2.25Cr-1Mo- 0.25V鋼制加氫反應(yīng)器用埋弧焊焊材試驗研究

金 卿 王迎君 郭太平

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

2.25Cr-1Mo- 0.25V鋼制加氫反應(yīng)器是石化裝置上的核心設(shè)備，通常在高溫、高壓、臨氫或硫化物腐蝕環(huán)境下工作，因此對母材及焊接材料的要求非常高。目前，本體材料已全部實現(xiàn)國產(chǎn)化，各項性能指標均達到了設(shè)計要求。然而制造過程所需的配套焊接材料一直依賴進口，采購周期長，制造成本高，是制約加氫反應(yīng)器制造完全國產(chǎn)化的關(guān)鍵影響因素。目前國內(nèi)多個焊材廠家致力于2.25Cr-1Mo- 0.25V鋼用焊材國產(chǎn)化的開發(fā)和研究，取得了較好的成果。

為了使國產(chǎn)焊材能夠得到順利有效的應(yīng)用，我公司采用2.25Cr-1Mo- 0.25V鋼鍛件，對國產(chǎn)化埋弧焊焊材進行了一系列的應(yīng)用試驗研究，并與進口焊材進行對比。

1 試驗方案

1.1 模擬體確定

為充分模擬實際產(chǎn)品的實物焊接環(huán)境以及各生產(chǎn)環(huán)節(jié)穿插進行的生產(chǎn)流程，確定采用與產(chǎn)品相近的鍛件筒體模擬件進行試驗焊接，以充分對比評估國產(chǎn)焊材在實際制造條件下產(chǎn)品的工藝性、抗缺陷能力和最終解剖后的實物性能。

模擬件規(guī)格：內(nèi)徑?1760 mm，壁厚160 mm，長2000 mm，模擬件設(shè)置兩條縱向焊縫，見圖1。

圖1 模擬筒體及兩條縱向焊縫位置示意圖Figure 1 Schematic diagram of the position of the simulated cylinder and two longitudinal welds

1.2 焊接材料的確定

根據(jù)目前國產(chǎn)焊材的評審結(jié)果，我們選用國內(nèi)某廠家的埋弧焊焊材XY-SCr2MoV/XY-AF605進行模擬焊接，同時選用國外進口焊材ASME SFA 5.23+JIS Z3352 SACG 1進行對比焊接。

1.3 擬定試驗過程

采用窄間隙埋弧焊設(shè)備進行焊接，用國產(chǎn)和進口兩種焊材分別焊接一條縱焊縫。焊接流程為：模擬件坡口制備→預(yù)熱→A1、A2縱縫焊接→ISR→焊縫100%MT、UT、TOFD檢測→PWHT→

焊縫100%MT、UT、再熱裂紋檢測→硬度檢測→解剖模擬件→性能檢測→數(shù)據(jù)匯總對比→結(jié)論。

1.4 試樣理化檢測要求

根據(jù)2.25Cr-1Mo- 0.25V鋼鍛焊加氫反應(yīng)器技術(shù)條件要求，從縱縫上制備的試樣按表1的試驗項目進行理化性能檢測。

表1 縱縫試驗項目及取樣位置要求Table 1 Longitudinal weld test items and sampling location requirements

Min.PWHT：模擬件進爐熱處理，即(705±14)℃×(8+2)h

Max.PWHT：(705±14)℃×(32+2)h

2 試驗過程

2.1 模擬件制備

模擬件為2.25Cr-1Mo- 0.25V鋼鍛件制造，按NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》對鍛件進行100%檢測，要求質(zhì)量等級為Ⅰ級。檢測結(jié)果為合格。對所有加工面進行100%MT檢測，標準NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》，要求線性缺陷及圓形缺陷質(zhì)量等級均為Ⅰ級，檢測結(jié)果合格。其化學(xué)成分和力學(xué)性能檢測結(jié)果分別見表2和表3。

表2 筒體鍛件化學(xué)成分檢測結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 2 Chemical compositions detection results of barrel forging(mass fraction, %)

表3 筒體鍛件力學(xué)性能檢測結(jié)果Table 3 Mechanical properties detection results of barrel forging

2.2 模擬件焊接

2.2.1 模擬件焊接坡口

模擬件的焊接坡口采用與加氫反應(yīng)器產(chǎn)品相同的U形坡口，采用機加方式加工而成，見圖2。

圖2 模擬件筒體縱縫焊接坡口加工圖Figure 2 Welding groove processing of longitudinal weld for simulative barrel piece

2.2.2 焊材復(fù)驗

焊前分別對國產(chǎn)焊材和進口焊材進行復(fù)驗，結(jié)果見表4和表5。

表4 兩種焊材熔敷金屬化學(xué)成分對比(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 4 Chemical compositions comparison of two welds cladding metal(mass fraction, %)

表5 兩種焊材熔敷金屬力學(xué)性能檢測數(shù)據(jù)對比Table 5 Mechanical properties detection data comparison of two welds cladding metal

2.2.3 坡口處清理

施焊前應(yīng)將焊縫部位及周邊200 mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹水分及其他有害雜質(zhì)清除干凈。將兩種焊劑進行烘干。

2.2.4 焊前預(yù)熱

焊接前采用天然氣預(yù)熱至≥180℃。

2.2.5 焊材規(guī)范參數(shù)

根據(jù)合格的焊接工藝評定進行焊接，焊材規(guī)范參數(shù)見表6。

表6 國產(chǎn)焊材/進口焊材規(guī)范參數(shù)對比Table 6 Specification parameters comparison between home welding material and import welding material

2.2.6 施焊過程及焊縫成形對比

跟蹤焊接過程，觀察焊縫成形，兩種焊材的焊縫成形美觀，焊劑脫渣良好，整個焊接過程平穩(wěn)。

2.3 焊后熱處理

模擬件焊接完成后，進行ISR熱處理，按照圖3所示ISR熱處理工藝曲線進行熱處理。

圖3 ISR熱處理工藝曲線Figure 3 ISR heat treatment process curve

2.4 ISR后無損檢測

ISR熱處理完成后，對兩條縱焊縫分別進行TOFD、UT和MT檢測，焊接接頭TOFD檢測按NB/T 47013.10《承壓設(shè)備無損檢測第10部分衍射時差法超聲檢測》進行，技術(shù)等級不低于B級，質(zhì)量等級為Ⅰ級；焊接接頭UT檢測應(yīng)按NB/T 47013.3《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》進行，技術(shù)等級不低于B級，質(zhì)量等級為Ⅰ級；焊接接頭MT檢測應(yīng)按NB/T 47013.4《承壓設(shè)備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》進行，線性缺陷及圓形缺陷質(zhì)量等級均為Ⅰ級；同時按照API 934附錄A的要求，對所有焊縫采用TOFD進行再熱裂紋檢測。

以上無損檢測結(jié)果均合格，未發(fā)現(xiàn)再熱裂紋。

2.5 進爐進行Min.PWHT

最終焊后熱處理模擬反應(yīng)器產(chǎn)品制造工藝要求進爐整體進行705℃×8 h焊后熱處理，按照工藝曲線圖4所示。

圖4 Min.PWHT熱處理工藝曲線Figure 4 PWHT heat treatment process curve

2.6 PWHT后無損檢測

整體熱處理后，對筒體縱環(huán)焊縫進行UT和MT檢測，按照NB/T 47013標準，結(jié)果均為I級合格。同時按照API 934附錄A的要求，對兩條縱縫采用TOFD進行再熱裂紋檢測。

以上無損檢測結(jié)果均合格，未發(fā)現(xiàn)再熱裂紋。

2.7 焊接接頭硬度檢測

焊接接頭無損檢測后，對兩條焊縫分別進行接頭三區(qū)硬度檢測，每一部位測量三點，具體檢測結(jié)果見表7。

表7 模擬件焊接接頭表面硬度檢測結(jié)果Table 7 Surface hardness detection results of simulative piece weld joint

3 縱縫試樣檢測結(jié)果

3.1 焊縫熔敷金屬化學(xué)成分分析

對焊縫區(qū)熔敷金屬，采用室溫焊縫圓棒拉伸試樣的斷裂試樣上(T/2處)取樣，進行焊縫金屬的化學(xué)成分分析，雜質(zhì)元素檢測結(jié)果見表8。

表8 熔敷金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 8 Chemical compositions of cladding metal (mass fraction, %)

由檢測結(jié)果可知：國產(chǎn)焊材與進口焊材的熔敷金屬化學(xué)成分相近，國產(chǎn)焊材中對雜質(zhì)元素P、S、As、Sn、Sb的控制水平與進口焊材相當。同時，經(jīng)過計算，X系數(shù)(評價焊縫金屬的脆性系數(shù))良好，兩種焊材均能滿足技術(shù)條件要求。

3.2 力學(xué)性能試驗檢測結(jié)果

A1、A2焊接接頭經(jīng)Min.PWHT和Max.PWHT后橫向彎曲試驗結(jié)果見表9。

表9 A1、A2焊接接頭彎曲試驗結(jié)果Table 9 Bending test results of A1 & A2 weld joints

A1、A2焊接接頭經(jīng)Min.PWHT后焊縫及熱影響區(qū)的抗回火脆化步冷試驗結(jié)果見表10。

表10 回火脆化敏感性評定試驗結(jié)果(單位：℃)Table 10 Estimation test results of temper embrittlement sensitivity(Units:℃)

A1、A2焊接接頭經(jīng)Min.PWHT及Max.PWHT后拉伸試驗檢測結(jié)果見圖5。

圖5 全斷面板材接頭拉伸試驗結(jié)果Figure 5 Joint tensile test results of plate with full fracture surface

(a)Rm

A1、A2熔敷金屬經(jīng)Min.PWHT及Max.PWHT后常溫拉伸試驗檢測結(jié)果見圖6，不同高溫拉伸試驗檢測結(jié)果見圖7、圖8。

(a)Rm

(a)Rm

A1、A2焊接接頭經(jīng)Min.PWHT及Max.PWHT后不同高溫拉伸試驗檢測結(jié)果見圖9、圖10。

A1、A2焊接接頭經(jīng)Min.PWHT及Max.PWHT后-30℃夏比沖擊試驗KV2檢測結(jié)果見圖11。

從圖5可以看出，雖然國產(chǎn)焊材的強度偏下一些，但不管進口焊材的接頭還是國產(chǎn)焊材的焊接接頭，其抗拉強度都能滿足母材抗拉強度要求范圍；進口焊材的A2焊接接頭在Min.PWHT及Max.PWHT兩種狀態(tài)下的抗拉強度均高于國產(chǎn)焊材的強度約40 MPa，Max.PWHT狀態(tài)下的抗拉強度與國產(chǎn)焊材A1的焊接接頭Min.PWHT狀態(tài)下的抗拉強度相當。

(a)Rm

(a)Rm

(a)焊縫中心

從圖6～圖10可以看出，國產(chǎn)焊材的熔敷金屬和焊接接頭在Min.PWHT及Max.PWHT兩種狀態(tài)下的室溫抗拉強度和屈服強度均高于進口焊材的強度；國產(chǎn)焊材的熔敷金屬在Min.PWHT狀態(tài)下的454℃及482℃高溫強度高于進口焊材的強度，但在經(jīng)歷Max.PWHT后的454℃及482℃高溫強度仍能與進口焊材的高溫強度相當。

從圖11可以看出，焊縫中心的-30℃低溫沖擊韌性隨著保溫時間的加長，逐步向好的方向發(fā)展，而熱影響區(qū)因受焊縫和母材影響，其-30℃低溫沖擊韌性要優(yōu)于焊縫。

從表10可以看出，A1、A2焊接接頭經(jīng)Min.PWHT后焊縫及熱影響區(qū)的抗回火脆化步冷試驗結(jié)果均小于0℃，熱影響區(qū)抗回火脆化能力優(yōu)于焊縫。

整體來講，國產(chǎn)焊材和進口焊材焊接過程自動脫渣、成形美觀、工藝優(yōu)良，焊接接頭及熔敷金屬的室溫和高溫強度均能滿足2.25Cr-1Mo- 0.25V鋼制加氫反應(yīng)器技術(shù)要求。

4 結(jié)論

(1)采用加氫反應(yīng)器用2.25Cr-1Mo- 0.25V鍛件厚壁模擬件筒體，制備兩條縱縫，分別采用國產(chǎn)焊材和進口焊材進行焊接，對經(jīng)過ISR及PWHT熱處理后的焊縫進行無損檢測及再熱裂紋檢測，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷。

(2)從模擬件上分別進行的國產(chǎn)焊材和進口焊材的焊接過程對比來看，國產(chǎn)焊材在焊接過程中同樣具有良好的電弧穩(wěn)定性、焊縫成形、脫渣、搭接、熔合等焊接工藝性特征，焊接工藝性良好，成形和脫渣等性能均與進口焊材相當。

(3)從模擬件解剖后進行的性能檢測結(jié)果可知，國產(chǎn)焊材和進口焊材在相同的焊接參數(shù)和熱處理條件下：化學(xué)成分相近；各項力學(xué)性能、彎曲試驗合格；焊縫中心及熱影響區(qū)的回火脆化敏感性評定結(jié)果良好，回火脆化敏感性低。

綜上所述：國產(chǎn)焊材和進口焊材在相同的焊接參數(shù)和熱處理條件下，焊接工藝性穩(wěn)定、良好，各項技術(shù)指標與同類進口焊材相當，能夠滿足2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛焊加氫反應(yīng)器技術(shù)條件制造要求。