2.25Cr―1Mo耐热钢焊接工艺试验及应用

摘 要：通过对石油炼化系统中的核心设备加氢反应器用2.25Cr-1Mo耐热钢的焊接性分析，按选择的焊材和工艺参数进行了工艺评定试验，焊接接头的力学性能，焊缝熔敷金属的化学成分均满足母材及技术条件要求，而根据合格的评定制定的焊接工艺成功完成了产品制造，对今后同类材料的焊接具有指导意义。

关键词：2.25Cr-1Mo耐热钢；加氢反应器；焊接工艺；应用

0 前言

加氢反应器是整个石油炼化系统中的核心设备，也是压力容器中的高端设备，操作介质：氢气、硫化氢、蜡油、汽油、柴油、轻烃等，设备在高温、高压、临氢条件下运行，使用工况恶劣。其材料2.25Cr-1Mo为耐热钢，材料焊接性较差， 且设备壁厚较厚，冷裂纹倾向较大，需采用严格的工艺措施才能保证焊接接头的质量。

1 2.25Cr-1Mo钢焊接性分析

1.1 母材基本性能

2.25Cr-1Mo钢采用电炉或氧气转炉加真空脱气精炼工艺冶炼，为本质细晶粒镇静钢，供货状态为正火加回火（N+T），其化学成分见表1，力学性能见表2。其金相组织为：贝氏体，具有较好的力学性能和抗裂纹扩展性。通过Cr、Mo、Mn元素的加入提高了钢材的热强性和抗氢性，同时也增强了钢的抗高温蠕变强度。镍改善了钢材的低温冲击韧性，通过模拟MIN.PWHT+阶梯冷却试验：VTr54+2.5VTr54= -11.35℃，证明该钢具有较高的抗回火脆化能力。

1.2 焊接性

根据国际焊接学会（IIW）碳当量计算公式可计算出2.25Cr-1Mo钢的碳当量： Ceq= C+ Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15=0.87%，说明2.25Cr-1Mo钢具有较大的冷裂倾向。较高的Cr、Mo含量加剧了钢的淬硬性，焊接过程中易产生淬硬的马氏体组织，加之设备壁厚较厚，空气湿度较大，使得冷裂纹倾向加大。因此该钢在焊接时需要采取严格的焊前预热和焊后消氢等工艺措施，以减少其产生冷裂纹的可能性。

2.25Cr-1Mo钢中含有沉淀强化元素的Cr、Mo、Nb等，在热处理过程中，由于晶内析出这些碳、氮化物及沉淀相，从而晶内强化，而经热处理应力松弛所产生的变形就集中于晶界，当晶界的塑性不足时，就会产生再热裂纹（亦称消除应力热处理裂纹）。为保证焊接接头质量，其焊接接头通常在焊接完成24h后无损检测合格的基础上，热处理后再进行一次无损检测，主要是进行超声波和磁粉检测，以确定焊接接头的质量。

2 焊接材料

2.25Cr-1Mo钢焊材选择的基本原则是焊缝金属的化学成分、力学性能与母材基本一致，为提高焊缝金属的抗裂性能，应控制焊接材料的含碳量略低于母材，保证焊缝金属具有较高的冲击韧性和与母材相当的蠕变强度，同时为防止冷裂纹的产生应选用碱性低氢型焊条和高碱度超低氢性焊剂，控制熔敷金属中扩散氢的含量。达到产品所要求的综合性能。

加氢反应器为高压、厚壁设备，在制造过程中需经中间热处理及焊后整体热处理，并结合本公司的焊接技术特点，选用了日本神钢进口焊材：焊丝US-521S，规格φ4mm，焊剂PF200；焊条CMA-106N，规格φ4mm/φ5mm。

3 焊接工艺评定

3.1 焊前准备

采用厚度为94mm的2.25Cr-1Mo钢板进行对接焊接工艺评定，根据NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》及相关技术条件要求拟定了预焊接工艺规程。坡口按图1所示，坡口采用机械加工成型。

3.2 主要工艺参数分别见表3

3.3 主要工艺措施

坡口及两侧20mm范围内清理修磨并100%MT检测，按JB/T4730-2005，I级合格。组对时留出反变形量，中间焊缝垫起15-20mm高。焊前坡口及两侧150mm范围内均匀预热200℃～250℃；层间温度不低于预热温度，且不得高于300℃，层间严格清渣。焊缝背面碳弧气刨清根，修磨清理后100%MT（热态）检测，I级合格后方可焊接。焊后焊接接头在不低于预热温度下消氢：350℃～400℃×4小时，保温缓冷；消氢后焊缝打磨与母材齐平。焊接完成24h后进行100%MT检测，按JB/T4730-2005，I级合格；100%UT（B级），按JB/T4730-2005，I级合格；100%RT（AB级）检测，按JB/T 4730-2005，不低于Ⅱ级合格。

3.4 力学性能试验

评定试板分别进行最大热处理与最小热处理。

MaxPWHT： 690±10℃，保温28小时，升降温速度55℃～60℃/h。

MinPWHT：690±10℃，保温6小时，升降温速度55℃～60℃/h。

根据NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》及相关技术要求进行力学性能试验、硬度检测、焊缝熔敷金属化学成分分析、回火脆化倾向评定试验。

3.5 试验结果

（1）试样按相关标准进行试验，其拉伸试验结果见表4，冲击试样结果见表5，弯曲试验结果见表6，硬度试验结果见表7，化学成分分析结果见表8。

（2）回火脆化倾向评定试验。此试验的目的是在比较短的时间内加速2.25Cr-1Mo钢的脆化，来测定此种钢材的回火脆化敏感性。

试验是在最小热处理试板上取2组试样，每组8套试样，其中一组进行分步冷却脆化处理（分步冷却曲线见图2），对步冷前和步冷后的两组试样（每组8套）各进行-80℃、-60℃、-40℃、-30℃、-10℃、0℃、10℃和20℃的夏比（V形缺口）冲击试验，其冲击试验结果见表9，根据冲击试验结果绘制两组试样的冲击功与试验温度的关系曲线（见图3）。

由冲击功与试验温度的关系曲线可得出当AKV为54J时，对应的冲击试验温度：步冷前为-57.5℃，步冷后为-39.04℃

则 VTr54+2.5VTr54=-11.35℃

式中VTr54为经最小热处理的冲击功为54J时相应的转变温度，VTr54为经最小热处理加步冷试验后冲击功为54J时相应的转变温度增量。

由公式可以得出焊缝的回火脆性倾向较小。

3.6 评定结论

通过严格按照工艺参数和工艺措施进行焊接与控制，其得到的焊接接头的力学性能、化学成分等各项性能均与母材相匹配，均能满足2.25Cr-1M钢产品所要求的综合性能。

4 2.25Cr-1Mo钢产品焊接

我公司为石化公司制造的加氢反应器，设备直径Φ2400mm，总长度29519mm，主体厚度114mm，总重量约214吨。

4.1 焊接坡口的制备

筒体纵向A类焊接接头单V形坡口，在预弯及卷制成型后采用切割机气割；筒体间及筒体与封头间环向B类焊接接头单U形坡口在筒体、封头成型后采用立式车床车出。坡口砂轮修磨，去除油污、铁锈等杂物；

4.2 焊接及质控过程

焊前坡口表面进行100%MT检测，按JB/T4730-2005，I级合格后坡口及其两侧各不小于150mm范围内均匀预热到200℃～250℃之间。

设备主体A类接头采用焊接小车埋弧焊，B类接头采用窄间隙埋弧焊，层间温度控制在预热温度范围内。焊接时，采用评定合格的焊接材料和焊接工艺规范，采用多层多道焊，层间严格清渣，认真检查。焊剂焊前烘干350℃～400℃保温2小时，随用随取，以防止其吸收空气中的水分。焊接接头一面焊后，背面碳弧气刨清根，刨槽表面采用角向磨光机清除热影响区和淬硬层，并进行100%MT（热态）检测合格，然后在预热温度范围内再进行背面的焊接。

在每条焊接接头焊后立即进行消氢处理，350℃～400℃保温4小时，覆盖保温棉缓冷。

4.3 无损检测

焊接接头经外观检查不得有裂纹、未熔合、咬边等焊接缺陷。焊接完成24小时后对焊接接头进行100%射线探伤检查（检测技术等级AB级），按JB/T4730-2005不低于II级合格；并进行100%超声波（检测技术等级B级）检测和100%磁粉检测，按JB/T4730-2005均不低于I级合格。该台加氢反应器设备A、B类焊接接头射线检测一次合格率达99.7%，其它无损检测均未发现缺陷。

4.4 整体热处理

设备经无损检测合格后进行炉内整体消除应力热处理，690℃±10℃保温6小时，升降温速度55℃～60℃/h。设备热处理和水压试验后分别对焊接接头进行超声波（TOFD）和磁粉检测，均未发现超标缺陷。

4.5 焊接试板

产品焊接试板和设备筒体第一条纵缝同时焊接，和设备具有相同的热处理史，按NB/T47016和图样技术条件要求，进行了各项力学性能检验，均不低于母材指标。

5 结束语

通过对石油炼化系统中的核心设备加氢反应器用2.25Cr-1Mo耐热钢的焊接性分析和焊接工艺评定试验，制订了合理的、符合生产实际的焊接工艺规程，成功完成了该设备的制造任务。为今后同类产品焊接生产奠定了基础，具有推广应用价值，同时也提高了本公司的生产制造能力，为公司今后在同类材料高温高压临氢设备的制造方面积累了实践经验。

参考文献：

[1]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册（第2卷）[S].北京：机械工业出版社，2003.

[2]张文.焊接冶金学（基本原理）[S]. 机械工业出版社，2009.

[3]陈裕川.钢制压力容器焊接工艺[M].北京：机械工业出版社，2007.