12Cr1MoV大口徑合金鋼管焊接工藝，實例經驗，值得借鑒

[ 關鍵詞：12Cr1MoV大口徑合金鋼管焊接工藝　發表日期：2022-04-22 08:04:47 ]

一、背景

　　一段蒸汽管道投運時間較長部分閥門隔絕不嚴需要進行更新，管道種類為12Cr1MoV合金鋼管，規格為 φ 273× 28。為了保證主蒸汽管道的安全運行，必須分析合金鋼管的焊接性進行焊接工藝評定，以制定可靠的12Cr1MoV大口徑合金鋼管焊接工藝。

二、焊接性分析

1、化學成分特點

12Cr1MoV 的化學成分見表1。

表 1 12Cr1MoV 的化學成分

鋼號	化學成分(％)
	C	Mn	Si	Cr	Mo	V
12Cr1MoV	0.08～0.15	0.40～0.70	0.17～0.37	0.90〜1.20	0.25～0.35	0.15～0.30

圖1 12Cr1MoV金相組織

　　由表中數據可見， 12Cr1MoV 屬于 1Cr-0.5Mo-V 型耐熱鋼，通過金相分析，可確定它的金相組織為珠光體型，如圖1 所示，圖中可見大塊鐵素體組織，細小碳化物在晶界和晶內沉淀。 由于 Cr、 Mo 的加入，鋼的抗氧化性、高溫強度得到顯著改善，少量的 V可進一步增加鋼的熱強性。

2、焊接性的間接判斷法

　　根據國際焊接協會（ IIW ）所提出的碳當量公式：

CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)

　　由表1 的數據計算出 12Cr1MoV 的 CE（ IIW ）約為 0.52%，可見鋼材焊接性比較差。焊前需對焊件進行預熱，焊后需對焊件進行熱處理。

3、熱影響區硬化及冷裂紋

　　Cr、Mo、V 等合金元素的加入，一方面提高了鋼材的性能，另一方面也對鋼材的焊接性產生了很大的影響。冷卻速度過大，很可能 形成馬氏體比率較高的淬硬組織，加上厚壁管道的拘束應力較大和氫的擴散聚集，很容易在熱影響區引起冷裂紋。

4、再熱裂紋

　　鋼在高溫運行時，再熱裂紋產生于熱影響區的粗晶區，其形成溫度一般在 500~700℃，同時焊接區有較大的殘余應力，并有不同程度的應力集中。但該管道在 535℃以下運行，再熱裂紋的敏感性很低，在采用焊前預熱，控制層間溫度的情況下，再熱裂紋是可以抑制的。

三、焊接工藝

1、焊接方法

　　為保證主蒸汽管道內壁清潔和焊縫根層質量，決定采用鎢極氬弧焊打底，手工電弧焊蓋面的焊接方法。

2、焊接材料

　　為保證焊縫性能同母材匹配，具有必要的高溫抗氧化性和熱強性，焊縫成分應力求與母材相近，選用 TIG-R31 焊絲及 R317 焊條進行焊接，低氫型焊條的選用可有效地避免冷裂紋的產生，焊接材料的化學成分見表2。

焊絲使用前清除銹垢和油污，至露出金屬光

澤。焊條使用前

表2 R317 和 TIG-R31 的化學成分

鋼號	化學成分(％)
	C	Mn	Si	Cr	Mo	V
R317	0.05～0.12	0.90	0.60	1.00～1.50	0.40～0.65	0.10～0.35
TIG-R31	0.06～0.12	0.75～1.05	0.45～0.70	1.10～1.40	0.45～0.65	0.20～0.35

　　在 400℃烘箱內烘干 2h，使用時放在 100℃保溫筒內，隨用隨取。鎢極氬弧焊的電極采用鈰鎢棒，為保證根部焊縫的質量，氬氣純度在 99.95%以上。

3、坡口制備及對口

　　為減少焊接應力及變形，保證根部焊透，盡可能避免冷裂紋和再熱裂紋的產生，采用如圖2 所示的單面 U 型坡口， 坡口角度 α =15°； 鈍邊 P=2mm；根部間隙 b=2.5mm；半徑 R=5mm。

　　焊口組裝前將焊口兩側 15mm 范圍內的油、漆、垢、銹等清理干凈，直至發出金屬光澤。

　　為防止在焊接和熱處理過程中產生變形和附加應力，焊口組裝時將管道固定。

圖2 單面U型坡口示意圖

4、預熱和層間溫度

　　預熱是減慢焊縫金屬和焊接熱影響區的冷卻速度最有效的措施，可降低焊接接頭的硬度，使氫易于從焊接處擴散逸出，防止焊接冷裂紋的產生。應當指出，預熱溫度的過高，一方面惡化了勞動條件，另一方面在局部預熱的條件下，由于產生了附加應力，反而會加劇了產生冷裂。因此，不是預熱溫度越高越好，而應合理選擇預熱溫度。

　　我們選擇日本百合罔等人通過大量實驗確定的碳當量公式：

式中：

A(C)—碳的適用系數。

A(C)=0.75+0.25tgh〔20(C-0.12)〕，h 為鋼材的厚度 (mm)。

　　對照表1，可以計算出 CEN=0.42， 查閱碳當量與預熱溫度的相關圖，得出預熱溫度約為 130℃，我們決定選擇 150℃的預熱溫度。

5、焊接規范

　　對于重要的高壓管道焊縫，對線能量的控制應該是嚴格的。線能量過大，由于焊接熱的作用，會引起熱影響區過熱使晶粒粗大，降低接頭的抗裂性能。而線能量過小，由于降低了冷卻時間，會使熱影響區淬硬，也不利于氫的逸出，故而也增加冷裂傾向。綜合上述兩方面因素，我們選擇表3 中的焊接規范。

表3 焊接規范

層次	焊接方法	焊接材料 型號規格	焊接 電壓	焊接電流	電流極性	焊接 速度	氣體 流量
1	Ws	TIG-R31,Φ2.5	22V	90A	正接	70mm/m	1OL/m
2	D	R317,Φ3.2	22V	100A	反接	80mm/m
3	D	R317,Φ4.0	22V	110A	反接	90mm/m
4	D	R317,Φ4.0	22V	110A	反接	90mm/m
5	D	R317,Φ4.0	22V	120A	反接	1OOmm/m

6、操作要點

　　鎢極氬弧焊打底時，采用接觸引弧。焊接時采用短弧焊，焊嘴與焊件間距離不超過 10mm。應提前送氣，滯后停氣，收弧可采用減少焊接電流或減慢焊速多加焊絲法完成。

　　手工電弧焊時應注意層間清渣，以防止產生氣孔、夾渣等缺陷，如有缺陷應立即鏟除重焊。

　　焊接時應將焊口一次焊完，為防止氫量的逐層積累和產生彎曲變形而帶來根部應力集中，焊件應保持 300℃左右的層間溫度。

7、焊后熱處理

　　焊接冷裂紋產生的三個因素是氫、焊接殘余應力和淬硬組織。焊后及時熱處理可使擴散氫充分逸出，在一定程度上降低焊接接頭的殘余應力，并可適當改善組織降低淬硬性。 所以， 為保證焊接質量，熱處理在焊后立即進行。

　　我們選擇在 720℃恒溫 1.5h 的熱處理工藝。為防止焊接接頭產生附加應力，升、降溫速度控制在 200℃ /h，熱處理過程見圖3。

圖3 熱處理過程示意圖

四、焊接工藝評定

1、金相分析

圖4 焊縫和熱影響區金相組織圖

　　通過圖4 所示的焊縫和熱影響區金相組織圖可見，焊縫和熱影響區基體為白色鐵素體，細小碳化物在某些鐵素體塊內沉淀。

2、其它工藝評定試驗

　　焊縫外觀檢驗合格；硬度檢驗結果為 HB223 ；無損探傷結果為 UT、RTⅠ級；斷口檢驗、力學性能試驗檢測指標均合格。

五、結論

　　本文針對12Cr1MoV大口徑合金鋼管焊接問題，采用了以 TIG-R31 焊絲封底，R317 焊條蓋面，并結合焊前預熱和焊后熱處理的焊接工藝。實踐證明，采用這種焊接工藝進行焊接可以獲得高質量的焊縫，保證高溫管道的安全運行。