80mm 15CrMoR低合金热强钢高压锅炉筒体

80mm 15CrMoR低合金热强钢高压锅炉筒体

1、设计依据

本次对80mm 15CrMoR低合金热强钢高压锅炉筒体的焊接工艺的设计，主要是依据国际焊接标准体系和国内焊接标准体系。其中主要应用了焊接材料及其检验、焊接的试验和检验、一般要求、健康与安全等标准。

2、焊接接头的基本要求

力学性能（见表1）

表1  力学性能

σb／MPa	δ5（%）	弯曲角度／（°）（d=3a）	冲击试验			其它
			缺口变形	试验温度／℃	Akv／J
≥560	—	100	V	50	≥49	σb（350℃）≥420MPa σs（350℃）≥365MPa

3、Cr-Mo低合金钢简介

Cr-Mo钢是目前世界上广泛使用的热强钢和抗氢钢。由于在低碳钢中加入了Cr，Mo等合金元素，大大的提高了钢的综合性能。如：具有良好的高温力学性能，抗高温氧化性能，抗腐蚀性能，良好的韧性，工艺性能和可焊性，故广泛用于制造石油化工，煤转化，核电，汽轮机缸体，火电等使用条件苛刻，腐蚀介质复杂的大型设备。本次设计的15CrMoR低合金热强钢的化学成分、力学性能和冷弯性能、高温持久强度和基本许用应力分别见表2，表3，表4和表5。

表2  15CrMoR低合金热强钢的化学成分

C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo
0.12-0.18	0.15-0.40	0.40-0.70	≤0.025	≤0.010	0.80-1.20	0.45-0.60

表3  15CrMoR低合金热强钢的力学性能和冷弯性能

钢板状态	力学性能和冷弯性能
正火加回火	板厚（mm）	抗拉强度	屈服强度	拉伸率	温度	冷弯试验180°b=2a
	＞60-100	450-590	≥275	≥19	20	d=3a

表4   15CrMoR低合金热强钢的高温持久强度

温度（℃）	480	500	530	550	600
104h	349	180	163	120	49
105h	329	120	119	81	29

表5  15CrMoR低合金热强钢的基本许用应力σ（MPa）

温度（℃）	20	100	200	300	400	500
15CrMoR	149.9	149	148	143.1	129.4	96

4、焊接材料的选择及工艺措施

焊缝的组织和性能在很大程度上取决于焊接材料，Cr-Mo耐热钢焊接接头应具有与母材相同的抗氧化性和热强性，应选用焊缝性能与母材匹配的焊接材料，并且不低于产品的最低性能指标。15CrMoR钢的焊接材料通常有两种，一种为选用与母材相匹配的耐热钢焊条，另一种采用奥氏体钢焊条。采用奥氏体焊条由于焊缝金属与母材的膨胀系数不同，长期高温工作还可能发生碳的扩散迁移现象，容易导致在熔合区发生破坏。因此，该焊接工艺较多应用于局部补焊或者焊后不易进行热处理的部位，15CrMoR钢焊接较普遍采用耐热钢焊条。另外，为了满足高温抗氢腐蚀要求，焊接材料必须保证Cr和Mo的含量，尽量降低焊缝中C、S、P的含量；为了减小焊缝回火脆性，还要控制焊接材料中的含Si量，并微量元素Sn、Sb、As等的含量。但为了防止结晶裂纹倾向，焊缝含碳量往往要比母材低（一般不低于0.07%）。

⒈焊条电弧焊的焊条选取E5515-B2(化学成分见表6，力学性能见表7，烘干时间温度见表8），埋弧焊焊丝和焊剂选用H13CrMoA+HJ250G(化学成分见表9）

依据标准：

GB/T5118-1995 《低合金钢焊条》

GB10045-88    《碳钢药芯焊丝》

GB12470-90     《低合金钢埋弧焊用焊剂》

表6  E5515-B2的化学成分

	C	Mn	Si	Cr	Mo	P	S
规范	0.05-0.12	≤0.09	≤0.06	0.80-1.50	0.40-0.65	≤0.035	≤0.035

表7  E5515-B2的力学性能

焊条

参数	σ0.2（MPa）	σb（MPa）	σs（MPa）	△s（%）	Akv（20℃）（J）
规格	≥440	≥540	≥440	≥17	≥27

2.工艺措施

为了防止焊缝产生再热裂纹，应注意：

⑴适当提高预热温度和道间温度；

⑵采用低热输入焊接方法和工艺，以缩小焊接接头过热区的宽度，晶粒长大；

⑶选择合理的热处理工艺，尽量缩短在敏感温度区间的停留时间。因此如何选择合适的焊接热输入、焊接方法和工艺、合理的热处理工艺及接头形式是保证焊接接头能否安全运行的关键所在。

表8  E5515-B2使用前烘干时间温度表

牌号	规格	烘干温度（℃）	烘干时间（h）
E5515-B2	Φ4.0×400	350	1

表9  H13CrMoA化学成分

	C	Mn	Si	Cr	Mo	P	S
规范	0.11-0.16	0.04-0.70	0.15-0.35	0.80-1.10	0.40-0.60	≤0.030	≤0.030

5、坡口选择与加工

筒体纵缝坡口采用火焰自动切割。切割前，须将坡口两侧各200mm范围内预热至150℃，切割后用磨光机打磨坡口表面，并进行着色检测，无任何缺陷为合格。

坡口形式见图1，加工参数见表10。

依据标准：

GB986-88   《埋弧焊焊缝坡口的基本形式和尺寸》

图1  坡口形式

表10  坡口加工参数

工件厚度	名称	坡口角	间隙	焊接位置	衬垫
80mm	V型焊缝	6°	16mm	平焊	15mm

6、焊接

1.焊接工艺评定

依据标准：JB/T6963-93  《钢制件熔化焊工艺评定》

根据试件实际需要分别进行了埋弧焊、焊条电弧焊工艺评定。依据标准，焊前对试板进行了预热，预热方式采用覆带式电加热带，预热温度175℃。焊接过程中严格控制道间温度不低于150℃，并在焊后立即进行275℃×2h的消氢处理。无损检测合格后进行焊后消应力热处理。热处理温度为660℃。焊接过程中严格控制了焊接热输入，埋弧焊为32kJ/cm，焊条电弧焊22kJ/cm。焊接工艺评定结果见表11。

表11  工艺评定结果

焊接方法	焊材型号	σb/MPa	弯曲d=4a	AkV/J		σ0.2/MPa(545℃）
				焊缝区	热影响区
埋弧焊	H13CrMoA+HJ250G	560	180°合格	133	65	350
焊条电弧焊	E5515-B2	495	180°合格	149	117	390

2.工件焊接

⑴组对

组对时的定位焊采用焊条电弧焊，焊条电弧焊选用R307，φ3.2mm，焊前预热采用火焰均匀加热，加热至200℃时进行定位焊。定位焊焊缝厚度不小于8mm，焊缝长度每隔200mm焊100mm。定位焊缝要求与正式焊缝相同，不能存在任何缺陷，尤其是收弧部位无弧坑裂纹，定位焊缝焊完后，用火焰进行均匀加热，加热到200℃后用岩棉保温缓冷。

3.焊接工艺

⑴焊接前，清理焊道两侧20mm范围内油，锈等污物。先焊内侧焊缝，然后从外侧清根后再焊外侧焊缝。

⑵焊前采用电加热带对整条焊缝进行预热，预热宽度为坡口两侧各不小于200mm范围。电加热带放置在外侧焊缝处，内侧用岩棉进行保温。预热过程随时用远红外测温仪测温，保证预热温度的均匀性，温度升至200℃后断电进行焊接。

⑶采用焊条电弧焊进行打底焊（焊条电弧焊焊接工艺参数见表12），焊完后，采用碳弧气刨进行清根，清根前焊缝温度要求不低于200℃，否则要进行预热处理。采用埋弧焊时焊接参数严格执行焊接工艺结果，并严格控制焊接热输入。每条焊缝要一次焊完，中间不得停留，并严格控制道间温度不低于200℃，否则应重新进行加热。打底焊缝焊完后，采用碳弧气刨进行清根，清根前焊缝温度要求不低于200℃，否则要进行预热处理。（埋弧自动焊焊接工艺参数见表13,焊道分布见图2）

表12  焊条电弧焊焊接工艺参数

焊接方法	焊条直径	焊接电流	电弧电压	焊接速度
焊条电弧焊	Φ4.0mm	180A	22V	50mm/min

⑷每条焊缝焊完后立即进行275℃×2h的消氢处理，以降低扩散氢含量，并促使焊缝晶界的有害杂质进行一步弥散，减少因S，P等杂质偏析而导致的裂纹，同时降低焊接接头硬度，提高焊接接头的冲击韧度，避免延迟裂纹的产生。

表13  埋弧自动焊焊接工艺参数

焊道序号	焊丝直径/mm	焊接电流/A	电弧电压/V	焊接速度/（m/h）
②	4	700	38	28
③		675	37	26
④		650	36	25
⑤
⑥		675	37	26

图2    焊道分布图

（注：①为用焊条手工焊打底；②为三道自动埋弧焊从下至上依次焊接；③为四道自动埋弧焊从下至上依次焊接；④为五道自动埋弧焊从下至上依次焊接；⑤六道自动埋弧焊从下至上依次焊接；⑥七道自动埋弧焊从下至上依次焊接。）

7、焊后热处理

对于低合金耐热钢来说，焊后热处理的目的不仅是消除焊接应力，而且更重要的是改善金属组织，降低焊缝及热影响区硬度，提高接头的高温蠕变强度和组织稳定，达到提高接头的综合性能的目的。由于低合金耐热钢在370-565℃温度区间长期运行过程具有回火脆性，因此在选择热处理工艺时一定要避免在此温度区间长时间停留。

温度的确定见表14。

表14  热处理焊接接头的力学性能

温度/℃	接头σb/MPa	母材σb/MPa	AkV/J
			焊缝区	热影响区	母材
660±20	560	500	152	112	182

由表可知热处理温度在660±20℃，为避免15CrMoR在370-565℃这一温度带出现韧性下降现象，降温过程中在400℃以下要加快冷却速度。热处理工艺见图3。

图3  热处理工艺

8、焊接操作注意事项

依据标准：GB9448-88  《焊接与切割安全》

手工电弧焊

1.劳保用品穿戴规范且完好无损；

2.清理工作场地，不得有易燃、易爆品（要仔细检查，不能麻痹大意）；

3.检查焊机和所使用的电动工具；

4.焊接电缆、焊钳、面罩等工具完好，焊把线接地良好；

5.操作时，必须先戴面罩然后再开始操作，避免弧光直射眼睛；

6.在实操过程中督促和检查劳保用品的穿戴、安全操作规程的执行情况。

埋弧自动焊

1.正确穿戴劳保用品，劳保用品必须完好无损；

2.电源和控制箱的壳体必须可靠接地；

3.清除焊车行走通道上可能造成与焊件短路的金属物件，避免因短路中断焊接；

4.按“起动”按钮前，应放好焊剂，以免出现明弧；

5.接通电源后，不可触及电缆接头、焊丝、导电嘴、焊丝盘及支架等带电体，防止触电；

6.焊接时，应能及时排除烟尘、粉尘等有害气体；

7.在实作过程中督促、检查劳保用品的穿戴和安全操作的执行情况。

九、焊缝的检验与评定

1.焊缝外观检验

依据标准：ISO17637：2003  《焊缝的无损检测—熔化焊接头外观检测》

焊后对焊接接头进行外观检测，按照ISO17637：2003《焊缝的无损检测—熔化焊接头外观检测》为依据，主要检测有无表面夹杂、表面气孔、表面未熔合、未焊透、表面裂纹、焊瘤、咬边等缺陷。

2.焊缝X射线探伤

依据标准：GB3323-87  《钢熔化焊对戒接头射线照相和质量分级》

焊后对焊接接头进行X射线探伤，焊缝内部质量依据GB3323-87《钢熔化焊对戒接头射线照相和质量分级》中B 级焊缝标准来要求，检验是否合格。

3.拉伸试验

依据标准：

GB29-  《焊接接头机械性能试验取样方法》

GB2651-  《焊接接头拉伸试验方法》

对焊接试板焊接后，按照GB29-《焊接接头机械性能试验取样方法》切取加工板状拉伸试样。按照GB2651-《焊接接头拉伸试验方法》进行拉伸试验，测的σb，ψ。

4.冲击试验

依据标准：

GB29-  《焊接接头机械性能试验取样方法》

GB2650-  《焊接接头冲击试验方法》

对焊接试板焊接后，按照GB29-《焊接接头机械性能试验取样方法》切取加工板状拉伸试样。按照GB2650-《焊接接头冲击试验方法》进行焊接接头的冲击试验，测定15CrMoR钢焊接接头的冲击吸收功，评价HAZ的冲击韧性。缺口采用夏比V型缺口。

5.弯曲试验

依据标准：

GB29-  《焊接接头机械性能试验取样方法》

GB2653-  《焊接接头弯曲及压扁试验方法》

对焊接试板焊接后，按照GB29-《焊接接头机械性能试验取样方法》切取加工板状拉伸试样。按照GB2653-《焊接接头弯曲及压扁试验方法》进行焊接接头弯曲性能试验，通过对15CrMoR钢焊后接头进行侧弯试验评价该钢材接头的抗弯去性能。

10、参看文献

1.GB/T5118-1995  《低合金钢焊条》

2.GB10045-88  《碳钢药芯焊丝》

3.GB12470-90  《低合金钢埋弧焊用焊剂》

4.GB986-88  《埋弧焊焊缝坡口的基本形式和尺寸》

5.JB/T6963-93  《钢制件熔化焊工艺评定》

6.GB9448-88  《焊接与切割安全》

7.ISO17637：2003  《焊缝的无损检测—熔化焊接头外观检测》

8.GB3323-87  《钢熔化焊对戒接头射线照相和质量分级》

9.GB29-  《焊接接头机械性能试验取样方法》

10.GB2651-  《焊接接头拉伸试验方法》

11.GB2650-  《焊接接头冲击试验方法》

12.GB2653-  《焊接接头弯曲及压扁试验方法》

80mm 15CrMoR低合金热强钢高压锅炉筒体焊接工艺参数

产品零部件：   高压锅炉筒体

名称焊接方法： SMAW+SAW										母材		牌号规格				15CrMoR 80mm
坡口形式
焊前准备	1.焊前讲接缝两侧边缘氧化皮污垢等清理干净  2.接缝装配错边不超过板厚的1/10  3.采用E5515-B2，φ4.0mm焊条定位焊，打底焊  4.焊剂在350-400℃烘干3-4h									焊接材料	焊条牌号E5515-B2   规格φ4.0mm  焊丝牌号H13CrMoA   规格φ4.0mm  焊剂牌号HJ250G     规格  保户气体   /       流量   /
预热	预热温度  175℃  层间温度  ≤300℃									焊后热处理	后热 660±20℃  消除应力处理
焊接工艺参数	SMAW		板厚/mm		层次	焊接电流/A			电弧电压/V	送丝速度/m·h-1				焊接速度/m·h-1			电流类型
			80		1	180			22	4				3			交流
	SAW				2	700			38	69				28			交流
					3	675			37	85				26
					4	650			36	82				25
					5
					6	675			37	85				26
操作技术	1.单面多层多道焊  2.第一层焊后，用碳弧气刨清根  3.第一层在焊剂垫上焊接  4.焊接完成后要进行焊后热处理
焊后检验				1.外表检验  2.X射线照相15%  3.拉伸试验检测  4.冲击试验  5.弯曲试验
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