1 前言长期以来,2 2 5Cr - 1Mo钢作为成熟钢种被广泛应用于炼油化工行业的临氢装置上,尤其是大量用于热壁加氢反应器壳 体的制造。随着设备的大型化和加氢工艺技术的提高,如渣油加氢改质和煤加氢液化工艺的发展, 加氢设备的操作温度和压力也趋于更高,为减轻设备的重量、便于制造安装和降低造价,国外先后开发出2 2 5Cr - 1Mo - 0 2 5V钢和3Cr- 1Mo - 0 2 5V钢。我国炼油化工行业也采用2 2 5Cr - 1Mo - 0 2 5V钢制造新的大型加氢用设备,为此本企业开展了对该钢的应用性研究。本文仅涉及2 2 5Cr - 1Mo - 0 2 5V钢板的焊接性试验研究。2 2 2 5Cr - 1Mo - 0 2 5V钢简介表1 2 2 5Cr- 1Mo钢和2 2 5Cr- 1Mo - 0 2 5V钢的化学成分(% )数据来源CSi(max)MnP(max)S(max)CrMoVTi(max)B(max )Ni(max)Cu(max)Nb(max)Ca(max)AlSn(max)As(max)Sb(max)ASMECODECASE20 98—20 11～0 15 0 10 0 30～0 6 0 0 0 15 0 0 12 0～2 50 90～1 10 2 5～0 35 0 0 30 0 0 2 0 2 5 0 2 0 0 0 70 0 15————法国产钢板实测值(NT) 0 14 0 0 0 80 5 5 0 0 0 90 0 0 32 2 6 1 0 70 2 4 <0 0 5—0 0 4 <0 0 5 <0 0 5—0 0 70 0 0 30 0 0 2 0 0 0 2ASMEⅡSA—387/Gr2 20 0 4～0 15 0 5 0 0 30～0 6 0 0 0 35 0 0 35 2 0 0～2 5 00 90～1 10 ———0 2 0 0 2 0———0 0 0 30 0 15 0 0 16:试验研究用板采用此表中的法国产钢板表2 2 2 5Cr- 1Mo钢和2 2 5Cr- 1Mo - 0 2 5V钢的力学性能数据来源σ0 2(MPa)σb(MPa)δ4(% )ψ(% )4 5 2℃4 82℃σ0 2(MPa)σb(MPa)σ0 2(MPa)σb(MPa)ASMECODECASE2 0 98—2 ≥4 14 5 86～75 8≥18—≥338≥4 6 1≥330≥4 4 5 法国产钢板实测值(NT) 5 85 6 85 2 1794 70 5 5 0 4 6 0 5 2 5ASMEⅡSA—387/Gr2 2 ≥310 5 15～6 90≥18≥4 5≥2 30———表3 熔敷金属化学成分数据来源CSPSiMnCrMoVCuNbNiTiAsSnSbAl神钢(日)CMA—10 6H 0 0 70 0 0 30 0 0 80 191 15 2 4 1 0 80 2 5 0 0 2 <0 0 5 <0 0 5 0 0 10 0 0 30 0 0 2 0 0 0 2—神钢(日)US—5 2 1H( 4 0 ) +PF5 0 00 0 70 0 0 2 0 0 10 0 131 0 82 4 4 1 0 80 2 70 11<0 0 5 <0 0 5 0 0 30 0 0 2 0 0 0 10 0 0 2—表4 熔敷金属力学性能(进行70 5℃×2 6h焊后热处理)数据来源常温力学性能高温力学性能σ0 2(MPa)σb(MPa)δ5(% )ψ(% )4 5 2℃4 82℃σ0 2(MPa)σb(MPa)σ0 2(MPa)σb(MPa)神钢(日)CMA—10 6H 4 85 6 10 2 4 74 395 4 85 36 0 4 4 5神钢(日)US—5 2 1H( 4 0 ) +PF5 0 04 4 0 5 90 2 874 370 4 6 0 36 0 4 5 0表5 在相同工况下,使用不同Cr-Mo钢时,同一台反应器的重量和壁厚的比较材料85 4°F(4 5 4℃) 90 0°F(4 82℃)许用应力(MPa)重量(t)壁厚(mm)许用应力(MPa)重量(t)壁厚(mm)2 2 5Cr- 1Mo 15 0 10 0 0 30 91171330 4 0 32 2 5Cr-Mo - 0 2 5V 16 990 0 2 7316 3930 2 84 注:此台模型反应器的技术规格如下:反应器内径: 44 0 0mm ;壳体长度2 2m ;按ASMEⅧ-2分篇设计,设计压力:19 61MPa。 根据表1～5的数据可以看出,2 2 5Cr - 1Mo -0 2 5V钢主要是在2 2 5Cr - 1Mo钢的基础上,加入了合金元素钒。钒在该钢中起到了两方面的作用:(1)提高钢的淬硬性;(2 )钒是强碳化物形成元素,进一步提高了钢的高温蠕变强度和组织稳定性,从而使2 2 5Cr - 1Mo - 0 2 5V钢与2 2 5Cr - 1Mo钢相比,具有更高的强度和可使用温度,保证其在相同的工艺参数下可获得更好的综合效益。 3 焊接性试验当前我国加氢装置主要以进口钢材(主要是钢板)进行国产化的制造。本企业在工艺技术开发超前的指导思想下对2 2 5Cr - 1Mo - 0 2 5V新钢种进行了全面试验研究。其中焊接性试验是以引进国外2 2 5Cr - 1Mo - 0 2 5V钢板并配用国外焊材(焊条CMA10 6H ,焊丝US - 5 2 1H ,焊剂PF5 0 0 )为基础进行的。其中以下的焊条电弧焊都采用日本神钢公司CMA10 6H( 4 0 )焊条,焊接参数:I =170±10A ;U=2 4±2V ;v =15 0±10mm/min。通过4种试验方法来综合确定该钢焊接时防止冷裂纹产生的预热温度,以此 作为制定手工电弧焊和埋弧自动焊焊接工艺的主要依据。为验证该钢的再热裂纹敏感性,采用再热裂纹(SR裂纹)试验方法进行了再热裂纹敏感性的评定试验。31 焊接热影响区最高硬度试验按照GB4 6 75 5—84《焊接热影响区最高硬度试验》进行试验。选用以上的焊条和规范,试板规格2 0 0mm×12 0mm×2 0mm ,分别在室温、预热15 0、2 0 0、2 5 0℃条件下进行试验,每种条件分别焊接两块试件,焊后自然冷却,放置12h后取样,做宏观金相 检测,硬度的检测结果见表6。焊接热影响区产生冷裂纹的倾向与此区域金属的硬度有一定的关系。国际焊接协会(IIW)相关标准认为,对于一般碳钢和低合金钢热影响区金属的最高硬度值超过35 0HV、对于一般调质低合金钢热影响区金属的最高硬度值超过390HV就应采取预热措施,以防止焊接冷裂纹的发生。根据试验的硬度测定结果(见表6 ) ,室温条件表6 2 2 5Cr- 1Mo - 0 2 5V钢在不同预热温度下焊条电弧焊的热影响区硬度值试样编号预热温度(℃)硬度值(HV10 )1室温2 6 0 ,2 6 4 ,2 5 3△,30 9,373,394 ,4 0 9,387 ,4 0 9,397,383,314 ,2 6 2 △,2 5 8,2 6 42室温2 5 6 ,2 6 0 ,2 5 8△,2 90 ,35 1,387,4 0 4 ,380 ,396 ,383,35 7,30 2 ,2 5 4 △,2 5 6 ,2 6 4315 0 2 6 6 ,2 6 4 ,2 5 3△,30 2 ,36 0 ,35 7,386 ,35 7 ,383,36 0 ,333,30 2 ,2 5 3△,2 5 4 ,2 5 84 15 0 2 6 4 ,2 6 4 ,2 5 1△,30 4 ,347,373,387,36 0 ,373,345 ,319,2 92 ,2 6 4 △,2 5 4 ,2 6 05 2 0 0 2 5 1,2 6 0 ,2 5 8△,30 2 ,336 ,36 3,383,35 7 ,373,35 7,342 ,30 2 ,2 5 1△,2 5 6 ,2 5 46 2 0 0 2 5 3,2 5 3,2 5 4 △,30 9,348,35 4 ,36 0 ,35 7 ,383,36 6 ,345 ,2 92 ,2 4 3△,2 4 5 ,2 5 47 2 5 0 2 5 6 ,2 5 1,2 5 8△,2 89,339,35 7,36 7,342 ,36 0 ,35 1,330 ,2 72 ,2 4 5 △,2 4 9,2 5 682 5 0 2 5 6 ,2 5 4 ,2 4 7△,314 ,333,35 4 ,36 0 ,35 7 ,36 6 ,35 7,2 4 5 ,2 92 ,2 5 3△,2 5 3,2 5 6 注:1、“ ”为检测线与熔合线底部切点处的硬度值;“Δ”为热影响区与母材的分界处。2、热影响区、母材 区每间隔1mm打一点硬度(热影响区取9点、母材区两侧各取3点)。下焊接热影响区的最高硬度达到40 9HV ,随着预热温度的提高,最高硬度值逐渐降低;预热15 0℃和2 0 0℃的结果相近,其最高硬度下降为387HV。3 2 斜Y型坡口焊接裂纹试验该试验主要用于评定焊缝及热影响区冷裂纹敏感性。该试验方法拘束条件比较苛刻且试验方便,是最常用的一种评定冷裂纹敏感性的试验方法。试验按照GB4 6 75 1—84《斜Y型坡口焊接裂纹试验》进行。选用以上的焊条和规范
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