摘要：15CrMo鋼是珠光體組織耐熱鋼。根據現場焊接特別及焊接質量要求，對15CrMo厚壁高壓管的焊接工藝進行了研究，通過選用不同的焊接材料和焊接工藝進行焊接工藝評定試驗，確定方案Ⅰ為最佳選擇焊接工藝。
關鍵詞：珠光體耐熱鋼 厚壁高壓管 焊接工藝
我廠氮合成塔技術改造中，105D出口至123C的管道上有多道高壓焊口，材質為15CrMo鋼，規格為φ14＂×3/4＂，管內介質為氫、氨氮混合氣體，其工作壓力高達150Kg，工作溫度高達500℃。為了保證焊接質量，選用了不同的焊接材料和焊接工藝進行了焊接工藝評定試驗，為現場施焊提供了可靠的焊接工藝數據。
1 15CrMo鋼的焊接性
15CrMo鋼系珠光體組織耐熱鋼，在高溫下具有較高的熱強性（δb≥440MPa）和抗氧化性，並具有一定的抗氫腐蝕能力。由於鋼中含有較高含量的Cr、C和其它合金元素，鋼材的淬硬傾向較明顯，焊接性差。15CrMo鋼的化學成分如下：
C：0.16%，Si：0.27%，Mn：0.55%，Cr：0.95%，Mo：0.50%，S≤0.40%，P≤0.035%，其碳當量（按國際焊接協會11W）推薦的公式：
Ceq＝C＋Mn/6＋（Cr＋Mo＋V）/5＋（Ni＋Cu）/15＝0.545%
根據經驗：當Ceq＞0.4%時，焊接接頭淬硬傾向大，可能出現冷裂紋，而15CrMo鋼的Ceq值達0.545%，故15CrMo鋼的淬硬傾向大，焊接性差，因此15CrMo鋼焊接時，焊接材料的選擇和嚴格的工藝措施，對於防止裂紋，保證使用性能至關重要。
2 焊接工藝
2.1 焊接材料
針對15CrMo鋼的焊接性及現場高壓管道的工作特點，根據以往的經驗，參照國外提供的焊接工藝卡，我們選擇了兩種方案進行焊接試驗。
方案Ⅰ：焊接預熱，採用ER80S-B2L焊絲，T1G焊打底，E8018-B2焊條，焊條電弧焊蓋面，焊後進行局部熱處理。
方案Ⅱ：採用ER80S-B2L焊絲，T1G焊打底，E309Mo-16焊條，焊條填充電弧焊蓋面，焊后不進行熱處理。焊絲和焊條的化學成分及力學性能見表1。
表1 焊接材料的化學成分和力學性能
型號 C Mn Si Cr Ni Mo S P δb/Mpa δ,%
ER80S-B2L≤0.05 0.70.41.2 ＜0.20.5 ≤0.025 ≤0.025 ≤500 25
E8018-B2 0.070.7 0.3 1.1 0.5 ≤0.04 ≤0.03 550 19
E309Mo-16≤0.12 0.5～2.5 0.9 22.0～25.0 12.0～14.0 2.0～3.0≤0.025≤0.035 550 25
2.2 焊前準備
試件採用15CrMo鋼管,規格為φ325×25，坡口型式及尺寸見圖1。
焊前用角向磨光機將坡口內外及坡口邊緣50mm範圍內打磨至露出金屬光澤，然後用丙酮清洗乾淨。
試件為水平固定位置，對口間隙為4mm，採用手工鎢極氬弧焊沿園周均勻點焊六處，每處點固長度應不小於20mm。焊條按表2的規範進行烘烤。
表2 焊條烘烤規範
焊條型號 烘烤溫度 保溫時間
E8018-B2 300 ℃ 2h
E309Mo-16 150 ℃ 1.5h
2.3 焊接工藝參數
按方案Ⅰ焊前需進行預熱，根據Tto-Bessyo等人提出的計算預熱溫度公式：
To=350√[C]-0.25（℃） 式中，To——預熱溫度，℃。
[C]=[C]x+[C]p [C]p=0.005S[C]x
[C]x=C+（Mn+Cr）/9+Ni/18+7Mo/90 式中，
[C]x——成分碳當量；
[C]p——尺寸碳當量； S——試件厚度（本文中S=25mm）;
[C]x=C+（Mn+Cr）/9+7/90Mo=0.361
[C]p=0.045 則To=138℃
因此預熱溫度選為150℃。採用氧-乙炔焰對試件進行加溫，先用測溫筆粗略判斷試件表面的的溫度（以筆跡顏色變化快慢進行估計），最後用半導體點溫計測定，測量點至少應選擇三點，以保證試件整體均達到所要求的預熱溫度。
焊接時，第一層採用手工鎢極氬弧焊打底，為避免仰焊處焊縫背面產生凹陷，送絲時採用內填絲法，即焊絲通過對口間隙從管內送入。其餘各層採用焊條電弧焊，共焊6層，每個焊層一條焊道。方案Ⅰ和方案Ⅱ的焊接工藝參數見表3、4。按方案Ⅰ焊
表3 方案Ⅰ的焊接工藝參數
焊道名稱 焊接方法 焊接材料 焊材規格/mm 焊接電流/A 電弧電壓/V 預熱及層間溫度 熱處理規範
打底層 鎢板氬弧焊 ER80S-B2L φ2.4 110 12
填充層 焊條電弧焊 E8018-B2 φ3.2 5 85～90 23～25150℃ 715。×75min
蓋面層 焊條電弧焊 E8018-B2 φ3.2 5 85～90 23～25
表4 方案Ⅱ的焊接工藝參數
焊道名稱 焊接方法 焊接材料 焊材規格/mm 焊接電流/A 電弧電壓/V 預熱及層間溫度 熱處理規範
打底層 鎢板氬弧焊 ER80S-B2L φ2.4 110 12
填充層 焊條電弧焊 E309Mo-16 φ3.2 90～95 22～24 / /
蓋面層 焊條電弧焊 E309Mo-16 φ3.2 90～95 22～24
接時，層間溫度應不低於150℃，為防止中斷焊接而引起試件的降溫，施焊時應由二名焊工交替操作，焊后應立即採取保溫緩冷措施。
2.4 焊后熱處理
採用方案Ⅰ焊接的試件，焊后應進行局部高溫回火處理。熱處理的工藝為：升溫速度為200℃/h，升到715℃保溫1小時15分鐘，降溫速度100℃/h，降到300℃后空冷。具體採用JL-4型履帶式電加熱器（1146×310）包繞焊縫，用硅酸鋁棉層保溫，保溫層厚度50mm，溫度控制採用DJK-A型電加熱器自動控溫儀。
3 焊接工藝評定試驗
試件焊后按JB4730-94《壓力容器無損檢測》標準進行100%的超聲波探傷檢驗，焊縫Ⅰ級合格。按JB4708《鋼製壓力容器焊接工藝評定》標準進行焊接工藝評定試驗。評定結果見表5。
表5 焊接工藝評定試驗結果
試驗方案 拉伸試驗 彎曲試驗 衝擊韌性試驗aky（J/cm2）
抗拉強度δb/Mpa 斷裂部位 彎曲角度 面彎 背彎 焊縫 熔合線 熱影響區(HAZ)
方案Ⅰ 550/530 母材 50。 合格 合格 84.8 162 135.6
方案Ⅱ 525/520 母材 50。 合格 合格 79.4 109.2 96.7
從拉伸試驗結果可知，兩種方案的拉伸試樣全部斷在母材，說明焊縫的抗拉強度高於母材；彎曲試驗全部合格，說明焊縫的塑性較好。根據表5中的衝擊韌性試驗結果可知，方案Ⅰ的衝擊韌性明顯高於方案Ⅱ，證明方案Ⅰ的焊后熱處理規範比較理想，高溫回火不僅達到了改善接頭組織和性能目的，而且使韌性與強度配合適當。從室溫機械性能結果可知，所推薦的兩種焊接工藝方案均可用於現場施工。方案Ⅰ採用了與母材成分接近的焊條，焊縫性能同母材匹配，焊縫應具有較高的熱強性，焊縫在高溫下長期使用不易破壞。難點是焊后熱處理規範較為嚴格，回火溫度和保溫時間及加熱和冷卻速度控制不當反而會引起焊縫性能下降。方案Ⅱ採用了奧氏體不鏽鋼焊條施焊，雖然可以省去焊后熱處理，但由於焊縫與母材膨脹係數不同，長期高溫工作時可發生碳的擴散遷移現象，容易導致焊縫在熔合區發生破壞。因此，從使用可靠性考慮，現場採用方案Ⅰ施焊更為穩妥。
4 結論
15CrMo鋼厚壁高壓管的焊接採用兩種焊接方案均為可行。為了保證焊縫性能同母材匹配且具有較高的熱強性，採用方案Ⅰ效果更佳，關鍵是要嚴格控制焊后熱處理工藝。
方案Ⅱ雖可省去焊后熱處理，但焊縫在高溫下發生碳的遷移擴散而導致焊縫破壞的可能性不容忽視，因此，只有在焊后無法進行熱處理時才慎重採用。
參考文獻
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2 北京技術協會委員會編。 實用焊接手冊（M）。1983
3 機械電子工業成都電焊機研究所編。 電焊機（J）。1989
4 吉林工大周振豐主編。金屬熔焊原理及工藝（M）。1985
5 國家機械工業局編。鋼製壓力容器焊接工藝評定
