15CrMoR焊接工艺与热处理的影响分析

摘要：介绍了低合金耐热钢15cMoR的焊接性能，通过采取焊前预热、消氢，焊后热处理等合理的工艺措施，成功地解决了耐热钢压力容器在制造过程的焊接难题，最终使焊接接头性能达到了设计要求，取得了很好的效果。

关键词：耐热钢；预热；消氢；焊后热处理；埋弧焊

舞钢-师先生152*9076*5221

某石化集团10X104t/年直馏汽油改质装置扩能改造工程中的核心设备-反应器，规格为∮2200mmX11340mmX28mm,材质为15CrMoR,设计压力为078MPa,工作压力为06MPa,设计温度545℃，工作温度530℃，工作质介为直馏汽油、油气，属易燃介质，本设备属二类压力容器，要求制造完毕进行整体热处理。由于15CrMoR憨厚易出现再热裂纹和回火脆性，因此如何选择焊接和热处理工艺是设备制造的关键所在。

1材料性能及要求

15CrMoR属低合金耐热钢，供货状态为正火+回火，组织为珠光体，铁素体，亦称珠光体耐热钢，其最高工作温度为550℃。这种材料在高温下具有高温持久强度，蠕变强度，高的耐蚀性，抗氢能力、抗氧化性和抗脆断能力。因此在选择焊材时要求焊接接头不仅具有与母材基本相等的室温和高温短时强度，而且应具有与母材相当的高温持久强度，抗氢性和抗高温氧化性，并保证在长期的高温高压作用下接头各区的组织不产生明显的变化及由此引起脆变或软化，接头具有一定的抗脆断性。

2   15CrMoR钢材焊接性分析    

2.1再热裂纹倾向 15CMoR中合 金元素的质量分数在1.33%~3.13%之间，属低合金耐热钢，这种钢按其合金含量不同具有不同程度的淬硬倾向。根据裂纹指数公武Pm=Cr+Cu+2Mo+10V+7Nb>+5Ti-2可知:钢材的再热裂纹倾向与V, T, Nb的含量有很大关系，因此在保证钢材热强性的前提下，应尽最控制这些元素的含量。根据裂纹指数公式计算I5CMoR钢材的Pur--0.02%<0. 则说明钢材本身的再热裂纹倾向较小,但实际构件的再热裂纹的形成还与焊接热参数、接头的拘束应力以及热处理制度有关。    

 2.2回火脆性铬钼钢及 其焊接接头在370- 565 c温度区间长 期运行过程中，由于P, As, Sb和Sn沿晶界发生的扩散偏析会产生脆变现象，从而影响接头的塑韧性。由焊缝金属的脆性指数计算结果可知，严格控制焊材中P, As, Sb和Sn可降低焊接接头的回火脆性倾向。

      2.3焊材选择  低合金耐热钢焊材的选配原则是焊缝金属的合金成分与强度性能应基本与母材匹配。为提高焊缝金属的抗裂性，通常将焊材中的碳含量控制在低于母材碳含量范围内，同时为防止焊接接头出现再热裂纹及回火脆性，在选择焊材时应注意:①在保证焊缝热强性的前提下，将V, Ti,Nb,P,As,Sb和Sn的含量控制在最低的容许范围内。②选用高温塑性高于母材的焊材。综合考虑埋弧焊，焊丝选用H13CMoA+HJ250G,焊条选用E5515-B1。

      2.4  工艺措施为防止焊缝产生再热裂纹，除采取上述措施外，还应注意:①适当提高预热温度和道间温度;②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;③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。

     3坡口加工

      3.1筒体环缝坡口加工采用 刨边机进行刨削，刨削进刀量不能太大，以保证坡口表面无撕裂小裂纹。刨削过程中要及时清理铁屑，防止划伤钢板刨削完毕，采用磨光机打磨坡口表面，并进行着色检测。

      3.2简体纵缝坡口采用火焰自动切割。 切割前，须将坡口两侧各200 mm范围内预热至150 c,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。

      4焊接

      4.1 焊接工艺评定

      根据产品实际需要分别进行了埋弧焊、焊条电弧焊工艺评定，焊前对试板进行了预热，预热方式采用履带式电加热带，预热温度150~200℃，焊接过程中严格控制道间温度不低于150℃，并在焊后立即进行了(250~300)℃x2h的消氢处 

理。无损检测合格后还进行了焊后消应力热处理，热处理温度为0~680℃。焊接过程中严格控制了焊接热输入，埋弧焊为30~34kJ/cm，焊条电弧焊为22kJ/cm。 工艺评定结果见表1。 

所选择的焊接工艺评定结果完全能满足设计和标准要求。

4.2产品焊接

4.2.1组对 组对时的定位焊采用焊条电弧焊，焊条选用R307.φ3.2mm，焊前预热采用火焰均匀加热，加热至200C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100 mm。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。定位焊须在坡口内引弧，不得在母材表面随意引弧。定位焊缝焊完后，用火焰进行均匀加热，加热到200C后用岩棉保温缓冷。

4.2.2焊接工艺

      (1)焊接前，清理焊道两侧20 mm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。

      (2)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200 mm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 C后断电进行焊接。

      (3) 采用埋弧焊，焊接参数严格执行焊接工艺评定结果，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 C,，否则应重新进行加热。内侧焊缝焊完后，从外侧采用碳弧气刨进行清根，清根前焊缝温度要求不低于200C，否则要进行预热处理。

      (4)每条焊缝焊完后立即进行(250~300) Cx2 h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一步弥散，减少因S，P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。

      (5)每条焊缝焊接完毕，待48 h后进行射线探伤。

   5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性，达到提高接头的综合力学性能的目的。由于低合金耐热钢在370-565C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:各国制造法规对15CrMoR的焊后热处理温度要求不一，JB/T 4709- 2000推荐温度 为≥600 C,其它规范推荐为0~680 C，为此分别做了(620+40) C, (660+20) C温度下热处理焊接接头的力学性能检测，结果见表2。

    由此可见，较高的的热处理温度由于提高了组织的稳定性而延长了蠕变断裂时间有利于提高接头的冲击韧度。为此产品的热处理温度选定在(660+20)C,为避免15CrMoR在370~565 C这-温度带出现材料韧性下降的现象，降温过程中在400 C以下要加快冷却速度。热处理工艺如图1所示。

6产品焊接试板

采取上述工艺措施，产品焊接试板力学性能试验结果见表3。

7结论

(1)严格控制母材和焊材中V, Ti, Nb. P, As, Sb和Sn的含量，对防止焊接接头出现再热裂纹和回火脆性有利。

(2) 合理的预热、消氢措施是保证焊接接头质量的关键。

(3)在660 C温度下进行焊后热处理，并适当控制设备在370-565 C下的停留时间，可获得综合性良好的焊接接头。