2.25Cr-1Mo-0.25V钢厚壁管对接埋弧焊工艺研究

范东亮，王东峰

1.一重集团大连核电石化公司 辽宁大连 116113

2.大连凯飞化学股份有限公司 辽宁大连 116000

1 序言

近年来，随着国内石化行业迅速发展，炼油装置规模趋于大型化，为压力容器制造业提供了良好的机遇。加氢反应器作为炼油装置的核心设备，具有高温、高压、临氢等苛刻条件下的使用特点，近年来逐渐向大型化发展[1]。2.25Cr-1Mo-0.25V钢自20世纪90年代开发成功后，由于设计许用应力大幅提高，适用温度更高，耐氢损伤和氢剥离的性能更好等优势，可在保证更安全使用的前提下有效降低投资，所以迅速替代了常规2.25Cr-1Mo钢，成为锻焊加氢反应器的首选材料[2，3]。

对于加氢反应器等厚壁容器，顶部和底部弯管组焊仍采用焊条电弧焊方法，不仅劳动强度大，生产效率低，而且焊接质量往往依赖于焊工的技能水平。为实现弯管组焊自动焊，目前考虑两种解决方案：全位置TIG自动焊和埋弧焊。全位置TIG自动焊适用于ϕ300mm以下的小管径管对接，对厚壁钢管并不适用。埋弧焊方法生产效率高，目前存在的问题是因热输入大，容易使层间温度过高，对于2.25Cr-1Mo-0.25V钢焊缝金属的低温冲击韧度难以保证。

2 试验材料及方法

（1）试验设备 图1是埋弧焊工作原理。本试验采用的焊接设备为悬臂式埋弧焊机和压紧式滚轮架，如图2所示。焊接电源采用米勒焊机，型号为Summit Arc1000，焊接机头包括送丝机构、自动控制系统、焊剂输送机构等。压紧式滚轮架是带有双排压紧轮装置，通过施加压紧力，防止管件旋转时产生偏重和轴向窜动。

（2）母材 母材为2.25Cr-1Mo-0.25V钢锻件，满足ASMEⅡ卷A篇 SA336 F22V的规定，化学成分和力学性能分别见表1、表2。试验钢管内径为ϕ396mm、壁厚54mm，加工U形对接坡口，除打底焊采用手工氩弧焊和焊条电弧焊外，其余层全部采用埋弧焊进行焊接，如图3所示。

图1 埋弧焊工作原理

图2 埋弧焊试验照片

图3 试验件规格及坡口尺寸

2.25 Cr-1Mo-0.25V钢的焊接性[4，5]与2.25Cr-1Mo钢相比，前者在焊接时不仅淬硬倾向大，更容易产生冷裂纹，还有在提高材料强度的同时，低温冲击韧性明显低于2.25Cr-1Mo钢。同时对回火脆性要求更加严格。

一般认为，回火脆化温度在350～550℃之间，加氢反应器的使用温度正处于此温度范围内，因此有必要对CrMo钢材料的回火脆性进行评估和测试。为了在短时间内评价脆化性能，通过步冷热处理加速脆化的方法，进行回火脆化倾向评定试验[6-8]。对于2.25Cr-1Mo-0.25V钢，国内各大设计院通常要求，回火脆化倾向评定试验结果应满足vTr54+3△vTr54≤0℃。同时，工程中还使用J系数代表化学元素对回火脆性的影响，2.25Cr-1Mo-0.25V钢的J=（Si+Mn）×（P+Sn）×104≤100，J系数越大，影响越大。

（3）焊接材料 根据设计技术要求，2.25Cr-1Mo-0.25V钢应选用低氢型焊接材料，熔敷金属的力学性能和回火脆性均不低于母材性能指标。焊接材料选用日本神户制钢的埋弧焊焊丝US-521Hϕ2.4mm，匹配低氢型高碱烧结焊剂牌号为PF-500。

（4）试验过程 首先，对试验件坡口打磨后，进行装配固定。其次，对试验件进行预热，采用埋弧焊方法焊接，焊后进行中间热处理（ISR），再进行MT、UT、RT检测。最后，试验件分割成两件，分别模拟最小焊后热处理和最大焊后热处理，解剖加工试样，进行理化试验。

3 焊接工艺要点

2.25 Cr-1Mo-0.25V钢管对接埋弧焊的技术难点在于既要提高焊接效率，又要保证焊缝冲击韧度，可从以下方面采取措施。

（1）预热和层间温度 焊前预热的目的是防止冷裂纹，预热能够降低焊接热影响区的冷却速度，避免淬硬组织的形成。根据API RP 934-A规定，2.25Cr-1Mo-0.25V钢的预热温度≥180℃。但层间温度过高，引起热影响区局部晶粒粗大，使焊缝冲击韧度下降[5]，所以有必要控制层间温度≤250℃。加氢反应器筒体直径较大，散热条件较好，而弯管的管径相对较小（ϕ200～ϕ600mm），当焊接热输入一定时，焊接道次之间散热时间较短，容易造成层间温度过高。故埋弧焊方法仅适用于厚壁管对接，以保证连续焊接，否则应增加有效的辅助冷却装置。

表1 2.25Cr-1Mo-0.25V钢化学成分（质量分数） （%）

表2 2.25Cr-1Mo-0.25V钢力学性能

（2）焊接热输入 对于埋弧焊，当焊丝规格一定时，在保证焊缝成形质量前提下，焊接参数调整的范围有限。而焊丝直径改变，焊接参数才能明显变化。在调整焊接参数时，一方面要考虑焊道成形质量，另一方面还要考虑焊缝内在性能表现[5]。当试件规格一定时，降低焊接热输入，可以使冷却速度变大，这对保证焊缝韧性有利。筒体环焊缝一般采用埋弧焊丝ϕ4.0mm，焊接电流为500~600A，热输入可达3kJ/mm。根据弯管管径小的特点，本次使用的埋弧焊丝为ϕ2.4mm，热输入仅为2.16kJ/mm，焊接参数见表3。

（3）焊后热处理 由于2.25Cr-1Mo-0.25V钢焊缝金属焊态下强度非常高，为防止焊接后延迟裂纹，在焊后立即实施消氢热处理（DHT）或中间热处理（ISR）。DHT采取消除焊缝金属中的扩散氢来防止延迟裂纹，而ISR不仅能消氢，还可消除焊接残余应力并改善焊缝韧性。而整台反应器全部焊接结束后，将进行最终焊后热处理（PWHT），这对获得最佳综合力学性能具有重要作用。PWHT温度过低或时间不足，不能使焊缝充分回火，会导致硬度过高、韧性低。反之，随着回火参数变大，焊缝抗拉强度和屈服强度均出现下降，一定程度内韧性改善。

API RP 934-A规定PWHT保温制度为（705±14）℃×8h，实际生产中应综合考虑强度和韧性选择合理的PWHT条件。本试验采用中间热处理（ISR）665℃×4h，最小焊后热处理（Min.PWHT）705℃×8h，最大焊后热处理（Max.PWHT）705℃×26h。

4 焊接工艺评定

（1）熔敷金属化学成分 表4是熔敷金属化学成分结果，要求值为加氢反应器产品技术条件规定。可见，熔敷金属化学成分结果均符合设计技术要求，P、Sb、Sn、As等有害元素处在较低水平，而且X系数在目标值范围内。X系数是衡量2.25Cr-1Mo-0.25V钢焊接材料回火脆化倾向性能的重要指标[7，8]。X系数反映了材料中有害元素的总量对于回火脆性的影响，X系数越大，影响越大。

（2）拉伸性能和弯曲性能 表5是焊接接头室温拉伸试验、高温拉伸试验、弯曲试验结果，在最小焊后热处理和最大焊后热处理两种条件下焊接接头的室温拉伸和高温拉伸试验结果均满足技术要求，最大焊后热处理比最小焊后热处理抗拉强度下降约50MPa。依据NB/T 47014标准规定，弯曲试验按GB/T 2653的试验方法测定焊接接头弯曲性能，不允许有单条长度大于3mm的开口缺陷，试验结果合格。

表3 厚壁管对接埋弧焊焊接参数

表4 焊熔敷金属化学成分（质量分数） （%）

表5 焊接接头拉伸性能和弯曲性能

（3）-30℃冲击韧度和回火脆性 表6是焊缝、热影响区、母材的-30℃冲击值，最小焊后热处理和最大焊后热处理状态下的焊缝、热影响区的-30℃冲击试验结果均满足技术要求，最大热处理状态下的-30℃冲击韧度优于最小热处理。焊缝回火脆化倾向试验结果为vTr54+3△vTr54=-36℃，热影响区回火脆化倾向试验结果为vTr54+3△vTr54=-90℃，未发生明显脆化。

表6 -30℃冲击值（KV2）

5 应用前景

加氢反应器制造技术不断进步，与以往采用30°弯管相比，90°弯管可以减少焊缝的数量，目前已经具备90°弯管整体堆焊技术。但是，90°弯管与直管之间的组焊仍采用焊条电弧焊，如果推广使用埋弧焊方法，能够有效提高产品质量和生产效率，有利于实现焊接自动化。对于厚壁管对接埋弧焊技术在90°弯管组焊中的应用场景，如图4所示。

图4 厚壁管对接埋弧焊应用

6 结束语

1）2.25Cr-1Mo-0.25V钢管对接埋弧焊的难点在于，既要保证焊接效率，又要保证焊缝冲击韧度，可通过严格控制预热和层间温度、降低焊接热输入等措施来保证。

2）通过采用ϕ2.4mm埋弧焊丝进行焊接工艺评定，由于焊缝金属化学成分、焊接接头拉伸强度和弯曲性能、焊缝和热影响区的低温冲击韧度、回火脆性等各项指标均满足标准和设计技术要求，证明该方法具有可行性。

3）厚壁管对接埋弧焊技术在加氢反应器90°弯管组焊中推广使用，有利于实现焊接自动化。