1Cr-0.5Mo（H）耐熱鋼的焊接

中國石油天然氣第七建設(shè)有限公司 山東青島 266300

中國石油天然氣第七建設(shè)有限公司（以下簡稱中石油七建）施工的濰坊弘潤聚酯原料加工聯(lián)合裝置220萬t/a二甲苯異構(gòu)化裝置異構(gòu)化反應(yīng)器項目，反應(yīng)器主體材質(zhì)為1Cr-0.5Mo（H），其鋼材化學(xué)成分和力學(xué)性能符合ASME及國標(biāo)雙標(biāo)準(zhǔn)，相當(dāng)于國內(nèi)的15Cr-MoR，但化學(xué)成分和力學(xué)性能要求更為苛刻，是化工行業(yè)中不常見的一類材料。鋼板供貨狀態(tài)正火+回火，并經(jīng)超聲波檢測合格，屬于耐高溫、高壓、抗氫腐蝕的材料。

該反應(yīng)器設(shè)計溫度為475℃，工作溫度為444℃，根據(jù)專利商美國UOP的工藝包規(guī)定，主體鋼板材料類別為Class 1。我國板材標(biāo)準(zhǔn)GB/T713中的15CrMoR板材不能滿足要求，因此選用了ASME標(biāo)準(zhǔn)中的1Cr-0.5Mo Class1的材料，并在此基礎(chǔ)上規(guī)定了其化學(xué)成分和力學(xué)性能，以保證能滿足現(xiàn)場設(shè)備運行工況的需求。

經(jīng)相關(guān)資料查證，該類鋼的焊接需要焊前預(yù)熱、焊后消氫、焊后消應(yīng)力熱處理等措施。按施工圖紙要求，主體焊縫需要經(jīng)100%RT Ⅱ級-AB級+100%UT Ⅰ級-B級合格，質(zhì)量要求嚴(yán)格，焊接施工難度大。為了保證反應(yīng)器的整體質(zhì)量，中石油七建在施工前依據(jù)NB/T47014標(biāo)準(zhǔn)，編制了預(yù)焊接工藝規(guī)程“pWPS”；還通過工藝評定，取得了合格的“PQR”來驗證工藝的可靠性；然后編制了焊接工藝規(guī)程“WPS”，按照WPS規(guī)定的工藝參數(shù)進(jìn)行施工，使該項目最終獲得了滿意的焊接質(zhì)量。

1 母材性能分析

1Cr-0.5Mo（H）鋼板的化學(xué)成分除應(yīng)符合SA387的規(guī)定外，還要求符合表1的規(guī)定；鋼板交貨狀態(tài)為正火+回火，初始回火溫度不低于704℃，鋼板的力學(xué)和工藝性能應(yīng)滿足表2的規(guī)定。

從表 1可以看出，1Cr-0.5Mo（H）鋼板的 S、P元素含量極低，控制S、P元素的含量主要可提高材料的抗氫腐蝕能力。從表2可以看出，室溫抗拉強度（Rm）要求在380～550MPa區(qū)間，比普通的15CrMoR還要低很多。焊接過程中由于氫的擴散還會產(chǎn)生不同的裂紋。綜上所述，該項目在施工前，必須要認(rèn)真做好焊前準(zhǔn)備、焊接中過程控制、焊后消氫及熱處理，制定合理的焊接工藝措施。

表1 1Cr-0.5Mo（H）鋼板的化學(xué)成分 %（wt）

表2 1Cr-0.5Mo（H）鋼板的力學(xué)和工藝性能

2 焊接工藝評定

2.1 1Cr-0.5Mo（H）鋼特性分析

2.1.1 淬硬性

鋼的焊接特性一般取決于鋼材的淬硬性，而淬硬性是由碳及合金元素成分在鋼中的含量所決定。

2.1.2 碳化物含量

1Cr-0.5Mo（H）鋼的焊接應(yīng)力裂紋主要取決于鋼中碳化物形成元素的特性和含量，這種裂紋易產(chǎn)生在焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，一般在500～700℃范圍內(nèi)形成。當(dāng)采用焊前預(yù)熱、焊后熱處理工藝時，可避免在敏感溫度區(qū)的停留時間過長，從而防止裂紋的產(chǎn)生。

2.1.3 S、P含量

作為有害元素，S、P元素含量的控制，在提高鋼的脆性同時降低了鋼材的腐蝕性能，所以控制S、P元素的含量是保證鋼材性能的基礎(chǔ)。

2.2 焊接工藝評定依據(jù)

擬編制預(yù)焊接工藝規(guī)程pWPS是優(yōu)化確定最終焊接工藝參數(shù)的基礎(chǔ)，其中參數(shù)還要考慮必要的工況條件及焊接材料的匹配等重要因素，在評定時還要充分考慮反應(yīng)器各焊接位置、板材的厚度等眾多因素。依據(jù)初步擬定的pWPS進(jìn)行工藝評定試驗。

2.3 工藝評定檢驗結(jié)論

依據(jù)NB/T47016，同時結(jié)合該反應(yīng)器的施工圖紙及專項技術(shù)條件，對試驗后的工藝評定試件進(jìn)行檢測。滿足相關(guān)技術(shù)要求形成最終的焊接工藝評定報告（PQR）。

3 焊前準(zhǔn)備及裝配

3.1 焊接材料選用

焊縫的組織和性能在較大程度上取決于焊接材料，因此一般情況下焊材選用時，都要求焊材與母材匹配。為了防止焊縫產(chǎn)生淬硬組織，選取焊接材料時要求焊材的含碳量最好稍低于母材，大約在0.03%左右。中石油七建選用的埋弧焊焊絲牌號為TSW-E22R，規(guī)格為Φ4.0mm，焊劑為TF-250R。焊條電弧焊選用的焊條牌號為R307C，規(guī)格為Φ3.2/4.0mm。選用的焊材熔敷金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能基本與鋼板的相匹配。

3.2 焊條烘干

焊條在發(fā)放前應(yīng)按圖1的烘干曲線進(jìn)行烘焙。

圖1 焊條烘焙溫度曲線

3.3 坡口制備與裝配

坡口加工采用機械法，不允許火焰切割。SAW與SMAW的坡口形式見圖2。坡口加工后表面要按照NB/T47013-2015進(jìn)行100%MT檢測Ⅰ級合格。

圖2 坡口形式圖

4 焊接工藝

4.1 焊接方法

設(shè)備直徑Φ3000mm，為提高工作效率，需要考慮兩種焊接方法：埋弧自動焊（SAW）和焊條電弧焊（SMAW）。

4.2 焊前預(yù)熱

焊接前，工件的預(yù)熱最好采用履帶式電加熱法，預(yù)熱范圍以焊口中心為基準(zhǔn)，兩側(cè)各不小于3倍的鋼板壁厚，以不小于150mm為宜，預(yù)熱溫度為150～200℃。

4.3 焊接過程

在焊接過程中，道間要保持焊前的預(yù)熱溫度，每條焊縫最好一次焊完。如果中途要停止焊接，再進(jìn)行焊接時，還要按預(yù)熱方法重新進(jìn)行預(yù)熱。道間溫度要仔細(xì)檢查，主要檢驗焊道有無缺陷，以防止裂紋產(chǎn)生。

4.4 焊接工藝參數(shù)

根據(jù)PQR編制WPS，具體的焊接工藝參數(shù)見表3和表4。

表3 埋弧焊SAW焊接工藝參數(shù)表

表4 焊條電弧焊SMAW焊接工藝參數(shù)表

5 焊后消氫及熱處理

每道焊縫焊完后，應(yīng)立即進(jìn)行消氫熱處理。為方便實施消氫，最好采用氧-乙炔火焰加熱；當(dāng)加熱溫度達(dá)不到要求時，應(yīng)立即布置電加熱片；消氫溫度和時間應(yīng)分別控制在350～400℃和120min；之后保溫緩冷。Cr-0.5Mo（H）反應(yīng)器的熱處理工藝具體見圖3。

圖3 異構(gòu)化反應(yīng)器1Cr-0.5Mo（H）熱處理曲線及熱電偶布置圖

6 焊后檢驗

焊接后的檢驗主要依據(jù)圖紙及技術(shù)條件要求，從外觀和無損檢測及理化試驗三方面逐一檢測，確保產(chǎn)品最終焊接質(zhì)量達(dá)到客戶要求。

7 結(jié)束語

1Cr-0.5Mo（H）鋼的焊接難度較大，對焊前預(yù)熱、焊接過程控制、焊后消氫及熱處理等都有不同的限制，還要求施焊焊工具備一定的操作技能水平，遵守焊接工藝指導(dǎo)書中的工藝參數(shù)。只有這樣，才能保證最終成形焊縫的質(zhì)量滿足設(shè)計施工圖紙技術(shù)要求。

濰坊聚酯原料加工聯(lián)合裝置異構(gòu)化反應(yīng)器制造完成照片見圖4。

圖4 濰坊聚酯原料加工聯(lián)合裝置異構(gòu)化反應(yīng)器制造完成