層間溫度對12Cr2Mo1R低合金鋼焊接沖擊韌性的影響

王海洋，陶 金，李燕辛

（寧夏寶塔化工裝備制造有限公司，寧夏 銀川 750021）

我公司承擔了一臺加氫精制反應(yīng)器的制造，其設(shè)計條件為:溫度425℃；壓力8.14MPa；工作介質(zhì)為油、氫氣、硫化氫氣體、油氣等的混合氣體；容器筒體為單層板焊結(jié)構(gòu)，簡體壁厚（最?。?0mm；材質(zhì)為12Cr2Mo1R低合金鋼。根據(jù)加氫反應(yīng)器制造技術(shù)條件與NB/T47014-2011《焊接工藝規(guī)程》[1]的要求，我們對材料進行了復(fù)驗和焊接工藝試驗及焊接工藝評定[1-2]，并發(fā)現(xiàn):焊接層間溫度對12Cr2Mo1鋼材焊接沖擊性能有很大影響。對此，我們制定了合理的焊接工藝措施及參數(shù)，用于指導(dǎo)本公司相應(yīng)材質(zhì)焊接及產(chǎn)品制造。

1 12Cr2Mo1R材質(zhì)特點

1.1 加氫反應(yīng)器主體材質(zhì)要求

加氫反應(yīng)器生產(chǎn)工藝特點為:高壓、高溫、臨氫狀態(tài)及高溫硫和硫化氫環(huán)境。因此，加氫反應(yīng)器在工作中，可能導(dǎo)致鉻-鉬鋼回火脆化、應(yīng)力腐蝕開裂等失效損傷型式。12Cr2MolR材質(zhì)近年已廣泛用于加氫反應(yīng)器的制造，一般要求正火+回火供貨狀態(tài)，保證合金鋼至少含90%貝氏體金相組織[3]。該設(shè)備的主要受壓元件的材料力學(xué)性能要求符合GB/T713-2014及相關(guān)國家標準的要求，主材復(fù)驗需模擬焊后熱處理；同時，特別要求，原材料及成品后焊接試板的-30℃沖擊韌性Akv值要三個試樣平均值≥54J，且最小的一個不低于48J。

1.2 材料焊接性能分析

12Cr2MolR合金鋼焊接接頭在375～565℃溫度區(qū)間長期運行，易發(fā)生微量元素沿晶界擴散偏析，造成回火脆化現(xiàn)象。同時，該合金鋼具有較高含量的Cr、Mo元素，使其淬硬傾向明顯，且焊后熱處理過程易發(fā)生晶粒粗大導(dǎo)致再熱裂紋。因此，要求該材質(zhì)的焊接，應(yīng)采用合理的焊前預(yù)熱，焊中嚴格控制焊接參數(shù)、降低熱輸入，焊后緩冷及熱處理等措施，以防止淬硬開裂和再熱裂紋，保證焊接質(zhì)量[4]。

2 焊接工藝評定試驗

2.1 焊接準備

該設(shè)備的焊接材料，均為哈焊所提供。主體材質(zhì)焊接材料為:手工焊，R407C；埋弧焊，H10Cr2MoG/SJ150。焊接工藝評定采用40mm鋼板；坡口采用U形坡口鈍邊10mm，由機械加工方法獲得。

2.2 預(yù)熱及層間溫度

焊前，將坡口兩邊150mm范圍內(nèi)預(yù)熱到≥200℃；焊接時，層間溫度200～300℃。采用紅外測溫儀及接觸式測溫儀。

2.3 焊后熱處理

焊接工藝評定試板的熱處理，采用最小模擬熱處理Min.PWHT:690-13℃×8-2h，升降溫速率50～60℃/h，入爐溫度≤300℃，熱處理后爐內(nèi)緩冷。同時進行回火脆化傾向評定試驗,要求焊縫的力學(xué)性能滿足相關(guān)要求。

3 評定試驗結(jié)果及分析

此次焊接工藝評定，按照制作技術(shù)條件及相關(guān)標準規(guī)定，對焊接接頭進行了無損檢測、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗、-30℃沖擊試驗及硬度檢測等。

3.1 評定結(jié)果

數(shù)據(jù)表明:化學(xué)元素及常規(guī)力學(xué)性能符合相關(guān)要求；回火脆化傾向評定雖然合格，但存在焊縫區(qū)及熱影響區(qū)-30°沖擊值不穩(wěn)定，部分-30℃最低沖擊值及平均值不滿足要求。

3.2 原因分析

對焊縫-30℃沖擊功值較低的手工焊16J和埋弧焊30J斷面，進行了金相組織檢測，見圖1、圖2。

圖1手工電弧焊沖擊功16J

金相分析發(fā)現(xiàn):焊縫的沖擊值低、氧化夾雜較多、晶粒粗大、組織不均勻。一般認為，焊接晶粒粗大與焊接時預(yù)熱及層間溫度高有關(guān) [5]。分析討論也認定，層間溫度過高是導(dǎo)致沖擊韌性較差的原因。本次試驗，手工及埋弧焊，現(xiàn)場層間溫度均達到，甚至超過了300℃。較高的溫度，雖然可以使焊縫中的氫元素逸出，降低了氫脆的可能，但也造成焊縫金屬晶粒粗大、韌性降低。

4 焊接工藝評定試驗改進

圖2埋弧焊AKv=30J

根據(jù)以上情況，變更了層間溫度:手工焊200～260℃，埋弧自動焊200～250℃。其他工藝參數(shù)維持不變。也對兩種焊接方法對應(yīng)的焊接工藝，進行了重新評定，結(jié)果較為滿意。以此為依據(jù)，為我廠焊接工藝編制指導(dǎo)書及制作產(chǎn)品。

5 結(jié)語

通過焊接工藝評定及結(jié)果分析得出，焊接層間溫度對12Cr2Mo1R材質(zhì)焊縫的力學(xué)性能影響較大；較低的層間溫度有助于焊縫金屬晶粒細化，提高沖擊韌性；適宜的層間溫度為200～250℃。手工焊熱輸入相對較低，可在溫度區(qū)間取較高值；埋弧焊熱輸入相對較高，可在溫度區(qū)間取較低溫度。但埋弧自動焊在焊接質(zhì)量、焊縫成型等方面效果較好，同時，施工環(huán)境和焊接效率也比手工電弧焊大好。