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国产2 Cr-1Mo- V钢工艺焊接性试验

编辑:天津市金桥焊材集团有限公司  时间:2012/05/18  字号:
摘要:国产2 Cr-1Mo- V钢工艺焊接性试验
    高温、高压加氢反应器是加氢裂化和加氢脱硫装置的核心设备,现今大多采用Cr-Mo钢材料,最常采用2
    Cr-1Mo钢。尤其是其中的热壁加氢反应器壳体几乎绝大部分都采用该钢制造。但是随着加氢工艺技术、尤其是渣油加氢改质煤加氢液化工艺的发展,加氢反应器的尺寸越来越大,设计条件更加苛刻,一般的2Cr-1Mo 钢已很难满足要求。而2Cr-1Mo-V 钢,由于具有较高的强度等级;并具有较高的抗高温蠕变性能;具有较高的抗回火脆化能力、更好的抗氢侵蚀、氢脆和氢致裂纹的能力、非常高的抗不锈钢堆焊层剥离性能,因此得到越来越广泛的应用。
    某加氢设备采用国产钢厂生产的2Cr-1Mo-V的钢板。该钢板为我厂第一次采用,以前均为进口板材。由于冶金及热处理技术的差异,以前的经验数据并不完全适用。因此在产品应用前针对其焊接工艺性做一系列试验,并将部分数据与国外进口板材的试验数据进行比较,为实际生产制定更加合理的工艺参数提供依据。
    2Cr-1Mo-V钢由于合金元素含量高,空淬倾向较大,焊接时在热影响区和焊缝易产生冷裂纹,同时由于钢中Cr、Mo、V等强碳化物形成元素对再热裂纹的形成有很大影响。为此寻求在焊接时不产生冷裂纹及再热裂纹的工艺条件,是做工艺焊接性试验的主要目的。
    1     供货态母材性能比较
    1.1  化学成分分析
    按照GB/T223.5-1997钢铁及合金化学分析方法检验,试验用2Cr-1Mo -V钢板化学成分见表1。
    两种板材的化学成分均满足技术条件的要求,杂质含量控制得比较严格,含量很少,且裂纹敏感系数相差不大,只是国产板材的Cr含量稍高。
    1.2  力学性能
    进口及国产钢板的金相照片如图1和图2所示。
    由表2、表3我们可以看到,国产2Cr-1Mo-V板材的强度较高,高了约100MPa;钢板表面与芯部可能因冷却速率存在较大的差异,在钢板中心有较大区域的组织存在铁素体。
    2     工艺性焊接试验
    2.1  冷裂纹试验
    2.1.1    I.I.W最高硬度法试验
    焊接热影响区产生冷裂纹的倾向与此区域金属的硬度和金相组织有一定的关系,国际焊接学会(I.I.W)推荐采用的最高硬度法实验认为:对于一般碳钢和低合金钢热影响区金属的最高硬度值如果超出350(HV10),焊接时就需要预热;对于高强度低合金钢最高硬度值超出390(HV10),就应预热焊接,因此根据热影响区金属的硬度来确定焊接预热温度是一种简便的评定方法。
    2.1.1.1    试验方法
    按照GB4675.5-84《焊接热影响区最高硬度试验方法》标准进行试验。焊前进行打磨除锈,清除油污、水分及氧化皮等,把试件两端支承架空,下面保持足够的空间。沿轧制方向在试件表面中心线位置焊接长(125±10)mm焊道。焊后自然冷却12hr后,用机加工方法垂直切割焊道中部,然后在断面上切去测量硬度试样。硬度的检测位置如图3所示。
    2.1.1.2    试验条件
    1)试板母材:2Cr-1Mo-V钢
    2)试板规格:
    200mm×150mm ×20mm 2块
    200mm×75mm×20mm 1块
    3)焊接材料:
    法国SAF产E225V(Φ4.0mm)
    4)焊接方法:焊条电弧焊
    5)焊接规范:
    焊接电流(I)=160~170A
    焊接电压(U)=22~24V
    焊接速度(V)=140~150mm/min
    6)分别在室温、预热150℃、190℃条件下进行试验,每种条件下焊1块试件。
    通过表4的结果对照比较来看,国产2Cr-1Mo-V钢硬度(HV10)高了约20,150℃预热情况下最高硬度没有明显的降低,190℃预热条件下的硬度结果与进口板材150℃预热条件下的硬度结果相似。从这一点再结合其强度高的特点,其预热温度比之进口板材应有所提高。190℃是预热最低要求, 如果再考虑实际生产中的拘束应力等情况,预热温度最好达到200~250℃。
    2.1.2      斜Y型坡口试验
    该试验主要是用于评定焊缝及热影响区冷裂纹的敏感性,由于该种方法条件比较苛刻且试验方便,故是最常用的一种评定冷裂纹敏感性的试验方法。
    2.1.2.1   试验方法
    试验完全按照GB4657.1-84标准进行。试验前应先焊拘束焊缝,采用双面焊接,防止产生角变形及未焊透。焊接试验焊缝时按图4进行焊接,焊一道焊缝。焊后试件经48h后,对试件进行检查和解剖。检测裂纹手持放大镜仔细检查焊接接头表面和断面产生裂纹状况。
    2.1.2.2   试验条件
    1)试板母材:2Cr-1Mo-V钢
    2)试板规格:
    200mm×75mm×20mm 6块
    3)焊接材料:
    法国SAF产E225V(Φ4.0mm)
    4)焊接方法:焊条电弧焊
    5)焊接规范:
    焊接电流(I)=160~170A
    焊接电压(U)=22~24V
    焊接速度(V)=140~150mm/min
    6)分别在室温、预热150℃、190℃条件下进行试验,每种条件下焊1块试件。
    2.1.2.3    检测结果
    检测结果如表5所示。
    其在190℃预热情况下,表面和断面裂纹率均为零,表明在此预热温度下不会出现冷裂纹。
    2.1.3    刚性固定试验
    这是模拟产品对接焊缝的实际情况,在刚性拘束状态下,测定焊缝及热影响区裂纹倾向的一种试验,采用埋弧焊进行试验。焊后在室温下放置24小时后检查焊缝表面裂纹,然后解剖2端各切取2个横向磨片、中间一个纵向磨片检查断面。
    2.1.3.1   试件形式
    具体试件形式见图4。其中表面裂纹率为表面裂纹长度之和与试验焊缝长度的比值;断面裂纹率为断面上裂纹的深度与试验焊缝的最小厚度的比值。
    2.1.3.2    焊接材料:法国SAF公司产:S225(Φ4.0mm)+F537
    2.1.3.3    焊接方法及焊接规范
    埋弧焊:焊接电流(I)=500~520A
    焊接电压(U)=30~32V
    焊接速度(V)=22.8m/h
    2.1.3.4    预热温度及层间温度
    预热190℃,层温:190~250℃,焊后(300~350)℃×2h后热。
    2.1.3.5    检测结果
    经宏观磁粉检查和微观断面检查, 试件的表面及5个试件的5个断面均未发现任何裂纹。表明在刚性拘束条件下,焊缝和热影响区冷裂纹敏感性低。
    2.2    再热裂纹试验
    2.2.1    估算法
    通过合金元素含量间接评估钢再热裂纹敏感性,其计算公式如下:
    △G1=Cr+3.3Mo+8.1V+10C-2   一般认为
    △G1>2易产生裂纹
    △G1=1.5 ~2较易产生裂纹
    △G1<1.5不易产生裂纹。
    对试验用的2   Cr-1Mo-   V钢,根据其化学成分计算知:△G1=7.853>2, 故从该钢的化学成分计算知道,该钢具有较大再热裂纹敏感性。用下述试验对其进行评定。
    2.2.2    直接试验法
    采用斜Y型坡口铁研式试验。 试验准备及过程与前文完全一样。
    在预热190℃条件下焊1块试件进行试验,焊后经660℃×2.5h的SR处理。
    检测结果:
    经表面及断面检查,未发现任何热影响区的裂纹。表明用此焊接工艺及条件,没有再热裂纹的产生。
    2.3    大拘束度埋弧焊接试验
    2.3.1    试件形式
    具体试件形式及尺寸见图5。两块试板加一块垫板组对,模拟产品纵缝。并在试板背面预先焊接拘束钢板,防止其在焊接中产生变形,并能对焊缝产生较大拘束力,以此来模拟产品纵缝。
    2.3.2    焊接材料:法国SAF公司产:S225(Φ4.0mm)+F537
    2.3.3    焊接方法及焊接规范
    埋弧自动焊:焊接电流(I)=500 ~520A
    焊接电压(U)=30~32V
    焊接速度(V)=22.8m/h
    2.3.4    预热温度及层间温度
    预热200℃;层温:200~250℃,焊后(300~350)℃×2h后热。
    2.3.5    检测结果
    焊后经UT检测及在660℃×2h退火后经UT检测均未发现裂纹类缺陷。
    3   结束语
    通过工艺焊接性试验可知,国产2Cr-1Mo-V钢的强度较高,比国外同牌号钢有更大的空淬倾向,焊前预热温度需达到200~250℃,焊后立即进行(300~350)℃×2h消氢处理对防止冷裂纹是有效的。该钢尽管含有热处理强化晶内的Cr、Mo、V等元素,但因含有一定量的Ca元素,且弱化晶间的杂质元素极低,通过试验表明产生再热裂纹的敏感性不大。
    参考文献
    [1] 中国机械工程学会焊接学会。焊接手册2.材料的焊接 [M].北京: 机械工业出版社。2008.
    [2] 周振丰,张文钺。焊接冶金及金属焊接性 [M].北京: 机械工业出版社。1993.
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