SA387Gr11CL2钢的现场补焊

2020-06-09林志旭胡柱强苏志坚李文振

石油和化工设备 2020年5期

林志旭，胡柱强，苏志坚，李文振

（广东省特种设备检测研究院东莞检测院，广东东莞 523000）

某煤化工项目的气化炉主体材质为SA387Gr11CL2钢，设计压力7.15MPa，设计温度455℃，工作介质为CO、H2等。在现场安装验收时发现，该气化炉燃烧室内壁存在一处直径10mm、深17mm凹坑，凹坑位置壁厚106mm，如图1所示。现场施工方为了保证工程进度，紧急调用一名资深焊工进行补焊，补焊后焊缝外观正常，但24h后发现补焊位置出现了延迟裂纹，如图2所示。图中可以看出裂纹所在区域钢材晶粒粗大，有过烧趋势。现场查看时发现：(1)作业现场温度较低，母材厚度大，普通的火焰加热无法保证焊缝周围温度均匀一致；(2)焊缝处于竖直光滑管壁内侧，保温棉难以敷设，焊后保温及降温速度难以保证；(3)该材料的焊接工艺及焊接方法目前还没有公开的资料可以借鉴。分析原因：该类钢板碳当量较高，淬硬倾向和焊接冷裂纹敏感性较大，如果焊接材料和工艺规范选择不当，热处理工艺未严格按照工艺要求，很容易产生延迟裂纹[1]。针对该问题，需要根据钢材性能和现场施工条件，选择合适的焊材，制定专门补焊工艺及热处理工艺来进行焊接。

图1 母材凹坑

图2 延迟裂纹

1 SA387Gr11 CL2钢的成分分析及焊材选择

气化炉用SA387Gr11 CL2钢板供货状态为正火+回火，该钢材属于低合金耐热钢，焊接时常见问题是冷裂纹、再热裂纹。低合金钢焊接接头产生裂纹主要取决于钢材金属元素及含量。

表1 SA387Gr11 CL2钢的化学成分（%）

碳当量计算公式：

SA387Gr11 CL2钢的化学成分如表1所示，按照公式（1）计算可知，该钢材碳当量可达0.812%。从化学成分不难看出，该钢材容易产生延迟裂纹，根据化学成分，选用低氢焊材，严格控制焊前预热温度、焊中层间温度和焊后及时消氢，可防止焊接裂纹的产生。通过制定焊接评定及焊接方案，焊材选用ER80S-B2。ER80S-B2焊材的化学成分如表2所示。

表2 焊材化学成分（%）

2 焊前准备

由于SA387Gr11 CL2钢属于低合金耐热钢，此类钢出现的焊接缺陷主要为冷裂纹，又称延迟裂纹，而扩散氢含量是冷裂纹出现的主要原因[2]。因此在焊接前使用冷切割方式切除裂纹部位，并将坡口坡度打磨至与凹坑深度比例为1:3，同时清除坡口面及周围100mm范围内的油、锈、水分及其他污染物，确保裂纹已完全清除干净后，对清理后的坡口进行PT检测。确保裂纹及过烧区域已经完全清除后，清洗补焊部位坡口表面，图3为裂纹清除后进行的PT检测。

图3 裂纹去除后PT检测

3 焊接工艺参数

由于气化炉壁厚较大，焊接坡口深而窄，为改善焊缝金属的塑性、韧性、降低性能的不均匀程度，提高焊缝金属的抗裂性能，在满足工艺和操作要求的条件下，尽可能选择合理焊缝和合适的热输入。因此采用热输入较小的GTAW焊接，尽可能降低层间温度，减少应力和变形，也降低组织硬化产生的内应力。综合计算分析后采用焊接参数如表3所示。

表3 焊接参数

4 焊前预热、层间温度控制及焊后消氢处理

SA387Gr11 CL2钢的焊前预热、焊后热处理是防止焊接裂纹的重要工艺措施，通过焊接评定，确定预热温度≥200℃；另一方面，如果热处理温度过高，会导致焊缝金属组织的晶粒粗大。因此，焊接过程中，控制焊道温度在200～300℃之间。

补焊完成后立即对焊缝进行焊后热处理，在制定焊接接头的焊后热处理工艺时，要考虑冶金和工艺特点，焊后热处理应保证焊接接头组织的改善，不应使母材及焊接接头各项力学性能降低至设计所要求的最低限度，提高焊缝金属的韧性、降低硬度、消除焊接应力，防止设备在现场使用中产生表面裂纹。所以，进行焊后热处理的目的不仅是消除焊接残余应力，更重要的是改善焊缝金属组织，提高接头的综合力学性能，包括降低焊缝及热影响区的硬度、提高焊接接头的高温蠕变极限和组织稳定性[3]。综合考虑后确定焊后温度控制在350～400℃进行消氢处理，保温时间为2h，并保证降温速度不高于55℃/h。