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2.25cr-1mo 钢埋弧焊高韧度焊接新技术 1、常见2.25cr-1mo钢的焊接质量问题 2.25cr-1mo 钢加氢反应器焊接生产过程中，常发生特殊焊接裂纹和回火脆化，有时发生焊接接头冲击 韧度低于标准要求。 1.1 纵缝焊接裂纹和工艺衬板焊接裂纹 板焊结构的加氢反应器纵缝内壁需焊接工艺衬板，有时发现焊接微裂纹，分析认为是由于焊接预热温 度过高和附加热应力过大引起的，采用超低氢、高韧度焊条不预热焊接衬板，可以有效防止焊接裂纹。 焊接纵焊缝时，有时发现焊接热影响区纵向裂纹，筒体复校园时，发生焊接热影响区纵向脆裂。与焊 接预热温度、层间温度、后热去氢温度、后续热加工工艺有关，应该尽可能降低焊接预热温度，降低附加 热应力，设法避开热加工脆化，焊后及时采用后热处理。 1.2 容器大型接管焊接裂纹 一台大型 2.25cr-1mo 钢加氢反应器，直径 4000，壁厚 200 毫米。容器筒体上焊有 8 个大口径接管， 其中最大的接管直径 800 毫米，壁厚 100 毫米。焊接预热温度 230-270，层间温度 300350，焊后立 即进行 300-350保温 4 小时去氢热处理，然后缓冷。当冷却到室温后，突然听到一声巨响，该接管的焊 缝和母材爆裂，裂纹呈八字形，裂纹总长度达到 800 毫米，裂纹穿透壁厚，深度 200 毫米。检查其他已经 焊接结束的大型接管，也发现有不同程度的焊接裂纹。分析认为焊接热规范温度过高，焊接工艺过于保守， 导致焊接热应力裂纹。降低焊接预热温度、改进焊接工艺后，返修和重新焊接的大型接管未再发现焊接裂 纹。 1.3 容器环焊缝焊接裂纹 大型容器环焊缝最适于窄间隙埋弧自动焊，焊接应力低，焊接质量好，一般不容发生焊接裂纹。焊接 生产实践中，常发现以下两种特殊焊接裂纹： 1）焊材低匹配焊接裂纹，主要发生在焊接热影响区，接近外表面，一般发生在外表面，或者外表面 下 20-50 毫米处，选用高匹配、超低氢焊材，可以避免焊接热影响区裂纹。 2）容器表面横向裂纹，主要原因是表面焊缝晶粒粗大、自回火脆化、附加热应力过大引起的。建议 盖面焊缝采用窄道多道焊和退火焊道，焊接结束之后，尽可能及时后热，尽可能缓冷。 1.4 容器内壁支撑环和凸台焊接裂纹 一般大型加氢反应器内壁的支撑环是锻造出来的，没有焊接的麻烦。有时锻造突台有困难，或者因为 采用板焊结构，就必须焊接支撑环和凸台。由于厚壁容器刚性比较大，采用局部预热的附加热应力比较大， 焊接时间比较长，容易发生自回火脆化，所以，焊接支撑环和凸台时容易发生焊接热影响区焊接裂纹。建 议优选焊接材料，合理选择焊接预热温度、层间温度、后热温度，尽可能降低焊接热应力，防止焊接热应 变脆化、回火脆化和焊接裂纹。 1.5 容器支座焊接裂纹 1.6 支座用于安装和支撑加氢反应器，制造厂内需要进行支座与加氢反应器封头裙边的焊接，制造厂焊接 生产过程中常发现焊接裂纹，而且返修非常麻烦。封头采用强度比较高的合金钢（如 2.25cr-1mo、 2.25cr-1mo-0.25v 钢），而且封头的体积、壁厚、重量、刚性都比较大，局部加热不能自由伸缩，以至于产 生很大的热应力和焊接变形，容易发生焊接裂纹。而支座采用普通低合金钢（如 16mnr），强度、厚度、 刚性都比较小，加热时可以自由伸缩。两者热膨胀不一致，导致比较大的附加热应力，容易发生焊接裂纹。 1.7 容器上焊接的附件容易发生焊接热影响区裂纹 1.8 封头拼接焊缝的强度低于标准要求 封头的拼接焊缝在热压成型过程中经受热冲压高温热处理，经常发生焊接接头的强度显著降低，达不 到设计要求。 1.9 焊接接头容易发生回火脆化，冲击韧度显著降低 第 69 页 焊接预热温度过高，容易发生回火脆化，导致焊缝和焊接热影响区的冲击韧度显著降低。 1.10 板焊结构的纵焊缝热影响区容易发生回火脆化，导致附校园时开裂。 2、2.25cr-1mo钢低温预热焊接 2.1 过高的焊接预热温度会导致焊缝回火脆化，大大降低焊接接头的冲击韧度。 2.2 大型焊接结构常采用局部焊接预热，局部焊接预热的温度越高，附加热应力越大， 增加焊接裂纹敏感 性。 2.3 后热可以大大降低焊接裂纹敏感性，对防止焊接冷裂纹的效果比焊接预热好。 2.4 合理利用焊接过程 自预热、自热处理作用，可以降低焊接应力，降低扩散氢，降低焊接裂纹敏 感性，降低焊接接头回火脆化顷向，提高焊接接头的冲击韧度。 2.5 高温预热焊接的综上所述，降低局部焊接预热温度，采用超低氢、高韧性焊接材料，改进焊接工艺， 采用正确地紧急后热措施，防止回火脆化，可以有效地避免上述焊接裂纹。 2.6 由于钢材、焊材和焊接技术的进步，目前实际焊接 2.25cr-1mo、2.25cr-1mo-0.25v 钢加氢反应器的焊 接预热温度显著降低，由原来的 300-350降低到 150-200，焊接裂纹显著降低，回火脆化倾向大大降低， 焊接接头的低温冲击韧度显著提高。 3、大型容器焊接预热温度的评定 上世纪 90 年代初，日本神钢公司采用模拟产品的大刚度自拘束焊接试样，来评定 2.25cr-1mo 钢 多层多道埋弧自动焊的焊接预热温度，发现与斜 y 坡口焊接裂纹试验法评定的焊接预热温度有很大差异， 斜 y 坡口焊接裂纹试验法评定的焊接预热温度为 300，而采用模拟产品的大刚度自拘束焊接法评定 的焊接预热温度只有 150。 随着冶炼技术的发展，钢材和焊材的质量显著提高，焊接预热温度、焊接裂纹敏感性大幅度下降，焊 接接头冲击韧度大幅度改善。为此本文通过改进焊接结构、焊接材料、焊接工艺、热处理工艺等方法，寻 求降低焊接预热温度，改善焊接接头冲击韧度，提高服役过程中的安全性和可靠性。 3.1 焊接预热温度评定方法 采用图 1 焊接试样进行 2.25cr-1mo 钢的焊接工艺评定，焊接试板厚度 100mm，宽度 600mm 长度 1000mm。采用窄间隙埋弧焊焊接坡口，焊接坡口深度 50mm。 24mm 50mm r10 600mm 图1 焊接试验尺寸图 100mm 3.2 降低埋弧自动焊的焊接预热温度试验 试验用钢材、焊材和焊缝的化学成分见表 3-1 和表 3-2。 表 3-1 2.25cr-1mo 钢化学成分 第 70 页 焊剂状态 预热、层间温度 20 50 100 150 焊剂烘干 250 1 小时 未发现裂纹 未发现裂纹 未发现裂纹 未发现裂纹 焊剂烘干后放置 24 小时 发现微裂纹 未发现裂纹 未发现裂纹 未发现裂纹 电源极性 焊丝直径 焊接电流 焊接电压 焊接速度 线能量 mm a v cpm 2 kj/cm 交流 4.0 55 31 50 10-14 c si mn p s cr mo ni cu sn as sb x j 焊丝 0.11 0.09 0.79 0.006 0.002 2.29 1.04 0.16 0.11 0.003 0.003 0.002 8.1 92 焊缝 0.13 0.21 0.90 0.006 0.005 2.22 1.04 0.15 0.09 0.003 0.003 0.002 8.1 91 环境温度 湿度 预热、层间温度 焊后去氢 /h 20 62 20，50，100，150 200 4 表 3-2 焊材化学成分 3.3 试验用焊接参数和焊接条件见表 3-3、表 3-4 和表 3-5。 表 3-3 表 3-4 焊接电参数 焊接条件 3.4 焊接试验结果见表 3-6 和表 3-7 表 3-5 焊后热处理规范 表 3-6 焊接裂纹检验结果（磁粉、着色、超声波、射线、断面金相检验） 表 3-7 机械性能 由此可见，通过改进焊接预热温度评定方法，可大幅度降低 2.25cr-1mo 钢大型加氢反应器产品的 焊接预热温度，最低焊接预热温度由原来的 250-300可降低到 150-200，大大低于斜 y 坡口焊接裂 纹试验法的止裂温度。 4、随着钢材冶炼水平的提高，大型容器焊接预热温度明显降低 4.1 焊材公司推荐焊接预热温度见表 4-1、表 4-2 表 4-1 r 公司推荐 2.25cr-1mo、2.25cr-1mo-0.25v 钢的焊接预热温度 第 71 页 c si mn p s cr mo ni cu 母材 0.13 0.20 0.50 0.009 0.008 2.28 1.00 0.15 0.007 升温速度 热处理温度与时间 降温速度 /h /h /h 100 690 8，690 28 静止空气中冷却 屈服强度 抗拉强度 延伸率 断面收缩率 焊接金属 562mpa 674mpa 25 70 层数 位置 695 c/8h akv (iso-v) j 695 c/26h akv (iso-v) j -18 c -30 c -18 c -30 c 1 焊缝表面 （saw） 76 90 69 78 40 51 13 35 110 113 118 114 66 128 107 100 2 45 46 61 51 36 38 56 43 72 57 85 71 17 77 64 53 3 33 25 38 32 28 57 37 41 74 70 99 81 87 75 105 89 4 45 69 65 60 51 24 63 46 53 109 108 90 62 42 65 56 公司 方法 斜 y 止裂 最低预热 层间温度 最高硬度 最高硬度 最高硬度 最高硬度 室温 预热 150 预热 200 230 a smaw 150 160 250 b smaw 150 150 200 401 388 b saw 150 150 200 385 379 c smaw 175 180-230 180-230 422 401 383 376 钢材 预热 层温 pwhtmin pwhtmax h h h h 2.25cr-1mo 200 300 690 7 690 27 2.25cr-1mo-0.25v 180-230 180-230 705 8 705 26 钢材 预热 层温 pwhtmin pwhtmax h h h h 2.25cr-1mo 200-250 250-300 690 8 690 28 2.25cr-1mo-0.25v 200-250 250-300 705 10 705 30 表 4-2 d 公司推荐 2.25cr-1mo、2.25cr-1mo-0.25v 钢的焊接预热温度 4.2 2.25cr-1mo-0.25v 钢斜 y 坡口焊接裂纹试验结果见表 4-3 表 4-3 四家生产公司采用斜 y 坡口焊接裂纹试验测定的止裂温度 4.3 国内加氢设备焊接工艺评定的最低焊接预热温度 表 4-4 2.25cr-1mo-0.25v 止裂温度和最高硬度 4.4 焊接预热温度对焊接接头冲击韧度的影响 早在上世纪 90 年代初，随着 2.25cr-1mo、2.25cr-1mo-0.25v、3cr-1mo-0.25v 钢冶金技术的进步，发 现 2.25cr-1mo 的焊接预热温度可以适当降低，而且，降低焊接预热温度可以提高焊接接头的冲击韧度。 5、高韧度焊接新工艺试验及生产应用 5.1 s 公司 2.25cr1-mov 钢焊接试验 表 5-1 smawsaw 焊接工艺评定试验的焊缝冲击韧度（2.25cr1-mov 钢，用蒂森焊材） 第 72 页 a 公司 b 公司 c 公司 r 公司 止裂温度 150 150 175 225 5 焊缝根部） 80 73 32 62 25 46 34 35 113 107 116 112 68 63 58 63 6 75 79 75 76 61 46 20 42 130 131 125 129 112 112 90 105 7 65 74 86 75 36 38 15 30 135 125 134 131 81 71 107 86 8 129 56 63 83 25 45 30 33 120 111 131 121 113 133 127 124 24 试样平 均 j 55 38 98 84.5 编号 pwht 冲击韧度 j -30 c 实测值 平均 2d-1c 695 c/26h + 695 c/8h 74 133 63 90 2d-1c 695 c/26h + 705 c/8h 33 45 17 32 编号 位置 冲击韧度 j -18 c -30 c 实测值 平均 实测值 平均 1c-1c 1g 183 60 160 134 20 34 30 28 层数 每层焊道数 电流 电压 速度 dc ac dc ac dc ac dc ac dc ac 表 5-2 saw 焊接工艺评定的焊缝冲击韧度 (2.25cr1-mov 钢，用日本焊材，pwht：695 c/26h） 表 5-3 热处理规范对 saw 焊接工艺评定的冲击韧度的影响(2.25cr1-mov 钢，用日本焊材，pwht： 695 c/26h695 c/8h） 5.2 n 公司 21/4cr-1mo 钢直流埋弧焊的冲击韧度试验 焊丝：union i crmo2 4 mm 焊剂：uv420ttr-w 焊剂烘干温度：350 焊接电源： dc1000 ac1000 干伸长度：30 mm 焊接工艺参数见表 4-4 焊接预热温度：200 层间温度：250 后热处理：250 3 焊后热处理：690，保温 8 小时 sc：步冷试验 板厚：25mm 50mm 100mm 层厚：直流2.5 mm，交流3.6 mm 交流电流小，电压高，层数少，道数少，速度快，一层三道，层厚 3.6 mm 直流电流大，电压低，层数多，道数多，速度慢，一层两道，层厚 2.5mm 焊材冲击韧度进厂检验结果见表 5-4/表 5-5. 表 5-4 n 公司焊材试验用焊接工艺参数 第 73 页 编号 屈服 抗拉 延伸 收缩 回火 电源 温度 冲击 (j) 平均 mpa mpa h 1 2 3 4 5 (j) 要求 310-620 515-690 18 45 690 8 -40 54（47） 直流电源 07.27 465 555 27 76 690 8 dc -40 24 34 29 29 08.04 690 8 dc -40 26 20 18 21 08.14 690 8 dc -40 21 20 21 21 08.14 690 8 dc -40 16 19 40 25 08.15 690 8 dc -40 48 36 28 37 08.18 690 8 dc -40 16 16 15 25 16 18 交流电源 08.14 690 8 ac -40 14 18 33 22 08.15 690 8 ac -40 20 57 34 37 08.18 690 8 ac -40 178 146 140 26 46 107 打底 1 1 1 1 500 500 28 30 60 55 填充 焊接 2 2 1 2 520 500 29 30 60 55 3 3 1 2 520 500 29 31 42 55 4 4 1 2 520 500 29 31 42 55 5 5 2 3 520 500 29 31 42 55 6 6 2 2 520 500 29 31 42 55 7 7 2 3 520 500 29 31 42 55 8 2 520 29 42 9 2 520 29 42 10 3 520 29 45 总层数 10 7 17 15 表 5-5 n 公司焊材验收试验数据 试验结果： 七组直流焊接试样的冲击韧度未能达到技术要求 三组交流焊接试样冲击韧度中有两组冲击韧度不合格，仅有一组冲击韧度达到技术要求。 经过改进焊接工艺后，焊接接头的30冲击韧度大于 150j，40冲击韧度大于 100j。另见表 5-14。 5.3 e 公司焊接工艺评定和模拟环焊接工艺评定试验 5.3.1 焊材供货商提供的焊接技术数据见表 5-6、表 5-7、表 5-8 第 74 页 1 2 3 4,1 4,2 5,1 5,2 6 min sc min sc min sc min sc min sc min sc min sc min sc -60 20.7 11.3 15 10.3 10.0 9.3 14.3 14.0 32.3 10.7 15.3 9.3 27.0 15.0 23.3 6.0 -50 47.3 28.7 45.0 15.7 12.7 13.3 53.3 24.3 69.7 26.7 28.0 18.0 32.0 27.3 16.7 30.3 -40 28.3 40.0 25.0 25.3 38.3 19.3 80.0 45.0 102.3 39.7 29.0 24.7 54.3 20.3 62.0 23.3 -30 110.3 64.0 85.7 72.0 30.0 33.3 115.0 52.7 94.3 37.3 63.7 40.0 61.3 30.0 64.7 66.7 -18 105.3 78.7 132.0 84.7 47.0 34.7 133.7 78.0 108.7 82.0 108.3 78.0 94.7 46.0 120.0 71.0 -10 97.7 100.7 144.0 103.3 74.0 49.7 128.0 85.0 142.7 87.7 114.7 45.3 98.7 52.0 115.0 112.0 10 142.0 123.0 142.0 118.0 119.7 77.3 130.7 99.7 133.3 121.3 120.3 45.3 125.7 84.0 153.0 72.7 20 148.0 133.0 118.9 167.7 151.3 150.7 147.3 134.0 160.0 150.0 135.0 91.0 154.0 68.3 131.7 118.3 热处理(xh) 试验温度() 冲击 (j) 平均 侧胀 (mm) 韧性面积 (%) 690 6 30 186，274，270 243 2.3，2.9，3.0 90，100，100 30 198，216，208 207 2.1，2.4，2.3 80，90，90 30 198，254，206 219 2.4，2.4，2.2 100，90，90 688 28 30 170，148，174 164 2.2，1.8，1.8 80，70，70 30 156，131，178 155 1.9，1.6，2.1 70，60，70 30 185，153，198 179 2.2，1.9，2.1 80，70，80 pwht 试验温度 熔敷屈服 熔敷抗拉 接头屈服 接头抗拉 熔敷延伸 熔敷断面收缩 h mpa mpa mpa mpa 690 6 20 530 635 538 24 75 415 442 516 261 20 69 688 28 20 487 595 522 26 75 415 417 487 252 21 70 部位 母材 haz 焊缝 haz 母材 蒂森试样 t/4 163,163 184,184 184,184 184,184, 163,160 蒂森试样 t/2 160,160 197,197 197,187,197,207 197,189 157,157 表 5-6 表 5-7 表 5-8 焊接接头机械性能 焊缝冲击韧度试验 焊接接头硬度测定 5.3.2 e 公司评定焊接材料的焊缝冲击韧度达不到焊接技术要求（合同规定-40，54j）。 5.3.3 焊材供货商专家到现场复试，试验结果也达不到合同要求，表 5-9 表 4-9 焊材供货商复试试验结果 第 75 页 部位 缺口 akv(j) 侧账 塑性面积 pwht 平均 测量值 t/4 w 232 215/235/241 1.94/2.08/2.34 92/100/100 min.pwht haz 214 229/206/207 2.32/2.18/2.18 100/100/100 t/2 w 222 212/222/232 2.00/2.20/2.28 78/81/100 haz 220 226/194/239 2.20/2.00/2.28 83/79/88 3t/4 w 216 223/206/220 2.28/2.20/2.20 86/82/83 haz 229 225/240/221 2.14/2.12/2.16 94/92/91 t/4 w 209 197/216/214 2.28/2.32/2.22 79/84/83 max.pwht haz 244 196/273/264 2.04/2.24/2.16 71/100/100 t/2 w 224 204/206/263 2.10/2.20/2.40 100/100/100 haz 182 179/184/184 2.20/2.06/2.04 76/74/72 温度) akv(j) (min.pwht) akv(j) (min.pwht+s.c) 20 284 278 298 243 264 238 0 268 298 286 224 255 240 18 222 238 262 195 185 232 30 222 212 232 208 202 190 40 216 225 200 182 188 184 50 207 209 146 185 188 184 60 176 26 36 110 57 16 70 72 32 16 26 13 20 计算脆性转变温度 vtr541（） vtr542（） vtr54（） vtr541+3vtr54（） 转变温度 -68 -67 1 -65 焊材 直径 预热.() 电流(a) 电压(v) 速度(mm/min) 层温() thyssen i crmo2v 4 150200 480520 500550 2830 3032 390420 150250 5.3.4 e 公司采用焊接新技术焊接模拟环，低温冲击韧度非常好，焊接试验结果见 5-10 表 5-13 表 5-10 saw 焊接工艺参数 表 5-11 焊缝系列冲击韧度 （saw） 表 5-12 模拟环焊接接头的冲击韧度（30 saw） 第 76 页 温度.() 部位 抗拉(mpa) 屈服(mpa) 延伸（） 断缩（） pwht（h） 室温 t/4 670 525 24 77 705 8 660 535 21 73 t/2 680 565 22 81 665 550