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        大直径薄壁15CrMo耐热钢管道的焊接工艺

        浏览次数: 日期:2013-11-04

           摘 要:本文依据广州某大型炼钢二期除尘工程实践,对大直径薄壁15CrMo耐热钢管道焊接工艺进行了研究,探索出大直径(2400mm)、薄壁 (6mm)15CrMo耐热钢管道焊接工艺及措施,提出了焊接过程中预热、保温、层间温度控制、后热处理等措施的重要性。总结出了可行的焊接工艺并成功应 用于该工程除尘管道的焊接。


          1     引    言

          15CrMo在高温条件下,具有抗氧化性和足够的高温强度以及良好的耐热性能,属珠光体耐热钢,合金元素以铬、钼为主,广泛用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉、石油化工等工业部门中在高温下工作的零部件和热力管道。

          广州某大型炼钢二期除尘工程,除尘系统采用德国技术,在炼钢环保技术方面处于国内领先水平。其中电炉 和转炉耐热钢管道材质为15CrMo钢, 管道直径为2400mm,厚度为6mm。管道外用加强环加固,内无任何衬砌。该工程所采用的15CrMo耐热钢是目前国内直径最大的除尘高温管道,设计使 用最高温度为≤540℃,焊接和验收采用GB50235-1997质量标准。该工程一期同样管道材质,因焊接工艺及措施不当,焊后产生严重的裂纹,基于此 在施工前进行了焊接工艺试验。

          结合该工程具体情况,根据富氩焊易于操作,具有电弧稳定,焊接飞溅小,焊 接效率高,焊缝成形美观,焊接接头力学性能好等特点,通过论证确定采用电焊条手工电弧焊打底,富氩焊(Ar:80%,CO2:20%)盖面相结合的焊接工 艺。从而探索出一种适合大直径薄壁15CrMo耐热钢管道的焊接方法,解决了大直径薄壁15CrMo耐热钢管道易产生焊接裂纹的技术难题。


          2     15CrMo耐热钢焊接性能分析


          2.1  15CrMo耐热钢主要技术特征


          2.1.1 淬硬性

          由于15CrMo钢中的Cr、Mo、C和其它合金元素,碳当量增加,使得钢材的淬硬倾向较明显,焊接性变差。在焊接热循环所特有的冷却速度下,焊缝和热影响区有可能形成裂纹敏感组织。


          2.1.2    再热裂纹

          15CrMo耐热钢含有Cr、Mo、Mn和Si等碳化物形成元素,过热区有一定程度的再热裂纹倾向。其防止措施有:

          (1)严格控制母材和焊接材料中的Mn和Si等合金元素的含量;

          (2)选用塑性高于母材的焊接材料;

          (3)适当提高预热温度和层道间温度;

          (4)采用小线能量,限制过热区的宽度,抑制晶粒粗化;

          (5)尽量缩短热处理过程中再热裂纹敏感温度区间的保温时间;

          (6)合理设计接头形式,减低结构的拘束度。


          2.1.3回火脆性

          当有害的残余元素如P、S含量较高且接头长期在370~565℃温度区间运行时,会导致回火脆性。

          2.3              

          由表1成分含量,根据国际焊接学会(IIW)碳当量公式:

          CE(IIW)=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr

                              +Mo+V)/5(%)计算出

                CE=0.50≥0.43%(CE≤0.43%时, 焊接性良好)

                日本依藤(ITO)公式:

                Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/

                         60+Mo/15+V/10+5B计算得出

                Pcm=0.276 ≥0.25%(CE≤0.25%

        时,焊接性良好)

          由此可以看出15CrMo耐热钢碳当量较高,导致焊接过程中形成淬硬组织,焊缝的塑性、韧性降低,焊接性较差,防止冷裂纹的产生是焊接中的一个关键问题。所以必须采取预热、层间温度控制、后热处理等工艺措施来保证焊缝的质量。


          3     焊接工艺研究

          3.1    焊接接头坡口制度

          V型坡口,单边30°坡口,2~3mm 间隙和0~1mm钝边,电焊条手工电弧焊单面焊双面成形和富氩焊盖面工艺。如附图所示。

         

          3.2   焊接材料选用

          根据焊接规范要求,15CrMo耐热钢打底焊条选用R307,焊丝选用H08- CrMnSiMo,保护气采用Ar和CO2混合气, Ar和CO2比例为80%比20%。

          3.4  焊接前准备工作


          3.4.1火焰切割坡口前应将钢板边缘预热至150℃以上,切割后将坡口及附近的熔渣和氧化皮用角向磨光机打磨干净,检查坡口是否有表面裂纹;焊接坡口加工及组对的尺寸一定要精确, 坡口内外两边20mm范围内的锈及污物清理干净。


          3.4.2 焊前母材和焊条、焊丝进行复检,(见表3~表6)合格后进行下一道工序。

          3.5    焊接试验工艺及措施

          
          3.5.1 环境温度20~30℃,湿度65%~80%;试件组对严格按照坡口制度, 坡口60°,钝边0~1mm,间隙2~3mm。


          3.5.2 焊条使用前烘干温度350~400℃, 烘干1.5小时后放进100~150℃焊条保温筒内保温。


          3.5.3 严格控制焊前预热温度,焊前预热主要作用是缓减焊接接头的冷却速度,降低接头的淬硬倾向,是防止冷裂纹的有效措施之一,根据预热计算公式:

          To=350√[C]-0.25(℃)

          式中,To—预热温度,℃。

          [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—成分碳当量;

          [C]p—尺寸碳当量;

          S—试件厚度(本文中S=6mm);

          [C]x=C+(Mn+Cr)/9+7/90Mo=0.361

          [C]p=0.0108    则To=122℃

          因此预热温度选为100~150℃,采用坡口两侧100mm内氧-乙炔火焰预热。


          3.5.4    严格控制层间温度    层间温度控制在100~150℃。


          3.5.5    电焊条手工电弧焊焊接操作技术:打底焊特别注意控制熔池的大小和形 状,熔池大小应控制在5~6mm,形状为椭圆形,运条时匀速前行;焊缝表面应尽量平滑,易于脱渣,减少凸形焊缝的打磨量,更好的控制下层焊接的间断时间, 降低焊缝缺陷的产生;焊缝在接头前应将收弧处打磨成缓坡状,在接头部位的前端引燃电弧, 回拉至接头处进行正常焊接,这样可以避免焊接接头气孔和夹渣的产生。


          3.5.6    富氩焊焊接操作技术:富氩焊时要特别注意电弧电压和焊接速度的控制,关键是在焊接过程中保持电弧长度基本不变化。干伸长度10~15mm, 气体使用氩气和二氧化碳混合气体,焊接采用左焊法,焊接电源采用直流反接。


          3.5.7    焊接工艺参数的控制:焊接时应严格控制工艺参数,不允许超过规定范围。


          3.5.8    后热处理:后热处理能消除焊缝残余氢及残余应力,改善焊缝组织和力学性能,是防止裂纹的有效措施之一。后热处理工艺为:火焰加热焊缝两侧100mm,加热温度至300~350℃, 石棉保温,石棉厚度为100mm,宽度为400mm,保温时间2h后自由降温。


          3.6   焊接工艺评定结果

          焊接完成的工艺评定试件按照JB /T4730-2005标准进行,经第三方检测公司24小时后进行X射线探伤检测未发现超标缺陷,焊缝质量达到设计要求, 焊缝等级为Ⅱ级以上,经检测焊缝力学性能满足设计要求(见表7~表9)。

          4     现场制作安装焊接

          根据前述焊接工艺实验所确定的焊接工艺参数和技术要求,应用于本工程耐热钢管道进行焊接,焊缝表面、无损检测和力学性能实验均满足要求。

          
          5     结束语

          经焊接试验和工程施工验证,焊缝各项指标满足GB50235-1997要求。焊接质量效果良好,经第 三方检测公司24h后进行100%X射线探伤检测焊缝合格率达98%以上,未合格的经一次返修合格。焊缝等级为Ⅱ级,焊接质量完全能达到设计要求。现该工 程已投产使用6个月,焊缝没有产生裂纹, 完全满足使用和设计要求。由此得出结论:本焊接方法选择及施工工艺正确,成功解决了大直径薄壁15CrMo耐热钢管道焊接裂纹的问题。

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