临氢工况用2.25Cr-1Mo钢焊接工艺研究

金东发，邹坤，毕大青，冯锦娟

（无锡化工装备有限公司，江苏 无锡 214131）

高温、高压的临氢设备是石油炼化、煤化工等行业的核心装置，长期在高温、高压和临氢等苛刻工况下运行，使用工况十分恶劣[1-3]。常规碳素钢的强度随着工作温度的升高而急剧下降，其极限工作温度仅为350℃，显然无法胜任于临氢设备用材。而2.25Cr-1Mo 钢具有良好的高温机械性能、高温组织稳定性、良好的抗脆断能力、抗氢蚀及冷热加工等性能[3-4]，是高温高压临氢设备的首选材料。

2.25Cr-1Mo 钢是在普通碳钢中加入Cr、Mo 等合金元素，提高了钢的高温强度及组织稳定性，但正是由于其含有一定量的合金元素，使得材料的碳当量值升高，具有较大的淬硬及冷裂倾向，且该钢中含有一些强碳化物形成元素及微量元素易使焊接接头产生再热裂纹及回火脆化倾向，焊接性很差[4-5]，所以焊接过程中制造厂必须采用一定的控制措施才能获得满足客户需求的焊接接头。为此，本文在了解耐热钢焊接特点基础上，对2.25Cr-1Mo 钢进行了系统的焊接工艺试验，掌握了该材料合理的焊接工艺，为该材料设备的焊接进行技术储备。

1 试验材料

如前所述，2.25Cr-1Mo 钢具有较差的焊接性，制造厂有必要对材料的化学成分、力学性能及焊接过程进行相应控制，确保可以获得良好的焊接质量。本公司承制的项目是按ASME 标准进行设计制造，材料化学成分及性能除需满足ASME II 卷A 篇及API RP 934-A 要求外，还需满足P、S 的化学成分分别不高于0.009%及0.008%，且446 ℃的高温抗拉强度Rm≥410 MPa 及高温屈服强度RP0.2≥209 MPa 的项目规范要求。

本试验用板材的牌号为SA-387 Gr22 CL2，其规格为2 000 mm×150 mm×42 mm（由设备用90 mm厚板加工至42 mm），板材供应商为江阴兴澄特种钢铁有限公司，板材化学成分见表1。

表1 试验用板材化学成分Table 1 Chemical compositions of base metal used for testing (wt. %)

本试验采用埋弧焊焊接，所用焊接材料为Bohler公司生产的焊剂F9P2（UV 420 TTR）与焊丝EB3（T Union SA Cr2Mo SC），φ4.0 配合，焊接材料的化学成分及力学性能需满足ASME II 卷C 篇SFA-5.23 要求外，还需满足上述项目规范要求，实际用焊接材料熔敷金属化学成分见表2。

表2 焊接材料熔敷金属化学成分Table 2 Chemical compositions of deposited metal of welding consumable (wt.%)

2 试板的焊接及热处理

2.1 焊前准备

首先按下图1 尺寸要求进行坡口准备，焊前采用打磨方式将试板坡口及坡口周边区域打磨至金属光泽去除母材表面铁锈等污染物。焊接设备为北京时代MZ-1250 埋弧焊机。

图1 焊接坡口及尺寸Fig.1 Welding test plate groove and dimension

2.2 预热温度及层间温度

通过预热可有效地降低2.25Cr-1Mo 钢在焊接过程中焊接接头的冷却速度，避免淬硬组织的形成。同时层间温度也需严格控制，过高的层间温度会引起热影响区局部晶粒粗大，使得焊缝冲击韧性下降[6]。故本试验焊前采用电加热板将坡口及周边区域预热至200 ℃以上，且焊接过程中层间温度不高于250 ℃，并采用热电偶进行控温，始终保持在200 ～ 250 ℃间进行焊接直至进行焊后热处理、中间消除应力热处理（ISR）或消氢处理（DHT）。

2.3 焊接参数制定

本试验的焊接参数见表3，在焊接过程中严格控制焊接热输入，并采用多层多道焊接，提高焊接接头韧性。通常随着焊接线输入的增大，可以降低冷却速度，有利于焊接接头中氢的逸出，防止冷裂纹的产生。但如果2.25Cr-1Mo 钢的焊接热输入过大，会增加焊接应力及使热影响区晶粒粗大，而晶界数量的降低则会使得晶界不足以阻挡位错的滑移，且强碳化物形成元素有足够的时间在晶内弥散沉淀，使得晶内强化而晶界弱化，导致在后续热处理时所产生的应力松弛全部聚集于晶界上的形变超出晶界的塑性极限而形成热影响区再热裂纹[7]。所以2.25Cr-1Mo 钢的焊接除了控制预热温度及层间温度极其重要外，焊接热输入的控制也尤其关键。

表3 2.25Cr-1Mo 钢焊接参数Table 3 Welding process parameters of 2.25Cr-1Mo steel

2.4 焊后热处理

为了防止氢致冷裂纹，2.25Cr-1Mo 钢焊接完成后，应立即进行中间消除应力热处理（ISR）或消氢处理（DHT）。DHT 可以消除焊缝金属中的扩散氢来防止焊缝冷裂纹产生，而ISR 不仅可以消氢，还可消除焊缝残余应力并改善焊缝韧性。所以本试验焊后立即进行600 ～ 640 ℃/2 h 的ISR，ISR 后并放置了24 h后进行了100%（MT+UT+RT）无损检测，检测合格后，将试样切割成两件，分别进行（690±14） ℃/8 h的最小焊后热处理及（690±14） ℃/32 h 的最大焊后热处理。热处理后并再次放置24 h 后分别对两试件进行100%（MT+UT+RT）无损检测，所有检测合格并进行了相关的理化试验。

3 试验数据及分析

3.1 化学成分

对试件焊缝熔覆金属化学成分进行分析，试验数据见表4。

表4 熔敷金属化学成分Table 4 Chemical compositions of deposited metal wt.%

通过试验数据可以看出，焊缝化学成分满足ASME II卷C篇SFA-5.23要求；且此项目通过对母材、焊材的微量元素采购特殊限制，使得焊接接头的回火脆性指数X远远低于15×10-6，仅为6.8×10-6，降低了焊缝金属中的微量元素沿晶界扩散偏析，提高了焊接接头抗回火脆性能力。

3.2 力学性能

对最小焊后热处理及最大焊后热处理试件分别进行焊接接头常温拉伸试验、熔覆金属450 ℃高温拉伸试验、导向弯曲试验、焊接接头冲击试验及硬度试验。试件焊接接头拉伸及弯曲试验数据见表5，焊接接头冲击试验数据见表6，焊接接头硬度试验数据见表7。

表5 焊接接头拉伸及弯曲试验数据Table 5 Tensile and bend test results of welding joint

表6 焊接接头冲击试验数据Table 6 Impact test results of welding joint

表7 焊接接头硬度试验数据（HBW）Table 7 Hardness test results of welding joint (HBW)

通过试验数据可以看出：

（1）经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强度、高温拉伸强度、导向弯曲、冲击韧性及硬度值均满足相关标准及客户要求。

（2）试件最大热处理后的抗拉强度比最小热处理后的抗拉强度的平均值下降约15 MPa 左右；试件最大热处理后的硬度比最小热处理后的硬度的平均值也有明显下降。

（3）试验数据总体上符合焊后热处理规范的参数对2.25Cr-1Mo 钢焊接接头的抗拉强度及硬度的影响，即随着回火参数 的增加焊缝的强度及硬度有所降低。因焊接接头的冲击韧性随着回火参数的增加总体呈现先上升后下降的趋势，故其回火参数在合适的范围内均可行。

3.3 回火脆化倾向评定试验

此试验的目的是在较短的时间内加速钢的脆化，来测定钢材的回火脆化敏感性。本试验是在最小焊后热处理试板的焊缝及热影响区上分别取2 组试样，每组8 套试样，其中一组按API RP 934-A 进行分步冷却脆化处理，对步冷前和步冷后 的 两 组（每组8 套）各进行-100 ℃、 -80 ℃、-60 ℃、-40 ℃、-29 ℃、-10 ℃、0 ℃、20 ℃冲击试验，根据冲击试验结果分别绘制焊缝及热影响区的步冷前及步冷后冲击功与试验温度的关系曲线（见图2 及图3）。试样经分步冷却脆化处理后应满足VTr55 + 2.5ΔVTr55 ≤10 ℃的要求，式中VTr55 为步冷前冲击功为55 J 时的转变温度，ΔVTr55 为步冷后冲击功为55 J 时的转变温度增量。

图2 焊缝步冷试验前后冲击功与温度关系曲线Fig.2 Curve about the impact energy and temperature of weld before and after step cooling

图3 热影响区步冷试验前后冲击功-温度关系曲线Fig.3 Curve about the impact energy and temperature of HAZ before and after step cooling

通过曲线可以得出：

（1）对于焊缝区：

VTr55 = -54.73 ℃

ΔVTr55 = 5.05 ℃

VTr55 + 2.5ΔVTr55 = -42.11 ℃

（2）对于热影响区：

VTr55 = -57.63 ℃

ΔVTr55 = 5.63 ℃

VTr55 + 2.5ΔVTr55 = -43.56 ℃

焊缝及热影响区VTr55 + 2.5ΔVTr55 远小于10 ℃，说明其经过长时间热循环后的脆化倾向不明显，焊接接头具有良好的耐回火脆性性能。也进一步说明了通过焊前对母材及焊接材料中的微量元素的特殊控制，可以有效降低2.25Cr-1Mo 钢的焊缝金属及热影响区回火脆化敏感性。

4 结论

（1）由于2.25Cr-1Mo 钢材料特殊的焊接性，如果额外对母材及焊接材料中的微量元素、母材的J 系数及焊缝金属的X 系数加以控制，可以有效地减少焊缝金属中的微量元素沿晶界扩散偏析，提高了焊接接头抗回火脆化能力。

（2）采用合适的预热温度、层间温度控制及焊后立即进行中间消除应力热处理措施可以有效地避免2.25Cr-1Mo 钢焊缝金属淬硬组织的形成及焊接冷裂纹的发生。

（3）通过对焊前预热温度、焊接热输入及层间温度的合理控制，从而对热影响区的晶界尺寸加以控制，可以有效地降低2.25Cr-1Mo 钢焊接接头发生再热裂纹风险。

（4）本试验通过在200 ～ 250 ℃温度内进行2.25Cr-1Mo 钢的焊接，控制其焊接线能量不高于3 kJ/mm，并在其焊后立即进行相关热处理等控制措施，获得的各项性能均能满足相关标准及技术条件要 求。