層間溫度對12Cr2Mo1R低合金鋼焊接沖擊韌性的影響

王海洋，陶 金，李燕辛

（寧夏寶塔化工裝備制造有限公司，寧夏 銀川 750021）

我公司承擔了一臺加氫精制反應器的制造，其設計條件為:溫度425℃；壓力8.14MPa；工作介質為油、氫氣、硫化氫氣體、油氣等的混合氣體；容器筒體為單層板焊結構，簡體壁厚（最小）為70mm；材質為12Cr2Mo1R低合金鋼。根據加氫反應器制造技術條件與NB/T47014-2011《焊接工藝規程》[1]的要求，我們對材料進行了復驗和焊接工藝試驗及焊接工藝評定[1-2]，并發現:焊接層間溫度對12Cr2Mo1鋼材焊接沖擊性能有很大影響。對此，我們制定了合理的焊接工藝措施及參數，用于指導本公司相應材質焊接及產品制造。

1 12Cr2Mo1R材質特點

1.1 加氫反應器主體材質要求

加氫反應器生產工藝特點為:高壓、高溫、臨氫狀態及高溫硫和硫化氫環境。因此，加氫反應器在工作中，可能導致鉻-鉬鋼回火脆化、應力腐蝕開裂等失效損傷型式。12Cr2MolR材質近年已廣泛用于加氫反應器的制造，一般要求正火+回火供貨狀態，保證合金鋼至少含90%貝氏體金相組織[3]。該設備的主要受壓元件的材料力學性能要求符合GB/T713-2014及相關國家標準的要求，主材復驗需模擬焊后熱處理；同時，特別要求，原材料及成品后焊接試板的-30℃沖擊韌性Akv值要三個試樣平均值≥54J，且最小的一個不低于48J。

1.2 材料焊接性能分析

12Cr2MolR合金鋼焊接接頭在375～565℃溫度區間長期運行，易發生微量元素沿晶界擴散偏析，造成回火脆化現象。同時，該合金鋼具有較高含量的Cr、Mo元素，使其淬硬傾向明顯，且焊后熱處理過程易發生晶粒粗大導致再熱裂紋。因此，要求該材質的焊接，應采用合理的焊前預熱，焊中嚴格控制焊接參數、降低熱輸入，焊后緩冷及熱處理等措施，以防止淬硬開裂和再熱裂紋，保證焊接質量[4]。

2 焊接工藝評定試驗

2.1 焊接準備

該設備的焊接材料，均為哈焊所提供。主體材質焊接材料為:手工焊，R407C；埋弧焊，H10Cr2MoG/SJ150。焊接工藝評定采用40mm鋼板；坡口采用U形坡口鈍邊10mm，由機械加工方法獲得。

2.2 預熱及層間溫度

焊前，將坡口兩邊150mm范圍內預熱到≥200℃；焊接時，層間溫度200～300℃。采用紅外測溫儀及接觸式測溫儀。

2.3 焊后熱處理

焊接工藝評定試板的熱處理，采用最小模擬熱處理Min.PWHT:690-13℃×8-2h，升降溫速率50～60℃/h，入爐溫度≤300℃，熱處理后爐內緩冷。同時進行回火脆化傾向評定試驗,要求焊縫的力學性能滿足相關要求。

3 評定試驗結果及分析

此次焊接工藝評定，按照制作技術條件及相關標準規定，對焊接接頭進行了無損檢測、化學成分分析、力學性能試驗、-30℃沖擊試驗及硬度檢測等。

3.1 評定結果

數據表明:化學元素及常規力學性能符合相關要求；回火脆化傾向評定雖然合格，但存在焊縫區及熱影響區-30°沖擊值不穩定，部分-30℃最低沖擊值及平均值不滿足要求。

3.2 原因分析

對焊縫-30℃沖擊功值較低的手工焊16J和埋弧焊30J斷面，進行了金相組織檢測，見圖1、圖2。

圖1手工電弧焊沖擊功16J

金相分析發現:焊縫的沖擊值低、氧化夾雜較多、晶粒粗大、組織不均勻。一般認為，焊接晶粒粗大與焊接時預熱及層間溫度高有關 [5]。分析討論也認定，層間溫度過高是導致沖擊韌性較差的原因。本次試驗，手工及埋弧焊，現場層間溫度均達到，甚至超過了300℃。較高的溫度，雖然可以使焊縫中的氫元素逸出，降低了氫脆的可能，但也造成焊縫金屬晶粒粗大、韌性降低。

4 焊接工藝評定試驗改進

圖2埋弧焊AKv=30J

根據以上情況，變更了層間溫度:手工焊200～260℃，埋弧自動焊200～250℃。其他工藝參數維持不變。也對兩種焊接方法對應的焊接工藝，進行了重新評定，結果較為滿意。以此為依據，為我廠焊接工藝編制指導書及制作產品。

5 結語

通過焊接工藝評定及結果分析得出，焊接層間溫度對12Cr2Mo1R材質焊縫的力學性能影響較大；較低的層間溫度有助于焊縫金屬晶粒細化，提高沖擊韌性；適宜的層間溫度為200～250℃。手工焊熱輸入相對較低，可在溫度區間取較高值；埋弧焊熱輸入相對較高，可在溫度區間取較低溫度。但埋弧自動焊在焊接質量、焊縫成型等方面效果較好，同時，施工環境和焊接效率也比手工電弧焊大好。