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(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川德陽 618000)

0 引言

某公司承制的大型加氫反應器，主體材料主要為2.25Cr-1Mo-0.25V。在制造過程中，筒體之間環(huán)縫及筒體與封頭之間連接焊縫多采用焊后消氫處理來替代中間消應熱處理，此做法均參考了國外的技術參數(shù)，但從未深入研究過2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊接接頭內部擴散氫的分布狀態(tài)及最佳的后熱消氫工藝。

本次試驗正是對上述問題開展的基礎研究。對厚度150 mm的2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊縫在不同后熱狀態(tài)下、不同部位的擴散氫含量進行檢測，得到不同后熱工藝狀態(tài)下擴散氫的變化規(guī)律及最佳的焊后消氫工藝。

1 試驗要求

按照預定試驗方案開展系列試驗。試驗過程中采用的試板為某公司生產的2.25Cr-1Mo-0.25V鍛件，試驗中涉及的鍛件均由同一批號的試板加工而成，試驗中采用的焊材也均為同一廠家、同一批號的焊材。

試驗共進行7組(A，B，C，D，E，F(xiàn)，G)不同后熱狀態(tài)下的試板焊接，每組試驗焊接試板厚度150 mm，長度600 mm。7組試板焊前預熱溫度、焊接規(guī)范參數(shù)、分割、入爐時間、出爐入水冷卻時間均相同，焊后按照預定的工藝步驟進行固氫、試樣制備、擴散氫測量。其各組試板的后熱要求及說明如表1所示。

表1 A～G組試板不同后熱狀態(tài)的工藝要求及說明

圖1 中間消應熱處理工藝曲線

2 擴散氫試樣的制備及固氫過程

2.1 試板組對

每種狀態(tài)下的試板組對情況如圖2所示。在焊接完成后較短時間內，快速從中間位置將焊接試板分割為2部分，一部分用來進行擴散氫的測量；另一部進行其他試驗研究。

圖2 每組試板組對后的平面圖

2.2 試板坡口形式

試驗中為了模擬產品的真實情況，設定其坡口形狀為U形，考慮到單邊焊接時的變形，坡口最寬處為30 mm。

2.3 擴散氫取樣位置

對于每組不同狀態(tài)下的試板，分別在不同的位置取9個擴散氫試樣，試樣尺寸為5 mm×15 mm×50 mm，質量32 g。第1件擴散氫試樣的上表面位置距焊縫上表面3 mm；第2件擴散氫試樣的上表面位置距焊縫上表面14 mm；第3件擴散氫試樣的上表面位置距焊縫上表面30 mm，其他試樣的位置如圖3所示。

圖3 擴散氫取樣位置分布

2.4 試板的焊接

試板焊接時，采用SAW方法，焊材為日本生產的US-521H/PF500，焊絲直徑?4.0 mm。焊前按工藝要求對焊材進行烘干，試板焊接時的預熱溫度不得低于150 ℃，焊接層間溫度不得大于250 ℃。具體焊接規(guī)范參數(shù)見表2。

表2 試板焊接規(guī)范參數(shù)

2.5 試板固氫冷卻

對于A組試板，氣割結束后，快速將2件試板吊入裝有水+冰的水箱中進行冷卻。冷卻過程中不斷添加CO2干冰，以更好地冷卻試板。徹底冷卻后，將試板吊入預先備有大量干冰的鐵箱子中并采取保溫措施，確保試板完全處于干冰包圍狀態(tài)。隨后，將試板轉運到切割車間制備擴散氫試樣。

圖4 制備擴散氫試樣

按照圖3進行擴散氫試樣的水切割時，試驗人員隨時測量試板溫度，不斷采用干冰來冷卻，使試板處于-10 ℃以下(溫度儀下限為-10 ℃)，確保試板在較低溫度下切割。對切割下的試樣進行編號，并立即放入液氮罐中冷卻固氫，然后當天送到試驗室，由專業(yè)人員進行擴散氫測定。

對于B～G組試板，采用類似方式進行冷卻固氫，并制備試樣，見圖4。

3 擴散氫含量測量結果

對不同后熱狀態(tài)下制備的擴散氫試塊(每組9個)進行擴散氫的檢測，參照GB/T 3965—2012 《熔敷金屬中擴散氫測定方法》(或ISO 3690：2000)中的熱導法進行試驗分析。檢測采用的儀器為德國生產的G4 Phoenix DH。該擴散氫試驗中的擴散氫試樣為純熔敷金屬，與實驗室測量焊縫擴散氫不同，此次試驗不需要按照公式進行計算，檢測的結果即為試塊擴散氫的實際數(shù)據(jù)。

通過專業(yè)人員的檢測，厚度150 mm的2.25Cr-1Mo-0.25V試板在7種不同后熱狀態(tài)下，試板不同位置的擴散氫含量數(shù)據(jù)匯總見表3。

表3 厚度150 mm的2.25Cr-1Mo-0.25V試板在不同后熱狀態(tài)下的擴散氫含量 ml/100 g

注：距離是指擴散氫試樣中心到試板背面的位置高度，誤差±1 mm

圖5示出厚度150 mm的2.25Cr-1Mo-0.25V試板不同后熱狀態(tài)下截面擴散氫含量分布曲線。

從圖5可以觀察到：

(1)焊接接頭處于焊態(tài)時，其焊縫截面的擴散氫含量相對較高(見圖5中最右邊的曲線)，其焊縫中擴散氫含量最高值為1.45 ml/100 g；

圖5 厚度150 mm的2.25Cr-1Mo-0.25V試板不同后熱狀態(tài)下截面擴散氫含量分布曲線

(2)對于相同厚度的試板，當后熱溫度變化時，其在不同位置的擴散氫含量是有差異的，當消氫溫度越高時，其整個截面焊縫的擴散氫含量逐步降低；

(3)在不同狀態(tài)下的消氫，擴散氫均在距離150 mm試板表面15～20 mm范圍最高；

(4)對于厚度150 mm的試板，當消氫溫度采用250，280，300，350 ℃時，其在厚度100 mm以下的擴散氫含量相差不大；

(5)350 ℃×2 h和350 ℃×4 h兩種狀態(tài)下的擴散氫分布基本相當，說明擴散氫與溫度有關系，與保溫時間的長短無關；只要在焊后加熱到350 ℃、保溫時間2 h即可達到消氫的目的；

(6)厚度為150 mm的試板經(jīng)過660 ℃、保溫3 h后，其焊縫中的擴散氫含量最高為0.21 ml/100 g。

4 結論

(1)在不同狀態(tài)下的消氫，擴散氫均在距離150 mm試板表面15～20 mm范圍最高；

(2)焊后消氫溫度超過300 ℃，即保證2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊接接頭擴散氫含量最大為0.75 ml/100 g，其已經(jīng)遠低于產品不大于5 ml/100 g的技術要求。