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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(guī)范和熱處理回火參數(shù)，接頭經(jīng)回火脆化敏感性試驗，其脆化溫度增量遠(yuǎn)低于控制指標(biāo)。

　　中圖分類號：TG 44； TQ 054　文獻標(biāo)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(guī)格為?168 mm×27 mm，其設(shè)計壓力21.9 MPa，設(shè)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(jīng)驗，但材料一般以碳鋼為主，且壁厚都在12 mm以內(nèi)。對于高溫高壓爐管材料的焊接，國內(nèi)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(yù)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(xué)成分見表1，力學(xué)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(biāo)準(zhǔn)出品的TIG-2GM牌號低合金鋼焊絲，其化學(xué)成分見表1。

表1　化學(xué)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(yù)熱溫度
　　試驗用Cr-1Mo鋼管，壁厚27 mm，進行常溫和不同預(yù)熱溫度下的斜Y型加強拘束抗裂性試驗，試驗焊接規(guī)范E=10.2 kJ/cm(I=110 A,U=14 V,v=9 cm/min)，試驗焊縫焊后經(jīng)48 h放置，用著色探傷檢查焊縫表面和用低倍光學(xué)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(jié)果

預(yù)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(yù)熱溫度的提高，接頭抗冷裂能力得以改善。當(dāng)Tr≥200 ℃時，冷裂紋全部消除，因此，焊前預(yù)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(yù)熱溫度200 ℃，焊接線能量E為10 kJ/cm左右時，焊縫不出現(xiàn)裂紋，那么，此時的E值應(yīng)為臨界值(下限值)。從成型來看，在此規(guī)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(biāo)范圍內(nèi)，而其它焊層的規(guī)范在使接頭獲得良好的綜合力學(xué)性能前提下應(yīng)盡可能選擇大一些，以提高生產(chǎn)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(guī)范打底過渡，20 kJ/cm規(guī)范填充和蓋面。②10 kJ/cm規(guī)范打底過渡，30 kJ/cm規(guī)范填充和蓋面。這兩種方案的試樣都經(jīng)710 ℃下2 h高溫回火。檢查接頭的常溫力學(xué)性能和-50 ℃時的沖擊韌度。接頭常溫抗拉強度均在570～580 MPa，經(jīng)過90 °冷彎都不裂。兩種方案焊接試樣的焊縫區(qū)、熔合區(qū)及熱影響區(qū)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(jié)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(dǎo)致過熱區(qū)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(zhuǎn)變溫度，損耗接頭的韌度貯備，所以，選用20 kJ/cm作為焊接規(guī)范的上限值。

圖1　線能量對韌度的影響

2.3　焊后熱處理規(guī)范
　　文獻［1］指出，對Cr-Mo鋼，回火參數(shù)［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(jù)回火參數(shù)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(guī)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(tài)下對試樣的熱影響區(qū)做-50 ℃的V型缺口沖擊試驗，其結(jié)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(jié)果見表3，回火參數(shù)［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(guān)系數(shù)
　　X、J系數(shù)是衡量Cr-Mo鋼回火敏感性大小的重要指標(biāo)。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(shù)小于25×10-6，J系數(shù)小于200。為此，對與回火脆化關(guān)系密切的元素進行了化學(xué)成分分析，結(jié)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(shù)據(jù)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(biāo)，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(nèi)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(zhuǎn)變溫度應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變溫度；K為增強系數(shù)，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(jīng)步冷處理 (SR+SC) 的試樣，分別在20～－60 ℃下作焊縫和熱影響區(qū)的V型缺口沖擊試驗，其塑脆轉(zhuǎn)變溫度曲線見圖4和圖5。 可以看出焊縫和熱影響區(qū)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(qū)脆化前后溫度增量約為8 ℃，則Tr54+2ΔvTr54=-38 ℃，這兩個結(jié)果均遠(yuǎn)低于控制指標(biāo)。



圖4　焊縫脆化前后轉(zhuǎn)變溫度曲線

圖5　熱影響區(qū)脆化前后轉(zhuǎn)變溫度曲線

4　結(jié)　語

　　①對于厚壁爐管焊接，焊前預(yù)熱是必需的，當(dāng)預(yù)熱溫度控制在200 ℃左右時，能有效地防止冷裂紋的產(chǎn)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(xué)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(xué)性能，合理的熱處理規(guī)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(shù)均低于控制指標(biāo)，焊接線能量控制在10～20 kJ/cm，回火參數(shù)［P］取20.0時，焊縫和熱影響區(qū)的塑脆轉(zhuǎn)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(fā)生脆性斷裂。