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21/4Cr-1Mo厚壁乙烯裂解爐管焊接工藝

時間:2011-02-27 10:22:16 來源:
進行了Cr-1Mo爐管焊接工藝試驗和接頭性能檢驗，選擇了合適的焊接規范和熱處理回火參數，接頭經回火脆化敏感性試驗，其脆化溫度增量遠低于控制指標。

　　中圖分類號：TG 44； TQ 054　文獻標識碼：B

　　我廠承制的北京燕山石化6 萬t/a乙烯裂解爐對流段，材料全部由日本進口。其中一組爐管材料為1Cr-1Mo，規格為?168 mm×27 mm，其設計壓力21.9 MPa，設計溫度516 ℃，屬于高溫高壓工況條件。我廠雖有多年制造裂解爐對流段的經驗，但材料一般以碳鋼為主，且壁厚都在12 mm以內。對于高溫高壓爐管材料的焊接，國內外研究較多的是Cr5Mo及12CrMoV等，但對于厚壁1Cr-1Mo爐管的焊接則研究較少。為了合理確定其焊接線能量、預熱溫度及焊后熱處理制度，因此對其進行了探討。

1　焊接方法及焊接材料選擇

　　裂解爐對流段爐管化學成分見表1，力學性能為σb=625 MPa,σs=498 MPa,ψ=44.1%,HV=193,ak=257 J。架上焊接位置為水平固定加障礙物，而且焊縫外觀要求十分苛刻。焊縫的余高不大于1 mm,焊波的高低差不大于0.5 mm， 背面余高為0.5 mm，焊縫100%X射線探傷二級合格，因此采用手工TIG焊較為適宜，選用按ASME SA355-92標準出品的TIG-2GM牌號低合金鋼焊絲，其化學成分見表1。

表1　化學成分　　%

元素 C Si Mn Cr Mo S P
爐管 0.130 0.250 0.600 2.270 1.030 0.003 0.007
焊絲 0.085 0.302 0.780 2.240 1.060 0.008 0.005

2　焊接工藝試驗及分析

2.1　預熱溫度
　　試驗用Cr-1Mo鋼管，壁厚27 mm，進行常溫和不同預熱溫度下的斜Y型加強拘束抗裂性試驗，試驗焊接規范E=10.2 kJ/cm(I=110 A,U=14 V,v=9 cm/min)，試驗焊縫焊后經48 h放置，用著色探傷檢查焊縫表面和用低倍光學顯微鏡觀察斷面，其表面和斷面裂紋率見表2。

表2　抗裂性試驗結果

預熱溫度／℃ 表面斷裂率／％ 斷面裂紋率／％
常溫 100.0 100.0
100 70.5 83.7
150 0.0 43.5
200 0.0 0.0
250 0.0 0.0

　　試驗表明，Cr-1Mo鋼冷裂傾向比較大，隨著預熱溫度的提高，接頭抗冷裂能力得以改善。當Tr≥200 ℃時，冷裂紋全部消除，因此，焊前預熱溫度選擇在200 ℃左右即可滿足抗裂要求。

2.2　焊接線能量
　　從前面試驗可知，在預熱溫度200 ℃，焊接線能量E為10 kJ/cm左右時，焊縫不出現裂紋，那么，此時的E值應為臨界值(下限值)。從成型來看，在此規范下進行根部打底和第二、三層過渡，全位置成型良好，反面余高也在控制指標范圍內，而其它焊層的規范在使接頭獲得良好的綜合力學性能前提下應盡可能選擇大一些，以提高生產效率。因此，須確定一個線能量上限值，為此選用兩種方案進行試驗：①10 kJ/cm規范打底過渡，20 kJ/cm規范填充和蓋面。②10 kJ/cm規范打底過渡，30 kJ/cm規范填充和蓋面。這兩種方案的試樣都經710 ℃下2 h高溫回火。檢查接頭的常溫力學性能和-50 ℃時的沖擊韌度。接頭常溫抗拉強度均在570～580 MPa，經過90 °冷彎都不裂。兩種方案焊接試樣的焊縫區、熔合區及熱影響區的-50 ℃沖擊功對比見圖1。在相同熱處理條件下，減少焊層，增加線能量的結果使接頭韌度降低。這主要是因為E增大后冷卻速度變慢，導致過熱區晶粒粗大，韌度變差，1Cr-1Mo鋼有較強的回火脆化傾向，它對接頭韌度有較大的損耗。因此，為了不致于由E的增大而過多提高其塑脆轉變溫度，損耗接頭的韌度貯備，所以，選用20 kJ/cm作為焊接規范的上限值。

圖1　線能量對韌度的影響

2.3　焊后熱處理規范
　　文獻［1］指出，對Cr-Mo鋼，回火參數［P］的變化范圍為20.0～20.6，但對某種具體的焊件，則有一個最佳的［P］值。對壁厚27 mm的1Cr-1Mo爐管焊后熱處理，［P］值取下限20.0，保溫2 h，根據回火參數計算式，有：

［P］=T(20+lgt)×10-3　(1)

式中，T為回火溫度，K；t為保溫時間，h。由式(1)可知T=710 ℃。為了進一步了解回火規范對接頭性能的影響，用前述方案1的焊接試樣分別在650 ℃、710 ℃及760 ℃進行高溫回火，保溫2 h，再進行性能檢驗。
　　為考察［P］對-50 ℃沖擊韌度影響，在650 ℃、710 ℃及760 ℃這3種狀態下對試樣的熱影響區做-50 ℃的V型缺口沖擊試驗，其結果見圖2。

圖2　熱處理溫度對韌度的影響

2.4　［P］對焊縫強度的影響
　　對接頭進行室溫拉伸和425 ℃高溫短時拉伸試驗，其結果見表3，回火參數［P］值取20.0，即回火溫度為710 ℃，是比較合適的。

表3　接頭常溫和高溫短時性能

回火溫度／℃ 室溫時σs/σb 425 ℃時σs/σb
650 612／436 507/359
710 540／411 485/308
760 538／402 475/284

3　接頭回火脆化敏感性檢驗

3.1　焊縫金屬有關系數
　　X、J系數是衡量Cr-Mo鋼回火敏感性大小的重要指標。文獻［2］指出，為了保證焊縫有良好的抗回火脆化能力，要求焊縫金屬的X系數小于25×10-6，J系數小于200。為此，對與回火脆化關系密切的元素進行了化學成分分析，結果見表4。

表4　焊縫回火脆化敏感元素含量　　%　

元素 Si Mn P As Sn Sb
含量 0.37 0.75 0.006 0.000 4 0.000 9 0.001

從表中數據可求得：

X=(10P+5Sb+4Sn+As)0.01=0.000 008　(2)

J=(Si+Mn)(P+Sn)10 000=84.5　(3)

這兩個值均低于控制指標，說明所選的焊接材料足以滿足抗回火脆化的要求。

3.2　回火脆化評定試驗
　　評定方法采用Socal No.1步冷曲線［2］，見圖3。通過步冷處理，使材料分步通過脆化溫度，造成加速脆化的條件，使其在較短時間內材料脆化量更大。

圖3　步冷處理(SC)曲線

　　Cr-1Mo材料回火脆化的塑脆轉變溫度應滿足下式要求：

vTr54+KΔvTr54≤38 ℃　(4)

式中，ΔvTr54=vTr′54-vTr54,vTr?54為回火處理(SR)后54 J沖擊功時的轉變溫度；vTr54為回火處理加步冷處理(SR+SC)后54 J沖擊功時的轉變溫度；K為增強系數，這里取2.0。
　　將710 ℃下2 h高溫回火(SR)的焊接試樣和回火后再經步冷處理 (SR+SC) 的試樣，分別在20～－60 ℃下作焊縫和熱影響區的V型缺口沖擊試驗，其塑脆轉變溫度曲線見圖4和圖5。 可以看出焊縫和熱影響區SR后54 J沖擊功的溫度為-56 ℃和-54 ℃， 焊縫脆化前后溫度增量約5 ℃，于是Tr54+2ΔvTr54=-46 ℃,所以熱影響區脆化前后溫度增量約為8 ℃，則Tr54+2ΔvTr54=-38 ℃，這兩個結果均遠低于控制指標。



圖4　焊縫脆化前后轉變溫度曲線

圖5　熱影響區脆化前后轉變溫度曲線

4　結　語

　　①對于厚壁爐管焊接，焊前預熱是必需的，當預熱溫度控制在200 ℃左右時，能有效地防止冷裂紋的產生。②對于爐管水平固定加障礙位置的焊接，焊接線能量下限控制在10 kJ/cm左右，能獲得滿意的焊縫根部成型。對于填充焊道和蓋面，隨著線能量上限值的增大，焊層減少，接頭常溫力學性能變化不明顯，而-50 ℃沖擊韌度則呈明顯下降趨勢。為保證接頭具有可靠抗斷裂韌度，線能量控制在20 kJ/cm較為合適。③厚壁爐管焊接接頭常溫和425 ℃高溫短時拉伸強度，隨回火溫度的提高均有明顯下降。而-50 ℃沖擊功則在710 ℃，即［P］=20.0時顯示了最高值，為保證接頭的綜合力學性能，合理的熱處理規范為［P］=20.0，即回火溫度710 ℃，保溫2 h。④選用TGS-2CM焊絲，焊縫的脆化敏感性系數均低于控制指標，焊接線能量控制在10～20 kJ/cm，回火參數［P］取20.0時，焊縫和熱影響區的塑脆轉變溫度低，接頭步冷處理后脆化溫度增量小，接頭韌度貯備大，抗回火能力強，因此在高溫下使用其安全裕度大，不會發生脆性斷裂。