金東發(fā)，鄒坤，畢大青，馮錦娟

（無錫化工裝備有限公司，江蘇 無錫 214131）

高溫、高壓的臨氫設(shè)備是石油煉化、煤化工等行業(yè)的核心裝置，長期在高溫、高壓和臨氫等苛刻工況下運行，使用工況十分惡劣[1-3]。常規(guī)碳素鋼的強度隨著工作溫度的升高而急劇下降，其極限工作溫度僅為350℃，顯然無法勝任于臨氫設(shè)備用材。而2.25Cr-1Mo 鋼具有良好的高溫機械性能、高溫組織穩(wěn)定性、良好的抗脆斷能力、抗氫蝕及冷熱加工等性能[3-4]，是高溫高壓臨氫設(shè)備的首選材料。

2.25Cr-1Mo 鋼是在普通碳鋼中加入Cr、Mo 等合金元素，提高了鋼的高溫強度及組織穩(wěn)定性，但正是由于其含有一定量的合金元素，使得材料的碳當(dāng)量值升高，具有較大的淬硬及冷裂傾向，且該鋼中含有一些強碳化物形成元素及微量元素易使焊接接頭產(chǎn)生再熱裂紋及回火脆化傾向，焊接性很差[4-5]，所以焊接過程中制造廠必須采用一定的控制措施才能獲得滿足客戶需求的焊接接頭。為此，本文在了解耐熱鋼焊接特點基礎(chǔ)上，對2.25Cr-1Mo 鋼進行了系統(tǒng)的焊接工藝試驗，掌握了該材料合理的焊接工藝，為該材料設(shè)備的焊接進行技術(shù)儲備。

1 試驗材料

如前所述，2.25Cr-1Mo 鋼具有較差的焊接性，制造廠有必要對材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能及焊接過程進行相應(yīng)控制，確?？梢垣@得良好的焊接質(zhì)量。本公司承制的項目是按ASME 標(biāo)準進行設(shè)計制造，材料化學(xué)成分及性能除需滿足ASME II 卷A 篇及API RP 934-A 要求外，還需滿足P、S 的化學(xué)成分分別不高于0.009%及0.008%，且446 ℃的高溫抗拉強度Rm≥410 MPa 及高溫屈服強度RP0.2≥209 MPa 的項目規(guī)范要求。

本試驗用板材的牌號為SA-387 Gr22 CL2，其規(guī)格為2 000 mm×150 mm×42 mm（由設(shè)備用90 mm厚板加工至42 mm），板材供應(yīng)商為江陰興澄特種鋼鐵有限公司，板材化學(xué)成分見表1。

表1 試驗用板材化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of base metal used for testing (wt. %)

本試驗采用埋弧焊焊接，所用焊接材料為Bohler公司生產(chǎn)的焊劑F9P2（UV 420 TTR）與焊絲EB3（T Union SA Cr2Mo SC），φ4.0 配合，焊接材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能需滿足ASME II 卷C 篇SFA-5.23 要求外，還需滿足上述項目規(guī)范要求，實際用焊接材料熔敷金屬化學(xué)成分見表2。

表2 焊接材料熔敷金屬化學(xué)成分Table 2 Chemical compositions of deposited metal of welding consumable (wt.%)

2 試板的焊接及熱處理

2.1 焊前準備

首先按下圖1 尺寸要求進行坡口準備，焊前采用打磨方式將試板坡口及坡口周邊區(qū)域打磨至金屬光澤去除母材表面鐵銹等污染物。焊接設(shè)備為北京時代MZ-1250 埋弧焊機。

圖1 焊接坡口及尺寸Fig.1 Welding test plate groove and dimension

2.2 預(yù)熱溫度及層間溫度

通過預(yù)熱可有效地降低2.25Cr-1Mo 鋼在焊接過程中焊接接頭的冷卻速度，避免淬硬組織的形成。同時層間溫度也需嚴格控制，過高的層間溫度會引起熱影響區(qū)局部晶粒粗大，使得焊縫沖擊韌性下降[6]。故本試驗焊前采用電加熱板將坡口及周邊區(qū)域預(yù)熱至200 ℃以上，且焊接過程中層間溫度不高于250 ℃，并采用熱電偶進行控溫，始終保持在200 ～ 250 ℃間進行焊接直至進行焊后熱處理、中間消除應(yīng)力熱處理（ISR）或消氫處理（DHT）。

2.3 焊接參數(shù)制定

本試驗的焊接參數(shù)見表3，在焊接過程中嚴格控制焊接熱輸入，并采用多層多道焊接，提高焊接接頭韌性。通常隨著焊接線輸入的增大，可以降低冷卻速度，有利于焊接接頭中氫的逸出，防止冷裂紋的產(chǎn)生。但如果2.25Cr-1Mo 鋼的焊接熱輸入過大，會增加焊接應(yīng)力及使熱影響區(qū)晶粒粗大，而晶界數(shù)量的降低則會使得晶界不足以阻擋位錯的滑移，且強碳化物形成元素有足夠的時間在晶內(nèi)彌散沉淀，使得晶內(nèi)強化而晶界弱化，導(dǎo)致在后續(xù)熱處理時所產(chǎn)生的應(yīng)力松弛全部聚集于晶界上的形變超出晶界的塑性極限而形成熱影響區(qū)再熱裂紋[7]。所以2.25Cr-1Mo 鋼的焊接除了控制預(yù)熱溫度及層間溫度極其重要外，焊接熱輸入的控制也尤其關(guān)鍵。

表3 2.25Cr-1Mo 鋼焊接參數(shù)Table 3 Welding process parameters of 2.25Cr-1Mo steel

2.4 焊后熱處理

為了防止氫致冷裂紋，2.25Cr-1Mo 鋼焊接完成后，應(yīng)立即進行中間消除應(yīng)力熱處理（ISR）或消氫處理（DHT）。DHT 可以消除焊縫金屬中的擴散氫來防止焊縫冷裂紋產(chǎn)生，而ISR 不僅可以消氫，還可消除焊縫殘余應(yīng)力并改善焊縫韌性。所以本試驗焊后立即進行600 ～ 640 ℃/2 h 的ISR，ISR 后并放置了24 h后進行了100%（MT+UT+RT）無損檢測，檢測合格后，將試樣切割成兩件，分別進行（690±14） ℃/8 h的最小焊后熱處理及（690±14） ℃/32 h 的最大焊后熱處理。熱處理后并再次放置24 h 后分別對兩試件進行100%（MT+UT+RT）無損檢測，所有檢測合格并進行了相關(guān)的理化試驗。

3 試驗數(shù)據(jù)及分析

3.1 化學(xué)成分

對試件焊縫熔覆金屬化學(xué)成分進行分析，試驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 熔敷金屬化學(xué)成分Table 4 Chemical compositions of deposited metal wt.%

通過試驗數(shù)據(jù)可以看出，焊縫化學(xué)成分滿足ASME II卷C篇SFA-5.23要求；且此項目通過對母材、焊材的微量元素采購特殊限制，使得焊接接頭的回火脆性指數(shù)X遠遠低于15×10-6，僅為6.8×10-6，降低了焊縫金屬中的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 力學(xué)性能

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、熔覆金屬450 ℃高溫拉伸試驗、導(dǎo)向彎曲試驗、焊接接頭沖擊試驗及硬度試驗。試件焊接接頭拉伸及彎曲試驗數(shù)據(jù)見表5，焊接接頭沖擊試驗數(shù)據(jù)見表6，焊接接頭硬度試驗數(shù)據(jù)見表7。

表5 焊接接頭拉伸及彎曲試驗數(shù)據(jù)Table 5 Tensile and bend test results of welding joint

表6 焊接接頭沖擊試驗數(shù)據(jù)Table 6 Impact test results of welding joint

表7 焊接接頭硬度試驗數(shù)據(jù)（HBW）Table 7 Hardness test results of welding joint (HBW)

通過試驗數(shù)據(jù)可以看出：

（1）經(jīng)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(dǎo)向彎曲、沖擊韌性及硬度值均滿足相關(guān)標(biāo)準及客戶要求。

（2）試件最大熱處理后的抗拉強度比最小熱處理后的抗拉強度的平均值下降約15 MPa 左右；試件最大熱處理后的硬度比最小熱處理后的硬度的平均值也有明顯下降。

（3）試驗數(shù)據(jù)總體上符合焊后熱處理規(guī)范的參數(shù)對2.25Cr-1Mo 鋼焊接接頭的抗拉強度及硬度的影響，即隨著回火參數(shù) 的增加焊縫的強度及硬度有所降低。因焊接接頭的沖擊韌性隨著回火參數(shù)的增加總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，故其回火參數(shù)在合適的范圍內(nèi)均可行。

3.3 回火脆化傾向評定試驗

此試驗的目的是在較短的時間內(nèi)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的焊縫及熱影響區(qū)上分別取2 組試樣，每組8 套試樣，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（每組8 套）各進行-100 ℃、 -80 ℃、-60 ℃、-40 ℃、-29 ℃、-10 ℃、0 ℃、20 ℃沖擊試驗，根據(jù)沖擊試驗結(jié)果分別繪制焊縫及熱影響區(qū)的步冷前及步冷后沖擊功與試驗溫度的關(guān)系曲線（見圖2 及圖3）。試樣經(jīng)分步冷卻脆化處理后應(yīng)滿足VTr55 + 2.5ΔVTr55 ≤10 ℃的要求，式中VTr55 為步冷前沖擊功為55 J 時的轉(zhuǎn)變溫度，ΔVTr55 為步冷后沖擊功為55 J 時的轉(zhuǎn)變溫度增量。

圖2 焊縫步冷試驗前后沖擊功與溫度關(guān)系曲線Fig.2 Curve about the impact energy and temperature of weld before and after step cooling

圖3 熱影響區(qū)步冷試驗前后沖擊功-溫度關(guān)系曲線Fig.3 Curve about the impact energy and temperature of HAZ before and after step cooling

通過曲線可以得出：

（1）對于焊縫區(qū)：

VTr55 = -54.73 ℃

ΔVTr55 = 5.05 ℃

VTr55 + 2.5ΔVTr55 = -42.11 ℃

（2）對于熱影響區(qū)：

VTr55 = -57.63 ℃

ΔVTr55 = 5.63 ℃

VTr55 + 2.5ΔVTr55 = -43.56 ℃

焊縫及熱影響區(qū)VTr55 + 2.5ΔVTr55 遠小于10 ℃，說明其經(jīng)過長時間熱循環(huán)后的脆化傾向不明顯，焊接接頭具有良好的耐回火脆性性能。也進一步說明了通過焊前對母材及焊接材料中的微量元素的特殊控制，可以有效降低2.25Cr-1Mo 鋼的焊縫金屬及熱影響區(qū)回火脆化敏感性。

4 結(jié)論

（1）由于2.25Cr-1Mo 鋼材料特殊的焊接性，如果額外對母材及焊接材料中的微量元素、母材的J 系數(shù)及焊縫金屬的X 系數(shù)加以控制，可以有效地減少焊縫金屬中的微量元素沿晶界擴散偏析，提高了焊接接頭抗回火脆化能力。

（2）采用合適的預(yù)熱溫度、層間溫度控制及焊后立即進行中間消除應(yīng)力熱處理措施可以有效地避免2.25Cr-1Mo 鋼焊縫金屬淬硬組織的形成及焊接冷裂紋的發(fā)生。

（3）通過對焊前預(yù)熱溫度、焊接熱輸入及層間溫度的合理控制，從而對熱影響區(qū)的晶界尺寸加以控制，可以有效地降低2.25Cr-1Mo 鋼焊接接頭發(fā)生再熱裂紋風(fēng)險。

（4）本試驗通過在200 ～ 250 ℃溫度內(nèi)進行2.25Cr-1Mo 鋼的焊接，控制其焊接線能量不高于3 kJ/mm，并在其焊后立即進行相關(guān)熱處理等控制措施，獲得的各項性能均能滿足相關(guān)標(biāo)準及技術(shù)條件要 求。