加氢反应器12Cr2Mo1V钢焊接工艺制定

牛翰卿

摘要：12Cr2Mo1V钢主要用于高温、高压和高氢分压的加氢装置中，是大型压力容器锻件的理想材料。为保证焊后焊接接头安全性，必须要进行焊接工艺评定。在对12Cr2Mo1V钢焊接性进行理论分析的基础上，制定了12Cr2Mo1V钢的焊接工艺方案，并按照ASME  IX钢卷标准进行了焊接工艺评定试验。结果表明，所制定的焊接工艺方案其焊接接头性能符合TSG21–2016《固定式压力容器安全技术检测规程》有关技术要求。

关键词：12Cr2Mo1V;焊接工艺;焊接接头

随着加氢工艺技术的提高、特别是渣油加氢改质和煤加氢液化工艺的不断发展，加氢装置规模趋于大型化，加氢设备使用条件趋于更高温。目前12Cr2Mo1V钢因加入钒和微量合金元素提高钢的淬透性和钢的强度等级;具有较高的抗高温蠕变性能、抗回火脆化能力、抗氢侵蚀、氢脆和氢致裂纹的能力，是大型压力容器锻件的理想材料[1]。因12Cr2Mo1V钢使用要求及服役环境的特殊性，为确保焊后产品的安全性，合理评价焊接工艺，保证焊接工艺的合理性，使焊接接头符合技术要求，具有非常重要意义。

试验试板材料

焊接试板规格及坡口形式

12Cr2Mo1V鋼焊接试验所用锻件试板规格为1000×120×45，4块（2对），坡口加工图如图1所示：

12Cr2Mo1V焊接试板化学成分如表 1 所示。12Cr2Mo1V钢碳和合金元素含量高，根据公式CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15可得，12Cr2Mo1V钢CE≥0.6%，焊接性较差，属难焊材料。一方面，焊接过程中存在着一定程度的硬化倾向，另一方面，在焊接热循环所决定的冷却速率条件下，焊缝和热影响区可能形成对冷裂纹敏感的显微组织，可能会生成Cr、Mo和V碳化物，容易引起接头过热区的再热裂纹。因此在焊接时需采用较高的预热温度和严格的工艺方法。

力学性能要求

12Cr2Mo1V钢锻件试板焊接后经过最大（Max.PWHT）和最小（Min.PWHT）焊后模拟热处理后检测力学性能。要求室温拉伸强度590–760MPa;454℃、540℃高温屈服强度Rp0.2≥350;夏比冲击功–30℃（V型缺口）平均值≥60J，允许一个试样≥54J，HV（10）硬度≤247，侧弯无裂纹;显微组织为贝氏体组织;回火脆性敏感性试验vTr54+3△vTr54≤0℃。

焊接工艺制定

焊前预热温度制定

由于母材的碳当量大于0.6%，容易产生焊接冷裂纹和再热裂纹，因此选择了焊前预热的方法。根据Ito–Bessyo和Seferiau[2]提出的预热温度公式，预热温度范围为200℃–300℃。焊接前预热温度定为220℃。

焊前工艺参数制定

采用手工电弧焊方法进行多层多道焊接;

打底层选择φ5.0mm 的CM–A106HD 焊条，填充层选择φ5.0mm的 CM–A106HD 焊条施焊，侧层间温度230℃–300℃。

坡口形式及尺寸见图 1，焊接时焊接工艺参数见表 2所示。

焊后热处理参数如表3所示。

焊接试板性能结果

对Min.PWHT和Max. PWHT后的焊接试板均进行了对应的试验，其中Min.PWHT试板编号为SMAW–1，Max. PWHT试板编号为SMAW–2，试验结果如下：

拉伸试验

焊接试板按照GB/T228.1–2010进行室温拉伸试验，作接头板拉2件;按照GB/T 228.2–2015进行高温拉伸试验，分别作454℃、540℃拉伸各1件，试验结果见表4所示。

焊接试板按照GB/T229–2007 进行母材区、焊缝区和热影响区3区–30℃冲击试验，取样位置在试板厚度方向的距上下表面1.6mm、T/2处取样，–30℃KV2冲击吸收功均大于等于60J，试验结果见表5所示。

弯曲试验

焊接试板按照GB/T232–2010进行侧弯试验，试板SMAW–1与SMAW–2全焊缝各做侧弯2件，弯心直径d=4a，试样厚度a=10.0mm，弯曲角度α=180°。经过试验，冷弯后4件侧弯均未出现裂纹，结果合格。

硬度试验

焊接试板按照GB/T231.1 –2009进行硬度试验，分别取焊缝2点、热影响区6点、母材2点（上、下表面1.6mm处及T/2处）进行硬度测量，HV（10）硬度测量值均小于等于247，符合要求，检测结果见表6所示。

金相组织

焊接试板按照GB/T13298–2015进行显微组织检验，在母材区、焊缝区、热影响区进行检测，显微组织均为贝氏体回火组织，试验结果见图2所示。

模拟焊后热处理焊接接头进行回火脆性敏感性试验，实验结果热影响区vTr54+3△vTr54=–91.0℃;焊缝金属vTr54+3△vTr54=–83.0℃，结果均低于规定温度，符合标准要求。

结论

本试验针对规格为1000×120×45焊接试板，制定了焊接和热处理规范，并进行焊接工艺评定实验，得出以下结论：（1）对12cr2mo1v焊接试验板的焊接接头进行分析后，得到焊接试板经Min.PWHT和Max. PWHT焊后模拟热处理后其焊接接头室温抗拉强度、高温屈服强度、–30℃夏比冲击功、弯曲实验、HV（10）硬度、显微组织、回火脆性敏感性试验结果，均符合要求。（2） 评定结果表明，本文所制定的焊接工艺方案其焊接接头性能符合TSG21–2016《固定式压力容器安全技术检测规程》有关技术要求[3]。

参考文献

赵猛.加氢裂化反应器全面检验及缺陷处理[J].石油和化工设备，2013.

周振丰，张文钺.焊接冶金与金属焊接性[M].北京：机械工业出版社，1998：301–323.

TSG21–2016.定式压力容器安全技术检测规程[S].