12Cr1MoV+35CrMo 焊縫裂紋原因分析

李為然，虞啟義

（中國聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310052）

1 概述

隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展，為了提高電力系統(tǒng)耐用性、持久性，降低投資，電廠系統(tǒng)采用的鋼材不斷更新?lián)Q代，使用異種鋼焊接不停增多。為此，對焊接、預熱和熱處理的施工方法和流程提出了更高的要求。

12Cr1MoV 和中碳鋼35CrMo 焊接在電廠管道焊接中經(jīng)常使用，但在實際焊接中頻頻出現(xiàn)裂紋，在一些小型電廠施工特別突出，嚴重影響項目進度及質量，同時也為電廠蒸汽管道泄漏事故埋下重大隱患。

2 問題緣由

某化工廠的自備電廠地處福建沿海，場地為吹砂填海而成，設計規(guī)模為3x240t/h 高溫高壓循環(huán)硫化床鍋爐配套2 臺25MW 背壓式汽輪發(fā)電機，該自備電廠的供熱蒸汽參數(shù)為 4.30MPa(g)，420℃，管道選用 12Cr1MoV，速關逆止閥的連接法蘭材質為35CrMo。該蒸汽管道為自備電廠向下游供氣的主管道，一旦發(fā)泄漏易，直接影響下游供氣，損失極大。但在管道與法蘭連接處，焊接過程中或焊后多次發(fā)生焊接裂，具體詳見圖1。

該焊接接頭經(jīng)過幾次返修后，仍未有效解決。經(jīng)查核連接法蘭35CrMo 及管道材質均符合國家相關標準，為合格產品。

3 問題分析

通過分析另幾個項目，類似管道材質及閥門法蘭的焊接，亦存在失敗的案例，但未找出產生的原因和合適工藝，以徹底消除裂紋。因此，有必要通過人機料法環(huán)等各個條件進行排查和分析。

圖1

3.1 人員分析

針對該化工自備電站的焊接，根據(jù)國家規(guī)范[1]要求，焊接人員均取得了國家認可的資格證，并經(jīng)過現(xiàn)場培訓和現(xiàn)場焊接測試合格后才進行現(xiàn)場相關的焊接操作，由此直接焊接此類異種鋼的人員資質符合要求。

但熱處理操作人員是沒有取得熱處理證的臨時工，現(xiàn)場短期培訓就上崗操作。但由該人員熱處理的12Cr1MoV+12Cr1MoV 管道焊口硬度卻都是符合要求，因此熱處理人員到底是否為產生裂紋的原因需要進一步深入探究。

3.2 設備分析

表1 12Cr1MoV 化學成分

表2 35CrMo 化學成分

表3 焊接參數(shù)

焊接設備和熱處理設備均有出廠合格證，經(jīng)測試各項指標均符合國家標準，消除了設備產生裂紋的因素。

3.3 材質分析

根據(jù)規(guī)范要求，對現(xiàn)場所有的合金鋼管道、管件進行了光譜分析復核，材質及力學性能均為符合要求。具體成分參數(shù)見表1、表2，力學性能如下：

12Cr1MoV 力學性能：

抗拉強度：≥490MPa

屈服強度：≥245MPa

斷后伸長率：≥22%

斷面收縮率：≥50%

沖擊功：≥71J

35CrMo 力學性能：

抗拉強度 σb（MPa)：≥985(100）

屈服強度 σs（MPa）：≥835（85）

伸長率 δ5（%）：≥12

斷面收縮率 ψ（%）：≥45

沖擊功 Akv（J）：≥63

沖擊韌性值 αkv（J/cm2）：≥78（8）

硬度：≤229HB

從以上的材質分析和力學性能上來看，12Cr1MoV 和35CrMo 的可焊性比較好，可基本確定裂紋問題并非材質問題造成的。從上述相關的管道、管件質量報告中也能確認這兩種鋼材的質量是合格，亦可以焊接。

3.4 施工方法分析

蒸汽管道和速關逆止閥連接法蘭接口規(guī)格為φ273x8，根據(jù)DLT869-2012《火力發(fā)電廠焊接技術規(guī)程》[1]中的要求，焊口兩側需打磨成V 形坡口。焊接12Cr1MoV和中碳鋼35CrMo 異種鋼時，選用[2-3]的是焊絲為TIGR31 及焊條為E5515-B2-V（R317）。焊接時，采用鎢極氬弧焊打底和手工電弧焊蓋面的方法。

焊接參數(shù)如表3。

但在實際實施中，焊接接頭采用最后固定焊接，法蘭與閥體用螺栓先連接固定。因法蘭端部長度短、坡度大，焊前無法對法蘭側進行預熱，僅對管道側進行了預熱。

根據(jù)以上工藝進行了四次焊接，前兩次在焊接過程中并沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。焊接完畢，等待半天或者一天后，才對焊口進行回火熱處理。待熱處理溫度冷卻后，進行射線無損探傷，發(fā)現(xiàn)底片上有較多裂紋，清晰可見，最長的可達150mm；而后兩次焊接，在氬弧焊打底時就發(fā)生了裂紋，后經(jīng)打磨處理再次焊接，仍然產生裂紋，后多次處理焊接，仍無法消除。

通過現(xiàn)場分析，初步認為產生裂紋的原因如下：

（1）預熱時，履帶加熱器綁扎不規(guī)范。

（2）熱處理與焊接完畢之間的時間間隔太長。

（3）硅酸鋁針刺毯保溫不規(guī)范。

3.5 環(huán)境分析

該項目臨近海邊，焊接施工過程中濕度、溫度及風速將對焊接結果可能影響比較大，為此有必要進一步分析。

濕度：經(jīng)分析項目其他地方有該材質焊接成功的案例，故可排除了潮濕造成產生裂紋的原因。

溫度：該項目地處福建，施工環(huán)境溫度在5℃以上，并不會對此類合金鋼焊接產生影響。

風速：焊接過程在廠房內焊接，風速比較小，消除了風速對焊接接頭產生影響。

因此，通過上述一系列分析，初步認為產生裂紋的原因主要是人員、預熱和熱處理環(huán)節(jié)：

（1）熱處理人員沒有進行相關培訓，缺乏的操作經(jīng)驗。

表4 焊接參數(shù)表

（2）法蘭側沒有進行預熱。

（3）焊接完畢后與熱處理時間間隔太長。

4 解決問題

根據(jù)上述原因，重新調整焊接工藝：在平臺上組合焊接，先采用法蘭與管道短節(jié)焊接在一起，然后再與閥門、管道安裝連接，調整熟悉焊接操作的焊接人員，并進行相關熱處理設備。

按DL/T 819-2010《火力發(fā)電廠焊接熱處理技術規(guī)程》中的要求[1]，采用柔性陶瓷電阻加熱，將焊口兩側的管道和法蘭都綁扎履帶式加熱器，并采用完好的硅酸鋁針刺毯將履帶式加熱器包裹起來并綁扎牢固。后用硅酸鋁針刺毯將整個法蘭包裹起來并綁扎牢固，這有助于保證管道和法蘭的預熱溫度快速上升。

焊接前控制預熱溫度為200～300℃，當采用鎢極氬弧焊打底時，按下限溫度降低50℃預熱，過程中始終控制溫度在150℃以上（也可在200℃以上）。熱處理操作人員要始終監(jiān)控熱處理設備參數(shù)，并隨時與焊接人員保持聯(lián)系，若出現(xiàn)溫度下降至150℃以下，應該立即停止焊接。

在預熱溫度沒有達到150℃之前，先對焊口進行點焊固定，發(fā)現(xiàn)所有焊點都產生了裂紋。待預熱溫度達到150℃后，把所有的固定焊點清理至沒有裂紋為止，然后開始采用氬弧焊開始焊接。施焊過程中，采用手持式測溫槍定時、分區(qū)、多點對焊口進行測溫，測溫時主要是測量坡口鈍邊處的溫度，確保達到150℃上方可焊接。在精確、雙重操控之下，打底層再沒有出現(xiàn)裂紋。其焊絲采用TIG-R31。具體焊接參數(shù)見表4。

打底結束后，反復檢查確認沒有裂紋后，采用氬弧焊填充蓋面。焊接完畢后，再次持手電筒輪流檢查，仍然未發(fā)生裂紋，因此證明此方法可以滿足上述焊接要求。

在確認沒有裂紋后，立即拆除預熱履帶式加熱器，改換成熱處理履帶式加熱器，并將熱電偶和硅酸鋁針刺毯也綁扎固定牢固。

按規(guī)范要求[1]，管徑/壁厚>15，項目采用柔性陶電阻加熱進行熱處理，加熱寬度從焊縫中心起每側為200mm。焊接熱處理的保溫寬度從焊縫中心算起，每側比加熱寬度增加了150mm，保溫厚度為60mm?？紤]管道外徑為273mm，采用1 個熱電偶。

熱處理操作人員確認綁扎合格后，立即對焊口進行熱處理。焊接完畢與焊后回火熱處理之間不再有時間間隔。

熱處理完畢后，經(jīng)射線無損探傷，確認此焊口為一級合格，無裂紋，成功效果明顯。

5 總結

因此，12Cr1MoV 和中碳鋼35CrMo 異種鋼產生裂紋的原因總結如下：

（1）焊接管理人員對熱處理未予以重視，缺乏對熱處理對焊接接頭的重要性認識。

（2）預熱時沒有對法蘭側進行預熱。

（3）焊接接頭放置時間太長，沒有及時熱處理。即：焊接完畢后，不再等焊口冷卻應立即進行熱處理。

（4）保溫作用的硅酸鋁針刺毯，沒有按要求綁扎牢固。

6 結束語

通過該項目焊接分析，施工現(xiàn)場要加強對焊接熱處理重視，需要消除習慣性的思維邏輯。

常規(guī)鋼焊接接頭按要求進行熱處理，基本上不會產生缺陷的現(xiàn)象，但對異種鋼焊接時尤其要提高警惕，特別是與中碳鋼連接的焊接接頭，它對產生焊接裂紋起到了關鍵性作用；同時還需把控焊接方法與施工流程之間的時間間隔。