Q345R（R-HIC）抗氫鋼的焊接工藝研究

趙衛(wèi)君，徐祥久

1.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司 黑龍江哈爾濱 150046

2.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 黑龍江哈爾濱 150046

1 序言

某煤焦油加氫項(xiàng)目高壓分離器設(shè)備，工作介質(zhì)含有H2S和水，屬于濕硫化氫腐蝕環(huán)境，主體材料選用Q345R（R-HIC）抗氫鋼。Q345R（R-HIC）抗氫鋼是在Q345R鋼基礎(chǔ)上開發(fā)的具有抗氫誘導(dǎo)開裂（HIC）和抗硫化物應(yīng)力開裂能力（SSC）的鋼[1]。此鋼在滿足Q345R鋼力學(xué)性能要求的基礎(chǔ)上，需按GB/T 8650—2015進(jìn)行HIC試驗(yàn)，即在含飽和H2S的氯化鈉醋酸溶液中暴露規(guī)定的時(shí)間后，CLR（開裂長(zhǎng)度比）≤5%，CTR（開裂厚度比）≤1.5%，CSR（開裂敏感性比）≤0.5%；按GB/T 4157—2017中A法進(jìn)行SSC試驗(yàn)，門檻應(yīng)力≥247MPa。

Q345R（R-HIC）抗氫鋼焊接接頭的力學(xué)性能、HIC及SSC試驗(yàn)均需滿足母材要求。通過制定Q345R（R-HIC）抗氫鋼焊接工藝進(jìn)行焊接試驗(yàn)，對(duì)焊接接頭進(jìn)行性能試驗(yàn)，驗(yàn)證焊接工藝的合理性，從而指導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)。

2 試驗(yàn)材料及方法

（1）試驗(yàn)材料 選用Q345R（R-HIC）鋼板，規(guī)格為800mm×200mm×92mm。其化學(xué)成分、力學(xué)性能及腐蝕試驗(yàn)結(jié)果分別見表1、表2。

（2）試驗(yàn)方法 試驗(yàn)采取板對(duì)接形式，其焊接坡口如圖1所示，焊接方法為焊條電弧焊（SMAW）+埋弧焊（SAW）的組合工藝，V形坡口側(cè)采用焊條電弧焊焊接，U形坡口側(cè)采用埋弧焊焊接。

圖1 焊接坡口

表1 Q345R（R-HIC）的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 Q345R（R-HIC）力學(xué)性能及腐蝕試驗(yàn)

3 焊接工藝

（1）焊接性分析 Q345R（R-HIC）抗氫鋼通過在化學(xué)成分上限制Mn含量，嚴(yán)格控制S、P含量來滿足抗氫要求。根據(jù)國際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量公式，通過表1化學(xué)成分計(jì)算Q345R（R-HIC）抗氫鋼的碳當(dāng)量為0.41%。由此可知，該鋼的淬硬傾向不大，焊接性良好，但由于鋼板厚度較大，因此需采取焊前預(yù)熱及焊后熱處理措施。

（2）焊接材料 目前，抗氫鋼的焊接材料尚沒有國家標(biāo)準(zhǔn)，焊接材料廠家一般按鋼材的要求研制對(duì)應(yīng)的焊材，以滿足鋼材的化學(xué)成分和力學(xué)性能要求[2]。本試驗(yàn)選用的焊接材料與焊接參數(shù)見表3。

表3 焊接材料與焊接參數(shù)

（3）焊接工藝 按表3焊接參數(shù)進(jìn)行焊接試驗(yàn)。焊前預(yù)熱150℃以上，層間溫度控制在150～300℃，焊后立即進(jìn)行（200～250）℃×2h熱處理。按NB/T 47013—2015對(duì)試板進(jìn)行100%MT+100%UT檢測(cè)合格，再進(jìn)行（615±15）℃×10h的去應(yīng)力退火。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按標(biāo)準(zhǔn)要求制取力學(xué)性能試樣及HIC、SSC試樣，進(jìn)行力學(xué)性能及抗腐蝕性能試驗(yàn)。

（1）室溫拉伸試驗(yàn) 對(duì)焊接接頭進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試樣尺寸滿足GB/T 2651—2008的要求。結(jié)果如圖2所示，抗拉強(qiáng)度大于母材下限490MPa，屈服強(qiáng)度大于母材下限305MPa，但焊條電弧焊的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度比埋弧焊稍低。

圖2 焊接接頭抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度

（2）彎曲試驗(yàn) 按照NB/T 47014—2011制取側(cè)彎試樣，彎曲條件為：d=4a、180°，彎曲性能全部合格，表明焊接接頭具有良好的塑韌性。

（3）夏比沖擊試驗(yàn) 按照NB/T 47014—2011制取焊接接頭沖擊試樣，進(jìn)行－30℃沖擊試驗(yàn)，試樣尺寸為10mm×10mm×55mm，沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，焊縫的沖擊吸收能量比母材低，但均滿足＞34J的要求。

圖3 焊接接頭沖擊吸收能量

（4）硬度試驗(yàn) 對(duì)焊接接頭進(jìn)行HV10硬度檢測(cè)，焊縫、熱影響區(qū)及母材硬度如圖4所示，埋弧焊焊縫及熱影響區(qū)硬度值接近母材要求上限210HV10。

圖4 焊接接頭硬度值

（5）HIC試驗(yàn) 按GB/T 8650—2015標(biāo)準(zhǔn)制取尺寸為20mm×20mm×100mm的試樣，在飽和H2S的氯化鈉醋酸溶液中暴露96h，HIC試驗(yàn)表面形貌如圖5所示。根據(jù)圖5試樣表面形貌，通過標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行收集計(jì)算，結(jié)果為CLR≤5%，CTR≤1.5%，CSR≤0.5%，結(jié)果合格。

圖5 HIC試驗(yàn)試樣表面形貌

（6）SSC試驗(yàn) 按照GB/T 4157—2017中的A法進(jìn)行SSC試驗(yàn)，試樣在飽和H2S中浸蝕720h，加載應(yīng)力247MPa，試樣表面形貌如圖6所示，用10倍放大鏡觀察試樣斷面，均沒有裂紋。

圖6 SSC試驗(yàn)試樣表面形貌

5 結(jié)束語

1）對(duì)于Q345R（R-HIC）抗氫鋼，選擇合適焊接材料、焊接參數(shù)等，獲得了力學(xué)性能、HIC和SSC試驗(yàn)均合格的焊接接頭，證明此焊接工藝合理。

2）此焊條電弧焊+埋弧焊的組合焊接工藝已成功用于產(chǎn)品生產(chǎn)，焊接質(zhì)量滿足要求。