12CrMo9-10 鋼埋弧焊接工藝

珠光體耐熱鋼是在普通碳素鋼中加入Cr、Mo 等合金元素， 既提高了鋼的高溫強度及組織穩定性， 同時還具有良好的抗脆斷及抗氫腐蝕等性能， 通常是高溫高壓臨氫設備的首選材料

。但正是因其Cr、 Mo 等合金元素的添加， 使鋼的碳當量升高， 導致其淬硬性及冷裂傾向增大；而且該鋼中Cr、 Mo 等強碳化物形成元素及微量元素增加了焊接接頭再熱裂紋及回火脆化傾向，使鋼的焊接性變差

， 因此焊接過程中必須采用一定的工藝措施才能獲得滿足需求的焊接接頭。 本公司承制的反應器按照EN 13445 標準進行設計制造及檢驗， 材料牌號為12CrMo9-10，屬于珠光體耐熱鋼， 相當于SA-387 Gr22 CL2或12Cr2Mo1R 鋼， 但其化學成分及力學性能又存在不同。 為此， 本研究通過對12CrMo9-10 鋼焊接性的分析及系統的焊接工藝試驗， 掌握了該鋼的焊接工藝， 為承制反應器的焊接提供了技術保障。

1 試驗材料

本研究項目規范要求12CrMo9-10 鋼及其焊材化學成分除需滿足EN10028-2 及EN ISO 24598-A標準外， 還需滿足w（P）≤0.009%、 w（S）≤0.008%、w（Cu）≤0.2%及w（Ni）≤0.3%， 且需控制Sn、 Sb、As 元素含量， 使12CrMo9-10 鋼的J 系數=（Si+Mn）×（P+Sn）×10

≤100， 焊材的X 系數=（10P+5Sb+4Sn+As）×10

＜15×10

。 本試驗用板材與設備用鋼板具有同批號， 板材供應商為江陰興澄特種鋼鐵有限公司， 板材厚度為75 mm， 化學成分見表1。

本試驗采用埋弧焊焊接， 焊接材料為Bohler公司生產的SAFB165DC （UV 420 TTR） 焊劑與Φ4.0 mm SCrMo2 （T Union SA Cr2Mo SC） 焊絲，焊接材料的化學成分及性能需滿足EN ISO 24598-A標準要求， 實際用焊接材料化學成分見表2。

2 焊接性分析

2.1 冷裂紋敏感性試驗

通過12CrMo9-10 鋼的化學成分， 可根據國際焊接學會（IIW） 碳當量及冷裂紋敏感性指數計算方法計算鋼的碳當量Ceq=0.926%； 冷裂紋敏感性指數Pcm=0.362。 有關研究

表明， 當Ceq＞0.6%時， 鋼材淬硬傾向很大， 焊接性能很差； 當Pcm＞0.25 時， 鋼材有冷裂傾向， Pcm 值越高冷裂傾向越大， 需要通過焊前預熱避免焊縫及熱影響區開裂。

本研究首先按ISO 17642-2 進行了斜Y 形坡口焊接裂紋試驗， 通過不同預熱溫度下的焊接接頭出現裂紋的傾向， 確定有效防止12CrMo9-10鋼焊接冷裂紋產生的最低預熱溫度。 斜Y 形坡口焊接裂紋試板型式及尺寸如圖1 所示， 先焊接拘束焊縫， 焊前先將試板預熱至200 ℃以上， 然后采用J507 焊條雙面焊接， 焊后緩冷， 檢查間隙尺寸滿足2 mm±0.1 mm， 且不產生角變形。

(6)冷卻:當釜內甲烷氣體和水穩定在9.5 MPa后，分別設定恒溫水浴溫度為273.75 K、273.85 K和273.95 K 3個溫度值，通過冷卻釜內溫度誘導甲烷氣體生成水合物。

對4 組試板的表面、 橫截面及根部進行宏觀觀察及PT 檢測發現， 在預熱80 ℃焊接時， 試板的焊道表面、 橫截面及根部均發現裂紋； 在預熱120 ℃焊接時， 試板的橫截面及根部發現了裂紋； 在預熱溫度為160 ℃及200 ℃焊接時， 試板的焊道表面、橫截面及焊縫根部均未發現裂紋。 由此可知，12CrMo9-10 鋼焊接的最低預熱溫度應≥160 ℃，在此預熱溫度下焊接可有效防止冷裂紋的產生。

2.2 再熱裂紋敏感性試驗

12CrMo9-10 鋼中含有的P、 Sn、 Sb、 As 等雜質元素易在原奧氏體晶界偏聚， 弱化晶界， 使晶界滑移時喪失聚合力， 導致晶界脆化， 從而增加了再熱裂紋的可能性

。 同時該鋼中含有Cr、Mo 等強碳化物形成元素， 可提高鋼的高溫性能，但這些強碳化物形成元素在焊接快速冷卻過程中不能充分析出， 從而形成過飽和固溶體， 在再次加熱過程中， 由于在晶內析出強化， 使得殘余應力松弛所需要的應變或塑性變形集中于相對弱化的晶界， 當變形量增加到大于晶界的塑性變形能力時， 就會產生再熱裂紋

。 根據再熱裂紋敏感性指數公式可以計算出ΔG=5.2， 研究表明，ΔG＞2 時， 材料對再熱裂紋敏感

， 表明12Cr-Mo9-10 鋼具有較強的再熱裂紋敏感性。

同樣按ISO 17642-2 進行了斜Y 形坡口焊接裂紋試驗， 并采用同樣方法焊接拘束焊縫。 本試驗4 組試樣分別在不低于160 ℃的預熱溫度下進行焊接。 焊接完成后放置48 h， 對焊縫表面進行PT 檢測， 檢查焊道表面是否存在裂紋； 然后分別進行650 ℃/2 h、 690 ℃/8 h、 690 ℃/32 h和720 ℃/32 h 四種焊后熱處理工藝， 熱處理后放置48 h。 經對4 組試件的表面、 橫截面及根部進行宏觀觀察及表面PT 檢測， 均未發現裂紋， 說明通過對原材料微量元素化學成分的特殊要求， 以及焊前預熱等焊接過程控制措施能有效避免該材料再熱裂紋的產生。

焊前采用電加熱板將坡口及周邊區域預熱至200 ℃以上， 且焊接過程中層間溫度≤250 ℃，并采用熱電偶進行控溫， 始終保持在200～250 ℃進行焊接， 焊接參數見表4， 在焊接過程中嚴格控制焊接熱輸入， 并采用多層多道焊接。 焊接完成后，立即進行350 ℃/4 h 消氫處理， 消氫處理后放置24 h 后進行100%無損檢測 （磁粉+超聲+射線），檢測合格后， 將試樣切割成兩件， 分別進行最小焊后熱處理 （690±14 ℃/6 h） 及最大焊后熱處理（690±14 ℃/27 h）。 熱處理后再次放置24 h 后分別對兩試件進行100%無損檢測（磁粉+超聲+射線），所有檢測合格后進行相關的理化試驗。

3 焊接工藝試驗

3.1 試板的焊接及熱處理

采用SPSS 23.0統計軟件進行數據分析。定量資料以均數±標準差(x±s)表示，先進行正態性分析;正態分布資料采用兩獨立樣本t檢驗、非正態分布資料采用兩獨立樣本Mann-Whitney U檢驗，定性資料用百分數(%)表示、采用卡方檢驗進行組間比較。當P＜0.05時表示差異具有統計學意義。

3.2 試驗結果及討論

滲瀝液中懸浮物含量過多，可造成床體孔隙堵塞，堵塞程度因懸浮物自身組成和顆粒粗細的不同而異：有機物含量較多，且顆粒粗大者，容易引起反應床表面結皮，而細小的礦物顆粒則容易穿過表層，使床體內堵塞。堵塞一旦發生，即對床體滲透性能、復氧過程造成嚴重影響，進而使穩態運行系統失控。因此，滲瀝液進入礦化垃圾反應床之前，進行簡單的預處理工序十分必要。工程上設置了過濾器來防止礦化床被堵。

熔覆金屬化學成分見表5。 焊縫化學成分滿足EN ISO 24598-A 標準要求， 且此項目通過對母材、 焊材的微量元素特殊要求， 使得X 系數遠遠低于15×10

， 僅為8.3×10

， 降低了焊縫中微量元素沿晶界擴散偏析， 提高了焊接接頭抗回火脆性能力。

3.2.1 化學成分

埃塞是中國國際產能合作先行試點國家，也是“一帶一路”重點戰略合作投資國家。根據埃塞工業園政策以及以出口為主和大量解決就業項目，最多可以享受15年免稅，埃塞政府還可以給予一定的配套融資。這對外國投資者特別是中國企業投資埃塞是一個政策利好方面。

All the indices were measured strictly according to manufacturers’ instructions.

對最小焊后熱處理及最大焊后熱處理試件分別進行焊接接頭常溫拉伸試驗、 熔敷金屬482 ℃高溫拉伸試驗、 導向彎曲試驗、 焊接接頭沖擊試驗及硬度試驗， 試驗結果分別見表6～表8。 從表6～表8 可以看出： ①經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強度、 高溫拉伸強度、 導向彎曲沖擊韌性及硬度值均滿足相關標準及項目技術要求； ②試件最大熱處理后的抗拉強度及硬度比最小熱處理后的平均值有所下降， 數據總體符合焊后熱處理規范的參數對2.25Cr-1Mo類別鋼焊接接頭的抗拉強度及硬度的影響。

3.2.3 回火脆化傾向評定試驗

試樣經分步冷卻脆化處理后應滿足vTr55+2.5ΔvTr55≤10 ℃的要求， 其中vTr55 為步冷前沖擊功為55 J 時的轉變溫度， ΔvTr55 為步冷后沖擊功為55 J 時的轉變溫度增量。 通過曲線可以得出：

此試驗目的是在較短的時間內加速鋼的脆化， 來測定鋼材的回火脆化敏感性。 本試驗是在最小焊后熱處理試板1/2 壁厚的焊縫及熱影響區分別取2 組試樣 （每組8 套）， 其中一組按API RP 934-A 進行分步冷卻脆化處理。 對步冷前和步冷后的兩組試樣各進行-100 ℃、 -80 ℃、 -60 ℃、-40 ℃、 -30 ℃、 -10 ℃、 0 ℃和20 ℃沖擊試驗，試驗結果如圖3 和圖4 所示。

本試驗4 組試板分別在80 ℃、 120 ℃、 160 ℃和200 ℃預熱溫度下進行焊接。 焊接完成后放置48 h， 采用宏觀觀察及滲透檢測 （PT）， 檢查焊道表面是否存在裂紋； 并分別在各組試板的試驗焊道部位進行切割， 檢查焊道橫截面斷面裂紋；最后將著色后試板拉斷， 對試件的焊道根部處裂紋進行檢測。 檢查后得到的試板裂紋率見表3。

（1） 焊縫區： vTr55=-49.23 ℃， ΔvTr55=4.41 ℃， vTr55+2.5ΔvTr55=-38.21 ℃；

3.2.2 力學性能

（2） 熱影響區： vTr55=-58.13 ℃， ΔvTr55=4.26 ℃， vTr55+2.5ΔvTr55=-47.48 ℃。

焊縫和熱影響區的vTr55+2.5ΔvTr55 均小于10 ℃， 說明焊接接頭脆化傾向不明顯。 這與對母材和焊材中的P、 Sn、 Sb、 As、 Mn、 Si 等微量元素特殊要求直接相關， 因為母材和焊縫中的雜質元素在奧氏體晶界偏聚， 會降低晶界處Fe 原子的結合力， 材料經受沖擊或拉伸時， 界面能較弱的晶界處很容易首先開裂， 如果材料的晶內韌性好，裂紋就會沿晶界擴展， 從而造成沿晶斷裂。 這與前文所述結論一致。

擬建印度WPCPL發電工程，本工程計劃建設4×135MW燃煤發電機組，按2臺機組合用1座煙囪考慮，4臺機組共設置2座220m高雙管鋼內筒煙囪，2個煙囪中心相距118.2m，煙囪中的每個鋼內筒內直徑為3.5m，煙氣流速不大于25m/s。風荷載取值可按要求折算為我國的基本風壓。

4 結 論

（1） 當12CrMo9-10 鋼焊接預熱溫度≥160 ℃時， 可有效防止冷裂紋的發生， 并在650 ℃/2 h、690 ℃/8 h、 690 ℃/32 h 和720 ℃/32 h 熱處理后均不會產生再熱裂紋。

（2） 采用T Union SA Cr2Mo SC 焊絲+UV 420 TTR 焊劑的焊材組合， 預熱200 ℃以上， 層間溫度200～250 ℃， 并控制焊接線能量不高于3.0 kJ/mm，后經模擬焊后熱處理， 12CrMo9-10 鋼焊接接頭常溫和高溫強度、 彎曲性能、 硬度及-30 ℃低溫沖擊韌性良好， 能夠滿足標準及技術條件要求。

（3） 焊縫金屬的回火脆化傾向試驗結果為-38.2 ℃， ΔvTr55 僅為4.4 ℃， 熱影響區回火脆化傾向試驗結果為-47.4 ℃， ΔvTr55 僅為4.2 ℃，焊接接頭回火脆化傾向小， 抗回火脆化性能良好。

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