14Cr1MoR厚板拼焊封頭熱處理工藝研究

裴飛飛，周印梅，吳和斌，王竟雷

(山西陽煤化工機(jī)械有限公司，山西 太原 030032)

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14Cr1MoR厚板拼焊封頭熱處理工藝研究

裴飛飛，周印梅，吳和斌，王竟雷

(山西陽煤化工機(jī)械有限公司，山西 太原 030032)

厚板14Cr1MoR封頭通常采用熱壓成型，容易產(chǎn)生回火脆化，降低材料韌性。通過對模擬14Cr1MoR拼焊封頭的試板進(jìn)行正火(940 ℃，保溫2 h)后加速冷卻處理、回火熱處理[(710±20 ℃)，保溫時(shí)間3 h]及焊后消應(yīng)力熱處理[(670±20 ℃)，保溫時(shí)間3.2 h]，從理論上計(jì)算出該熱處理工藝回火參數(shù)[P]在最佳值范圍內(nèi)；通過力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果顯示，在該熱處理工藝下得到的各項(xiàng)力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，強(qiáng)韌性配合良好，說明該熱處理工藝合理，有效解決了14Cr1MoR熱壓成型過程中材料的回火脆化問題。

14Cr1MoR鋼；封頭；熱成型；回火脆化

引 言

14Cr1MoR屬于珠光體耐熱鋼，是普遍使用的熱強(qiáng)鋼和抗氫鋼，廣泛用于煤化工設(shè)備、核能動(dòng)力裝置、石油精制、加氫裂化設(shè)備及其他高溫臨氫設(shè)備[1]。14Cr1MoR供貨熱處理狀態(tài)為正火+回火[2]，大直徑厚壁(δ≥50 mm)鉻鉬鋼封頭通常采用熱成型，成型過程中加熱溫度高于上轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)Ac3，容易產(chǎn)生回火脆化，降低材料韌度[3]。

本文針對厚壁14Cr1MoR熱成型封頭制造過程中存在的問題，通過編制合理的熱處理工藝，得到滿足要求的14Cr1MoR鋼拼焊封頭熱處理工藝。

1 試驗(yàn)材料及過程

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)鋼板選用江陰興澄特種鋼鐵有限公司制造的厚度為80 mm的14Cr1MoR板材，其化學(xué)成分見表1。

表1 14Cr1MoR板材化學(xué)成份

試板規(guī)格600 mm×125 mm×80 mm，2件，采用埋弧自動(dòng)焊拼焊，選用H11CrMo45B焊絲，焊前預(yù)熱溫度≥120 ℃，層間溫度控制在120 ℃～250 ℃。焊后立即進(jìn)行后熱處理，溫度300 ℃～350 ℃，保溫2 h。并進(jìn)行100%RT檢測，符合NB/T 47013.2-2015Ⅱ級[4]。

1.2 試驗(yàn)過程

對拼接試板進(jìn)行無損檢測，檢測合格后，按以下工藝進(jìn)行熱處理。

1) 模擬封頭熱成型。加熱到980±20 ℃，保溫1.5 h。

2) 正火+快速冷卻處理。模擬鉻鉬鋼封頭熱成型后，進(jìn)行正火處理，爐溫升至940 ℃，保溫2 h，出爐放入水中快速冷卻。奧氏體化后的冷卻速度對鉻鉬鋼回火脆性有明顯影響，為防止冷卻速度過慢產(chǎn)生先共析鐵素體組織而降低材料的強(qiáng)度及韌度，應(yīng)保證奧氏體化后的的冷卻速度≥10 ℃/min[5]。試驗(yàn)中，采用盛水容器對正火試板立即進(jìn)行冷卻，冷卻速度約為50 ℃/min～60 ℃/min。

3) 回火處理。將正火處理后的封頭進(jìn)行回火處理，回火溫度(710±20)℃，保溫時(shí)間按2 min/mm計(jì)，本次試驗(yàn)保溫2.7 h。

Hollomon JH等[6]提出回火參數(shù)和回火時(shí)間對回火程度的影響，引入回火參數(shù)的概念，回火參數(shù)為熱處理溫度與保溫時(shí)間的函數(shù)，可用[P]表示，見式(1)。

[P]=T(C+lgt)×10-3

(1)

式中：T為回火溫度，K；t為回火時(shí)間，h；C為常數(shù)，中、低碳鋼C=20，高碳鋼C=15。材料為獲得更好的韌性，實(shí)際[P]值多選取20～21，尤其以20～20.5為最佳。本試驗(yàn)中回火參數(shù)[P]=20.13，回火熱處理參數(shù)在最佳范圍內(nèi)。

4) 消除應(yīng)力熱處理。對試件進(jìn)行整體消除應(yīng)力熱處理，入爐溫度≤400 ℃，爐溫升到400 ℃時(shí)，升溫速度為55 ℃/h～70 ℃/h，爐溫升到(670±20)℃，保溫3.2 h，降溫速度為55 ℃/h～86 ℃/h，爐溫≤400 ℃時(shí)，出爐后在靜止空氣中冷卻。熱處理溫度及時(shí)間曲線如圖1所示。

圖1 熱處理溫度-時(shí)間曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果

采用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對模擬封頭熱處理試板焊接接頭進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。對母材及焊接接頭分別進(jìn)行300 ℃高溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。對焊接接頭進(jìn)行-20 ℃夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4所示。

表2 室溫條件下的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表3 300 ℃母材及焊縫的高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表4 -20 ℃沖擊試驗(yàn)結(jié)果

通過對模擬14Cr1MoR拼焊封頭試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果完全滿足標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，焊接接頭室溫抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度的平均值分別為563 MPa、393 MPa，分別高于標(biāo)準(zhǔn)值113 MPa、63 MPa，焊縫及母材在300 ℃高溫屈服強(qiáng)度的平均值分別為330 MPa、408 MPa，高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值230 MPa，說明采用該熱處理工藝，14Cr1MoR封頭焊接接頭在高溫下具有優(yōu)異的力學(xué)性能。表4可知，-20 ℃母材、焊縫及熱影響區(qū)沖擊吸收功分別為313 J、212 J、262 J，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)值47 J，具有優(yōu)良的沖擊韌性，且韌性儲備充足，說明該熱處理工藝有效解決了鉻鉬鋼回火脆性問題。

3 結(jié)論

1) 對熱壓后的14Cr1MoR熱成型拼焊封頭進(jìn)行正火(940 ℃，保溫2 h)及快速冷卻處理、回火熱處理[(710±20 ℃)，保溫時(shí)間3 h]、消應(yīng)力熱處理[(670±20 ℃)，保溫時(shí)間3.2 h]，可有效避免14Cr1MoR焊接接頭回火脆化。

2) 根據(jù)該熱處理工藝計(jì)算得出回火參數(shù)[P]值為20.13，從理論上說明該回火參數(shù)可獲得最佳韌性。

3) 通過該熱處理工藝焊接接頭室溫抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度的分別為563 MPa、393 MPa，焊縫及母材300 ℃高溫屈服強(qiáng)度分別為330 MPa、408 MPa，母材、焊縫及熱影響區(qū)沖擊-20℃吸收功分別為313 J、212 J、262 J，各項(xiàng)力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，并且取得良好的強(qiáng)韌性配合。

4) 探索出14Cr1MoR熱成型拼焊封頭熱處理工藝，為鉻鉬鋼設(shè)備制造提供了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

[1] 李結(jié)木.14Cr1MoR鋼焊接工藝性研究及應(yīng)用實(shí)踐[J].化工裝備,2015(1):23-27.

[2] 中華人民共和國質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 713-2014：鍋爐及壓力容器用鋼板[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2014：47-48.

[3] 徐森.鉻鉬鋼壓力容器設(shè)計(jì)制造中的幾個(gè)問題[J].石油和化工設(shè)備,2015,18(6):56-58.

[4] 中華人民共和國質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.NB/T 47013.2-2015，射線檢測[S].北京：新華出版社，2015.

[5] 楊光起.加氫反應(yīng)器用鉻鉬鋼回火脆性[J].石油化工機(jī)械,2001,30(5):53-56.

[6] Hollomon J H,Jaffe L D.Time temperature ralation in tempering steel[J].Trans AIME,1945,162(2):223-248.

The research on heat treating process of the welded 14Cr1MoR steel thick heads

PEI Feifei, ZHOU Yinmei, WU Hebin, WANG Jinglei

(Shanxi Yangmei Chemical Industry Machinery Co., Ltd., Taiyuan Shanxi 030032, China)

Hot pressing formation to the head of thick 14Cr1MoR plate causes Temper embrittlement and reduces the impact ductility. Based on simulation of the 14Cr1MoR welding head test plate, normalizing (940 ℃/2 h) and fast cooling treatment [(710±20) ℃/3 h], tempering treatment, stress-relief heat treatment [(670±20) ℃/3 h] are conducted. The heat treatment parameter calculated is in the best range. The results show that its mechanical properties can meet the standard requirement after the heat treatment process. This heat treatment process is an effective solution to temper embrittlement during the hot pressing formation of 14Cr1MoR plate.

14Cr1MoR steel; head; hot-forming; temper embrittlement

2016-08-18

裴飛飛，男，1987年出生，2013年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，碩士學(xué)位，焊接工程師，從事壓力容器焊接及焊接培訓(xùn)工作。

專題討論

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2016.05.19

TQ05

A

1004-7050(2016)05-0068-02