梁小武，张 伟，朵元才，张建晓，徐 红

(1.兰州兰石重型装备股份有限公司，兰州 730314；2.甘肃省压力容器特种材料焊接重点实验室 培育基地，兰州 730314)

0 引言

高温、高压加氢反应器是加氢裂化和加氢脱硫装置的核心设备，也是提高油品质量、改变油品结构的二次深加工的关键设备，是一个国家炼油技术水平的重要标志[1-3],加氢反应器的主体材料多采用Cr-Mo型耐热钢[4-8]。目前，国产Cr-Mo钢材的质量已相当稳定，但是与之配套的Cr-Mo钢焊接材料主要依赖进口。进口焊材不但价格昂贵，成本高，而且供货周期长，生产过程中存在沟通和监管困难等问题。为此，研发高性能的国产Cr-Mo钢焊材成了当务之急。随着压力容器的大型化、高参数化，要求最终焊后热处理的时间就越长[9-11]。采用较长的热处理时间，即增大了回火参数LMP(Larson Miller Parameter，用于表示热处理温度和时间的组合特性)，往往会使碳化物凝聚发生变化，进而引起铁素体晶粒粗大，最终导致韧性劣化、强度下降。为确保加氢反应器的安全运行，其配套材料必须具有高强度、高韧性、抗回火脆性和氢脆等性能，近期，某公司开发了国产12Cr2Mo1R钢用焊材(焊条R407C、埋弧焊丝/焊剂H10Cr2MoG/SJ150)。为了掌握新型焊材的性能，对以上两种焊材进行焊接工艺试验，为国产12Cr2Mo1R钢焊材今后在产品中的应用奠定基础。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验采用厚度42 mm的国产12Cr2Mo1R钢板，试板的规格为600 mm×120 mm×42 mm；焊材的规格为∅5.0 mm的R407C焊条；∅4.0 mm的H10Cr2MoG焊丝配合SJ150焊剂。

1.2 焊接材料化学成分

1.3 焊接热输入和焊后热处理工艺参数的选择

1.3.1 不同焊接输入试验

(1)对焊条电弧焊，选取三种焊接热输入，只是分别改变焊接电流：190，210，240 A，这三种焊接电流对应的试样编号分别为：1#,2#,3#，而电弧电压(22～26 V)和焊接速度(150 mm/min)并不改变。

表1 焊条熔敷金属的化学成分 %

表2 埋弧焊熔敷金属的化学成分 %

(2)对埋弧焊，选取三种焊接热输入，也只分别改变焊接电流：500，550，600 A,这三种电流对应的试样编号分别为：4#,5#,6#,而电弧电压(30～32 V)和焊接速度(21 m/h)也不改变。

1.3.2 不同焊后热处理试验

无论是焊条电弧焊,还是埋弧焊，均分别选择3种热处理温度：675,690,705 ℃，对每种温度均又以最小(8 h)和最大(32 h)焊后热处理(PWHT)进行试验。

(1)焊条电弧焊对应不同热处理温度下，采取Min PWHT(8 h)对应的编号分别为：2#-3,2#-1,2#-6；采取Max PWHT(32 h)对应的编号分别为：2#-4,2#-2,2#-7。2#-5为模拟热压成形(热压+正火+回火+退火)。

古代货币之所以会通过丝绸之路流到国外，是由中国与沿线各国的贸易决定的，这是一种经济关系，是经济规律在起作用。比如中国宋钱外流日本和东南亚地区，能够长期在其国内起着主币的流通职能，主要是由于当时的日本和东南亚各国经济相对落后，国内货币体制落后或者没有货币，或是由于当时东南亚各国铸造技术落后，所制之钱质量低劣，容易磨损，不能胜任货币的职能。而宋朝的冶炼与铸造技术先进，钱币纯度高，铸造精美，正好弥补了日本和东南亚各国货币体制的缺陷，满足了他们急需高品质货币的需求，加上中国当时的经济影响力强，中国的铜钱在日本和东南亚诸国享有很高的信誉，因此被选为充当其国内货币进入流通就是顺理成章的事。

(2)埋弧焊对应不同热处理温度下，采取Min PWHT(8 h)对应的编号分别为：5#-3,5#-1,5#-6；采取Max PWHT(32 h)对应的编号分别为：5#-4,5#-2,5#-7。5#-5为模拟热压成形(热压+正火+回火+退火)。

无论哪种焊接方法，都采用直流反接，预热及层间温度150～250 ℃，焊后按NB/T 47013.3—2015《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》进行100%UT检测，技术等级B，Ⅰ级合格后，分别进行最小或最大焊后热处理。

2 不同焊接热输入的力学性能试验

2.1 焊条电弧焊

2.1.1 拉伸试验

焊条电弧焊三种焊接热输入的拉伸试验结果见表3。将表3中焊缝金属的拉伸试验数据绘制成曲线，见图1。由表3和图1可以看出，分别采用190,210,240 A进行焊接，焊后经690 ℃×8 h和690 ℃×32 h的热处理，焊缝金属的抗拉强度均高于520 MPa，屈服强度均高于310 MPa，延伸率均大于19%，满足技术条件要求。由此可看出，R407C焊条对焊接电流的适用范围较广。

2.1.2 冲击试验及步冷试验

焊条电弧焊三种焊接热输入的冲击试验及步冷试验结果见表4。可以看出，T/2处焊缝金属-30 ℃KV2除个别值低于100 J，多数在100 J以上；T/2处热影响区-30 ℃KV2多数在200 J左右；焊缝金属的步冷试验在- 40 ℃左右；热影响区在- 60 ℃左右。焊条电弧焊接头韧性储备比较充足，经过阶梯冷却加速脆化后焊接接头的脆化程度较小，满足技术条件要求。

表3 焊条电弧焊不同焊接热输入的力学性能

(a)690 ℃×8 h热处理状态 (b)690 ℃×32 h热处理状态

表4 焊条电弧焊不同焊接热输入的冲击性能和步冷试验结果

2.2 埋弧焊不同焊接热输入的力学性能

2.2.1 拉伸试验

埋弧焊三种焊接热输入的拉伸试验结果见表5。将不同焊接热输入下抗拉强度和屈服强度绘制成曲线，见图2。可以看出，不同焊接热输入对室温强度影响较低，室温强度基本没有大的变化；对高温屈服有一定影响，随热输入增加，高温屈服有降低趋势。该焊丝焊剂组合焊接采用 500，550，600 A三种电流，其拉伸性能满足技术要求。

表5 埋弧焊不同焊接热输入的力学性能

(a)690 ℃×8 h热处理状态 (b)690 ℃×32 h热处理状态

2.2.2 冲击试验及步冷试验

埋弧焊三种焊接热输入冲击试验及步冷试验结果如表6所示。可以看出，T/2处焊缝金属 -30 ℃KV2除个别值低外，多数在100 J以上；T/2处热影响区-30 ℃KV2多数在200 J左右;焊缝金属的步冷试验结果在-20 ℃以下；热影响区步冷试验结果在-80 ℃左右。冲击试验结果表明，埋弧焊在低温下韧性较好，储备较足，在经过阶梯冷却后脆化程度较低，与焊条电弧焊结果基本一致。

表6 埋弧焊不同热处理工艺参数下的冲击性能及步冷试验结果

3 不同焊后热处理工艺参数的力学性能试验

3.1 焊条电弧焊不同热处理工艺参数的力学性能

3.1.1 拉伸试验

三种不同热处理工艺参数拉伸试验结果见表7,热处理工艺参数对各指标的影响程度见图3。由表7和图3可以看出，采用该焊条在675,690,705 ℃三个温度下热处理，焊接接头的拉伸性能满足要求，在热成形(正火+回火)条件下，其抗拉强度基本接近下限。为满足封头等特殊处理，R407C焊条的拉伸强度应适当提高。

表7 焊条电弧焊不同热处理工艺参数的力学性能

3.1.2 冲击试验

焊条电弧焊不同热处理工艺参数的冲击试验结果见表8。可看出，在675 ℃和705 ℃×32 h下热处理，T/2处焊缝金属-30 ℃KV2均有低值出现；在690 ℃下热处理，T/2处焊缝金属-30 ℃KV2均较高，多数在100 J以上，因此，12Cr2Mo1R钢焊缝焊后热处理温度尽量控制在690 ℃，温度过高或过低对冲击性能均有一定的影响。T/2处热影响区-30 ℃KV2多数在200 J左右。综合看，焊条电弧焊在690 ℃下热处理，冲击韧性较好。

3.2 埋弧焊不同热处理工艺参数的力学性能

3.2.1 拉伸试验

三种不同热处理工艺参数拉伸试验结果如表9所示，热处理工艺参数对各指标的影响程度如图4所示。由表9和图4可以看出，采用该焊丝焊剂组合在675,690,705 ℃、热成形4种温度下进行试验，焊接接头的拉伸性能基本满足要求。

表8 焊条电弧焊不同热处理工艺参数下的冲击性能

表9 埋弧焊不同热处理工艺参数下的力学性能

(a)8 h (b)32 h

3.2.2 冲击试验

埋弧焊不同热处理工艺参数下的冲击试验结果见表10。可看出，T/2处焊缝金属-30 ℃KV2除675 ℃×8 h，675 ℃×32 h和705 ℃×32 h出现低值外，多数在150 J以上。试验结果表明，12Cr2Mo1钢埋弧焊在675 ℃和705 ℃下热处理存在冲击值低的情况，焊后热处理温度过低或过高对焊缝金属韧性均有一定的影响，建议12Cr2Mo1焊后热处理温度应控制在690 ℃；T/2处热影响区-30 ℃KV2除675 ℃×8 h出现低值外，多数在150～250 J左右。

表10 埋弧焊不同热处理工艺参数下的冲击性能

4 其他项目的试验

4.1 焊接接头的金相组织检验

对焊条电弧焊和埋弧焊焊接接头的焊缝(WM)、热影响区(HAZ)及邻近母材的金相组织检验表明，这三个区均为贝氏体回火组织。

4.2 焊接接头的弯曲试验

对焊条电弧焊和埋弧焊焊接接头，经三种温度的最小热处理(675 ℃×8 h,690 ℃×8 h和705 ℃×8 h)后进行侧弯试验，其结果均合格(见表11)。

表11 焊接接头的侧弯试验结果

4.3 焊接接头的硬度试验

无论是焊条电弧焊接头，还是埋弧焊接头，由表12的检测结果可以看出，焊接接头焊缝和热影响区各测量部位的硬度正常，没有淬硬倾向。

表12 焊接接头硬度检测(HV10)结果

4.4 高温持久试验

为模拟设备在高温工作状态下接头持久强度，分别对焊条电弧焊和埋弧自动焊接头进行焊接接头高温持久试验，其结果如表13所示。

表13 焊接接头高温持久试验结果

试验结果表明，采用R407C焊条和H10Cr2MoG/SJ150埋弧焊丝/焊剂焊接的接头，其高温持久强度满足技术要求。

4.5 工艺性能试验

4.5.1 焊条电弧焊工艺性能

R407C焊条焊接工艺性能良好，飞溅较小、磁偏吹不大，易于控制，焊缝成形良好。选取20,50,100,150,200 ℃五种预热温度进行焊接试验，观察不同预热温度对焊缝成形的影响。试验表明：随着预热温度的增加，焊道和热影响区逐渐变宽、熔深变深；从50～100 ℃的变化较大，150 ℃以后的变化不明显。

4.5.2 埋弧焊的工艺性能

对H10Cr2MoG(∅4.0 mm)+SJ150进行埋弧焊试验，其工艺性能良好，焊缝成形和焊剂脱渣性均较好。

5 结论

(1)该R407C(∅5.0 mm)焊条及H10Cr2MoG+SJ150焊丝与焊剂焊接飞溅较小、脱渣性良好、焊缝成型较好，焊接工艺性能良好。

(2)通过三种不同电流以及不同热处理状态的性能对比试验，各项性能指标满足产品技术条件要求，结果显示，此次试验的两种国产12Cr2Mo1R钢焊材其适用的焊接及热处理参数范围较大，可以推广应用。

(3)通过对R407C和H10Cr2MoG/SJ150进行化学成分分析、焊接接头拉伸性能、冲击性能、硬度(HV10)、回火脆化、金相组织及应力持久等各项性能检测，确认适宜的焊接工艺参数和热处理规范：R407C适宜的焊接电流为210～240 A，H10Cr2MoG/SJ150焊丝及焊剂适宜的焊接电流为530～580 A，热处理温度均为690 ℃。

(4)与进口焊材试验数据相比，本次试验数据较为均匀、稳定，达到了同类进口焊材的水平。试验研究积累的大量数据，不仅为12Cr2Mo1R钢加氢设备焊材国产化起到促进作用,而且在一定程度上为国产化焊材的扩大应用奠定基础。