A335 P11的不同熱處理時間對焊接接頭性能影響

宋相華

(中石化第十建設(shè)有限公司，山東 青島 266555)

某公司長期承擔(dān)石油化工建設(shè)行業(yè)方面的施工，管道焊接、管道焊縫焊后熱處理施工是其中一項重要的施工內(nèi)容和施工工序。常見施工標(biāo)準(zhǔn)中只對焊后熱處理最短保溫時間進(jìn)行了限制，對最長保溫時間卻未提出要求。延長焊后熱處理保溫時間對焊接接頭的性能會產(chǎn)生怎樣的影響?是否會導(dǎo)致材料的過度軟化和性能變差?本文將針對上述問題進(jìn)行探討。

1 材料介紹

A335 P11(以下簡稱P11)是美標(biāo)無縫鋼管鋼號，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ASTM A335/A335M—2019。P11屬于鉻鉬合金鋼，組織為珠光體＋鐵素體，通常是退火狀態(tài)或正火＋回火狀態(tài)供貨【2】，鋼中添加鉻、鉬元素來提高高溫蠕變強度，最高溫度可達(dá)550℃，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1和表2。

表1 A335 P11化學(xué)成分

表2 A335 P11力學(xué)性能

2 A335 P11材料熱處理工藝

2.1 焊后熱處理

焊后熱處理是指焊接工作完成后，將焊件加熱到一定溫度(材料的相變溫度Ac1以下)，保溫一定時間，使焊件緩慢冷卻下來，以改善焊接接頭的金相組織和性能、消除殘余應(yīng)力的一種焊接熱處理工藝。在現(xiàn)場施工條件下的焊后熱處理，系指對焊接接頭進(jìn)行高溫回火，即只對焊縫及其附近區(qū)域進(jìn)行加熱，然后緩慢冷卻，降低焊接應(yīng)力的峰值，使應(yīng)力分布比較平緩，同時防止產(chǎn)生裂紋，改善焊縫及近縫區(qū)的金屬組織與性能，起到部分消除焊接應(yīng)力的目的。

2.2 熱處理工藝

2.2.1 加熱方法選擇

焊接熱處理常用的加熱方法有電加熱和火焰加熱，施工現(xiàn)場較普遍采用柔性陶瓷電阻加熱的方法。本次試驗為了準(zhǔn)確研究不同焊后熱處理保溫時間對焊接接頭性能的影響，保證熱處理效果，采用了箱式電阻爐加熱，即將整個焊件放入爐內(nèi)加熱，可使溫度控制更為精確。

2.2.2 熱處理溫度選擇

A335 P11材料管道的焊接及熱處理工藝按照SH/T 3520—2015《石油化工鉻鉬鋼焊接規(guī)范》、SH 3501—2011《石油化工有毒、可燃介質(zhì)鋼制管道工程施工及驗收規(guī)范》執(zhí)行，以上施工規(guī)范對P11材料管道的焊接及熱處理要求基本一致，即要求焊前預(yù)熱不低于150℃、后熱200～350℃保溫時間不少于30 min、壁厚超過13 mm的管道焊接完成后還需做650～700℃的焊后熱處理【3】。由于鉻鉬鋼有再熱裂紋傾向，并且存在一個最易產(chǎn)生再熱裂紋的溫度范圍(即500～600℃之間)，因此焊后熱處理溫度應(yīng)避開這一敏感溫度區(qū)間，升、降溫時，應(yīng)盡快通過該區(qū)，且避免在此溫度區(qū)間停留【4】。同時，焊后熱處理溫度的選擇不應(yīng)高于材料最終回火溫度。本次試驗選擇675℃。

3 試件焊接與熱處理工藝設(shè)置

3.1 試件焊接

焊件選用規(guī)格為DN 600 mm×59.54 mm的A335 P11材料管道，供貨狀態(tài)為930℃×4 h(正火)＋695℃×8 h(回火)，化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表3和表4;焊接方法為手工鎢極氬弧焊打底＋焊條電弧焊填充、蓋面，用同焊工、同工藝、同層數(shù)、同道數(shù)焊接。焊材化學(xué)成分見表5，焊材熔覆金屬力學(xué)性能見表6。

表3 A335 P11鋼管的化學(xué)成分

表4 A335 P11鋼管的力學(xué)性能

表5 焊材化學(xué)成分

表6 焊材熔覆金屬力學(xué)性能

坡口型式和焊接層道分別如圖1(a)和圖1(b)所示，相關(guān)焊接參數(shù)見表7。

表7 焊接參數(shù)

圖1 坡口型式和焊接層道

3.2 熱處理工藝設(shè)置

為了對比不同焊后熱處理保溫時間對焊接接頭性能的影響，設(shè)置了3組保溫時間，具體設(shè)置見表8。

表8 熱處理工藝設(shè)置

實際熱處理工藝記錄曲線見圖2(a)～圖2(c)。

圖2 實際熱處理工藝記錄曲線

3.3 評定試驗

評定試驗按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。根據(jù)評定要求，分別對3種焊后熱處理保溫時間的焊接接頭進(jìn)行了無損檢測和機械性能試驗，試驗項目包括常溫拉伸、500℃高溫拉伸(見圖3)和沖擊(見圖4)以及硬度(見圖5)檢測、橫向側(cè)彎、金相分析。常溫下的主要機械性能數(shù)據(jù)見表9，500℃高溫拉伸性能數(shù)據(jù)見表10。

圖3 高溫拉伸試驗及斷裂位置

圖4 沖擊試驗及斷口形貌

圖5 硬度試驗及焊縫截面

4 結(jié)果分析

對上述試驗數(shù)據(jù)分析如下:

1)從表9～表10的試驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著焊后熱處理保溫時間的增加，各項數(shù)據(jù)表現(xiàn)出一定的規(guī)律，性能基本穩(wěn)定。

表9 常溫下的主要機械性能數(shù)據(jù)

表10 500℃高溫拉伸試驗數(shù)據(jù)

2)從表9可以看出，隨著焊后熱處理保溫時間的增加，常溫下的抗拉強度值有所下降(見圖6)，0℃時的沖擊值有比較明顯的提高(見圖7)。

圖6 不同熱處理保溫時間下的抗拉強度變化

圖7 不同熱處理保溫時間下的0℃沖擊值變化

3)從表10可以看出，在500℃高溫時，隨著焊后熱處理時間的增加，抗拉強度、屈服強度有所降低，延伸率、斷面收縮率有所提高，但是隨著焊后熱處理保溫時間的繼續(xù)延長，各項性能數(shù)據(jù)又有所回升。

4)分析形成以上試驗結(jié)果的原因，一方面，根據(jù)焊后消應(yīng)力熱處理的原理，隨著焊后熱處理保溫時間的增加，焊接接頭內(nèi)部的殘余應(yīng)力會得以釋放，時間越長，應(yīng)力釋放越徹底，但使得材料有所軟化，導(dǎo)致抗拉強度、屈服強度下降，塑、韌性提高。另一方面，焊后消應(yīng)力熱處理是在材料的Ac1線以下溫度進(jìn)行，材料的金相組織不會發(fā)生相變，但是，通過查閱文獻(xiàn)可知，隨著焊后熱處理保溫時間的增加，原本的最大鐵素體晶粒尺寸將會減小，鐵素體晶粒尺寸波動范圍減小，鐵素體組織會變得相對均勻。同時，焊后消應(yīng)力熱處理時，原本的組織中會有碳化物析出。碳化物主要成分為M23C6，主要沿鐵素體晶界以及內(nèi)部析出，可以細(xì)化鐵素體晶粒。隨著焊后熱處理保溫時間的增加，碳化物析出越來越多，細(xì)化作用也越明顯。碳化物的析出主要體現(xiàn)為亞晶粒尺寸的減小。

5 結(jié)論

通過上述試驗結(jié)果分析可知:隨著焊后熱處理保溫時間的增加，常溫下的抗拉強度值有下降的趨勢，焊縫金相組織有細(xì)化的現(xiàn)象，0℃時的沖擊韌性值有比較明顯的提高;在500℃進(jìn)行熱拉伸試驗時，隨著焊后熱處理時間的增加，抗拉強度、屈服強度有所降低，延伸率、斷面收縮率有所提高，但是隨著焊后熱處理保溫時間繼續(xù)延長，抗拉強度、屈服強度又有增加的趨勢。