中图分类号:TG 44; TQ 054 文献标识码:B
我厂承制的北京燕山石化6 万t/a乙烯裂解炉对流段,材料全部由日本进口。其中一组炉管材料为Cr-1Mo,规格为?168 mm×27 mm,其设计压力21.9 MPa,设计温度516 ℃,属于高温高压工况条件。我厂虽有多年制造裂解炉对流段的经验,但材料一般以碳钢为主,且壁厚都在12 mm以内。对于高温高压炉管材料的焊接,国内外研究较多的是Cr5Mo及12CrMoV等,但对于厚壁Cr-1Mo炉管的焊接则研究较少。为了合理确定其焊接线能量、预热温度及焊后热处理制度,因此对其进行了探讨。
1 焊接方法及焊接材料选择
裂解炉对流段炉管化学成分见表1,力学性能为σb=625 MPa,σs=498 MPa,ψ=44.1%,HV=193,ak=257 J。架上焊接位置为水平固定加障碍物,而且焊缝外观要求十分苛刻。焊缝的余高不大于1 mm,焊波的高低差不大于0.5 mm, 背面余高为0.5 mm,焊缝100%X射线探伤二级合格,因此采用手工TIG焊较为适宜,选用按ASME SA355-92标准出品的TIG-2GM牌号低合金钢焊丝,其化学成分见表1。
表1 化学成分 %
元素 | C | Si | Mn | Cr | Mo | S | P |
炉管 | 0.130 | 0.250 | 0.600 | 2.270 | 1.030 | 0.003 | 0.007 |
焊丝 | 0.085 | 0.302 | 0.780 | 2.240 | 1.060 | 0.008 | 0.005 |
2 焊接工艺试验及分析 2.1 预热温度 表2 抗裂性试验结果 |
预热温度/℃ | 表面断裂率/% | 断面裂纹率/% |
常温 | 100.0 | 100.0 |
100 | 70.5 | 83.7 |
150 | 0.0 | 43.5 |
200 | 0.0 | 0.0 |
250 | 0.0 | 0.0 |
试验表明,Cr-1Mo钢冷裂倾向比较大,随着预热温度的提高,接头抗冷裂能力得以改善。当Tr≥200 ℃时,冷裂纹全部消除,因此,焊前预热温度选择在200 ℃左右即可满足抗裂要求。 2.2 焊接线能量 |
图1 线能量对韧度的影响
2.3 焊后热处理规范
文献[1]指出,对Cr-Mo钢,回火参数[P]的变化范围为20.0~20.6,但对某种具体的焊件,则有一个最佳的[P]值。对壁厚27 mm的Cr-1Mo炉管焊后热处理,[P]值取下限20.0,保温2 h,根据回火参数计算式,有:
[P]=T(20+lgt)×10-3 (1)
式中,T为回火温度,K;t为保温时间,h。由式(1)可知T=710 ℃。为了进一步了解回火规范对接头性能的影响,用前述方案1的焊接试样分别在650 ℃、710 ℃及760 ℃进行高温回火,保温2 h,再进行性能检验。
为考察[P]对-50 ℃冲击韧度影响,在650 ℃、710 ℃及760 ℃这3种状态下对试样的热影响区做-50 ℃的V型缺口冲击试验,其结果见图2。
图2 热处理温度对韧度的影响 2.4 [P]对焊缝强度的影响 表3 接头常温和高温短时性能 |
回火温度/℃ | 室温时σs/σb | 425 ℃时σs/σb |
650 | 612/436 | 507/359 |
710 | 540/411 | 485/308 |
760 | 538/402 | 475/284 |
3 接头回火脆化敏感性检验 3.1 焊缝金属有关系数 表4 焊缝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 |
从表中数据可求得:
X=(10P+5Sb+4Sn+As)0.01=0.000 008 (2) J=(Si+Mn)(P+Sn)10 000=84.5 (3) 这两个值均低于控制指标,说明所选的焊接材料足以满足抗回火脆化的要求。 3.2 回火脆化评定试验评定方法采用Socal No.1步冷曲线[2],见图3。通过步冷处理,使材料分步通过脆化温度,造成加速脆化的条件,使其在较短时间内材料脆化量更大。 |
图3 步冷处理(SC)曲线
Cr-1Mo材料回火脆化的塑脆转变温度应满足下式要求:
vTr54+KΔvTr54≤38 ℃ (4)
式中,ΔvTr54=vTr′54-vTr54,vTr?54为回火处理(SR)后54 J冲击功时的转变温度;vTr54为回火处理加步冷处理(SR+SC)后54 J冲击功时的转变温度;K为增强系数,这里取2.0。
将710 ℃下2 h高温回火(SR)的焊接试样和回火后再经步冷处理 (SR+SC) 的试样,分别在20~-60 ℃下作焊缝和热影响区的V型缺口冲击试验,其塑脆转变温度曲线见图4和图5。 可以看出焊缝和热影响区SR后54 J冲击功的温度为-56 ℃和-54 ℃, 焊缝脆化前后温度增量约5 ℃,于是Tr54+2ΔvTr54=-46 ℃,所以热影响区脆化前后温度增量约为8 ℃,则Tr54+2ΔvTr54=-38 ℃,这两个结果均远低于控制指标。
图4 焊缝脆化前后转变温度曲线
图5 热影响区脆化前后转变温度曲线
4 结 语
①对于厚壁炉管焊接,焊前预热是必需的,当预热温度控制在200 ℃左右时,能有效地防止冷裂纹的产生。②对于炉管水平固定加障碍位置的焊接,焊接线能量下限控制在10 kJ/cm左右,能获得满意的焊缝根部成型。对于填充焊道和盖面,随着线能量上限值的增大,焊层减少,接头常温力学性能变化不明显,而-50 ℃冲击韧度则呈明显下降趋势。为保证接头具有可靠抗断裂韧度,线能量控制在20 kJ/cm较为合适。③厚壁炉管焊接接头常温和425 ℃高温短时拉伸强度,随回火温度的提高均有明显下降。而-50 ℃冲击功则在710 ℃,即[P]=20.0时显示了最高值,为保证接头的综合力学性能,合理的热处理规范为[P]=20.0,即回火温度710 ℃,保温2 h。④选用TGS-2CM焊丝,焊缝的脆化敏感性系数均低于控制指标,焊接线能量控制在10~20 kJ/cm,回火参数[P]取20.0时,焊缝和热影响区的塑脆转变温度低,接头步冷处理后脆化温度增量小,接头韧度贮备大,抗回火能力强,因此在高温下使用其安全裕度大,不会发生脆性断裂。
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