措施

14Cr1MoR鋼多采用雙U型及Y型坡口，熱切割前，將割口邊緣預熱150 ℃;熱切割后，采用機械加工方法加工坡口，并對坡口表面進行磁粉探傷，檢查是否存在表面裂紋。焊前應將坡口表面及兩側各100 mm范圍內的油污、鐵銹清除干凈，焊條嚴格按烘干工藝烘干，隨用隨取，以減少焊接接頭擴散氫的來源。

焊前預熱、道間溫度的控制及后熱消氫處理可顯著降低焊接區氫含量和淬硬傾向，避免冷裂紋的產生，是保證焊接質量的重要環節。通過大量試驗確定14Cr1MoR鋼的最低預熱溫度為150 ℃，道間溫度控制在 150～250 ℃。受厚鋼板拘束度的影響，預熱溫度多為200 ℃，道間溫度為200～250 ℃，焊后應立即進行 350～400 ℃消氫處理。

為消除14Cr1MoR鋼殘余應力，改善焊接接頭的金相組織，提高接頭的綜合力學性能（降低焊縫及熱影響區硬度，提高接頭的高溫蠕變強度和組織穩定性），應及時進行焊后熱處理。焊后熱處理工藝參數為：（600～690）±14 ℃保溫2～3.5 h，熱處理后焊縫硬度低于225 HB[4]。

2.3 14Cr1MoR鋼復合鋼板焊接應用

14Cr1MoR鋼雖然具有優異的高溫力學性能，但在日益苛刻的工況環境下，其耐蝕性不能滿足使用要求，為提高設備整體壽命，在實際生產設計中多采用14Cr1MoR鋼與其他耐蝕材料的復合板以獲得更優良的性能。常用復合材料包括S321、S347、S904L、S11306、S410等不銹鋼[5-6]。其中與S321不銹鋼復合鋼板廣泛應用于抗晶界腐蝕性要求高的化學、煤炭、石油等工業;與S347H不銹鋼復合鋼板具有良好的耐晶間腐蝕性和較高的持久強度和抗氧化性能;與S904L不銹鋼復合鋼板對氯化物有著良好的耐應力腐蝕性能，在中性氯化物中具有非常好的耐點蝕性能[7];與S11306不銹鋼復合鋼板具有良好的抗腐蝕能力和抗氧化作用，較高的淬透性、耐磨性及熱強性。復合鋼板焊接時應注意過渡層成分及焊后熱處理的控制。

3 14Cr1MoR鋼在石油化工裝置中的應用現狀

14Cr1MoR鋼憑借其較好的耐熱強度及抗氧化、抗氫、抗硫腐蝕性能，廣泛應于煤化工、石油化工及化學工業用設備制造領域，主要用于溫度不大于500 ℃的中溫壓力容器的制造，如氨合成塔、焦炭塔、加氫反應器、換熱器、中溫變換爐等。

3.1 氨合成塔

氨合成塔被稱為合成氨廠的心臟，是在高溫高壓條件下使氮氣和氫氣發生催化反應合成氨的關鍵設備，為高溫臨氫設備，服役條件十分惡劣。該設備采用立式結構，上部為熱端，設計溫度493 ℃，下部為冷端，設計溫度275 ℃，設計壓力0.53 MPa。選材設計原則為在滿足強度和剛度的要求下主要滿足防腐要求;在滿足設計（壓力、溫度）條件下盡量選擇便宜易加工的材料，做到經濟、耐用、實惠[8-9]。14Cr1MoR鋼為其主要受壓元件的選材，如內筒和筒體端部等。舞鋼通過優化成分設計、合理控制冶煉、軋制及熱處理工藝開發的151 mm厚14Cr1MoR鋼板，其組織為均勻的單一貝氏體回火組織，具有良好的常溫、高溫拉伸性能和優良的低溫沖擊韌性，滿足了氨合成塔的技術要求[10]。

3.2 焦炭塔

延遲焦化裝置的核心設備是焦炭塔，是煉油廠所有壓力容器中使用環境最惡劣的設備之一[11]。焦炭塔一般每48 h進行1次從常溫至500 ℃操作溫度的循環，始終工作在高應力低周疲勞的惡劣狀態;在低pH值、高含Cl-和H2S酸性水作用下易產生沖蝕、汽蝕;在進料生焦過程中出現高溫硫腐蝕，產生FeS保護膜，但原料分解產生的Cl-及冷焦水中帶來的Cl-會降低材質表面保護膜的形成或加速保護膜的破壞，從而促進焦碳塔局部腐蝕破壞，為疲勞破壞提供裂紋源。

焦炭塔為壓力容器復合板設備，主體材質為14Cr1MoR。塔頂至泡沫層以下200 mm的材質為14Cr1MoR+410S，其他部分為14Cr1MoR，其中焦炭塔下部錐段為14Cr1MoR鍛件。國內現有的在役焦炭塔主要出現了鼓凸變形，筒體和裙座之間的焊縫等部位出現裂紋、內壁腐蝕等問題[12]。

3.3 加氫反應器

加氫反應器是在高溫、高壓，并在含有氫或氫+硫化氫介質條件下工作的重要煉油工藝設備，其操作條件極為苛刻，對材料的高溫力學性能提出了更高的要求[13]。其主體材質常選擇14Cr1MoR鋼，所有承壓焊縫全部采用全焊透窄間隙結構，焊縫及堆焊層的氫損傷是其主要破壞形式。

4 結論

（1）14Cr1MoR鋼的焊接結構存在冷裂紋、再熱裂紋及回火脆性等焊接問題，必須根據具體工況條件選擇合適的焊接工藝參數及輔助措施，以保證焊接質量。

（2）14Cr1MoR鋼具有較好的耐熱強度及抗氧化、抗氫、抗硫腐蝕性能，廣泛應用于臨氫、高溫、高壓的化工裝置，科學合理的焊接技術是設備安全、生產安全的重要保障。

（3）14Cr1MoR鋼和不銹鋼復合鋼板是實現材料兼具熱強性和高耐蝕性的有效方法，過渡層成分及焊后熱處理的控制將成為重點研究內容之一。

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