临氢21/4Cr－1Mo焊接接头的回火脆化倾向性

杨　权，赵卫君，申　雷，王兆民(哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江　哈尔滨　150046)



临氢21/4Cr－1Mo焊接接头的回火脆化倾向性

杨权，赵卫君，申雷，王兆民
(哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150046)

1/4Cr－1Mo钢在高温下具有较高的强度和抗氧化性能，并具有良好的焊接性能，广泛应用于石油化工、火电和核电行业。石油化工设备中主要采用1/4Cr－1Mo钢板作为化工设备的筒体和封头材料。研究表明［1］，铬钼钢在回火脆化后比脆化前具有更高的氢脆敏感性。回火脆化表现为韧性下降，强度和硬度并不会发生明显变化。发生回火脆化后，材料的韧脆转变温度明显升高。Guttmann等人［2－8］对发生脆化的机理和评价方法进行了研究工作，提出了磷偏聚理论模型并结合工程实践提出了评定试验方法。

铬钼钢材料发生回火脆化需要在高温条件下经过较长时间运行，一般采用等温时效处理方法或步冷试验方法对材料的回火脆化进行评定试验。等温时效法是在脆化温度范围内进行等温时效处理，等温时效法处理时间较长(一般需上千小时，甚至上万小时)。而步冷试验法可以在较短的时间内使材料发生快速回火脆化。目前国际上通常采用步冷试验法对材料进行回火脆化评定。受试验时间条件的限制，实验采用步冷试验后进行系列冲击试验的方法来评价材料的回火脆化倾向性。

1　试验材料和方法

本试验母材采用120mm厚度的1/4Cr－1Mo钢板，焊接破口采用U + V形式，V型坡口焊缝采用规格4.0mm和5.0mm的CM－A106N焊条的焊条电弧焊焊接方法，U型坡口焊缝采用US－521S埋弧焊丝配PF－200D焊剂的埋弧焊焊接方法。焊接接头的最小焊后热处理(Min.PWHT)采用温度为680～710℃保温6h的热处理制度。

本试验仅对U型坡口的埋弧焊焊缝和热影响区进行研究和分析。将最小焊后热处理后的样坯进行步冷(Step－Cooling，S.C.)热处理。步冷热处理采用CALTEX炉冷型［2，9］工艺，该工艺是在Kusuhara处理工艺［10］基础上改进而来的，即将Kusuhara处理工艺中468℃的保温时间由125h缩短为100h。步冷热处理工艺见图1。

图1　步冷(S.C.)热处理工艺

仅针对埋弧焊焊缝进行分析研究，分别从焊接试板的表面(埋弧焊焊缝)、1/2厚度(埋弧焊焊缝)和1/4厚度(埋弧焊焊缝)等三个位置取样，并分别从这四个位置的焊缝中心和热影响区切取冲击试样进行系列冲击试验。

分别对Min.PWHT状态和Min.PWHT + S.C.状态的试样进行系列冲击试验。系列冲击试验采用10×10×55mm的标准V型缺口冲击试样，采用JB－W500C型夏比冲击试验机和DWC－60型低温槽。根据系列冲击试验结果绘制Min.PWHT状态和Min.PWHT + S.C.状态的冲击吸收能量－温度曲线，并按按公式(1)计算回火脆化结果。

公式(1)中:

vTr54为经Min.PWHT后的夏比冲击能量为54焦耳时对应的转变温度，℃;

ΔvTr54为Min.PWHT加阶梯冷却后和经Min.PWHT后的夏比冲击能量为54焦耳时对应的转变温度的增量，℃。

图2　冲击试样取样位置示意图

2　试验结果

焊接接头的母材和焊缝金属的化学成分见表1。化学分析结果表明，母材和埋弧焊焊缝金属的化学成分差异不大，各元素含量基本相当。母材和焊缝的磷元素含量较低。

表1　化学成分(质量分数)

冲击吸收能量－温度曲线见图3，回火脆化计算结果见表2。试验结果表明，焊缝金属较热影响区的冲击吸收能量－温度曲线上平台平均低60J以上，并且同一位置试样在步冷前后曲线上下平台基本未发生变化。同时，焊缝金属步冷前后54J时对应的转变温度(vTr54)均维持在－60℃～－80℃之间，而热影响区步冷前后54J时对应的转变温度(vTr54)均低于－80℃。也就是说，54J时对应的转变温度(vTr54)特点是热影响区低于焊缝。按公式(1)计算后的回火脆化倾向性数值也呈现出热影响区低于焊缝的特点。从而可以看出，焊接接头同一位置试样焊缝金属与热影响区的关系是焊缝金属的回火脆化倾向性高于热影响区。

表2　回火脆化试验结果

图3　冲击吸收能量－温度曲线

3　分析与讨论

从实验结果可以看出，不同厚度处的焊缝中心的冲击吸收能量－温度曲线上平台基本处于同一温度范围，而不同厚度处的热影响区的冲击吸收能量－温度曲线上平台也基本处于同一温度范围，并且热影响区的上平台温度范围普遍较焊缝高60℃，焊接热影响区的韧性优于焊缝。同时，计算结果显示，焊缝的回火脆化倾向性较焊接热影响区高。焊缝和热影响区的回火脆化倾向性计算数值均低于－40℃，远低于一般工程标准中规定的－10℃的要求。

Guttmann认为［8］，晶界脆化的两个主要控制因素是偏聚元素的影响和力学－组织结构因素的影响。偏聚元素磷是影响材料回火脆性的主要因素，本试验中焊缝和母材的P元素含量均低于0. 005%，因此，偏聚元素的影响可以忽略不计。组织结构的影响主要是晶粒的相组成和晶粒尺寸，本试验中，焊缝组织状态为贝氏体和铁素体组织形成的等轴晶，而热影响区为粗晶，由于粗晶区的韧性优于等轴晶区，这是热影响区上平台高于

焊缝并且回火脆化倾向性焊缝高于热影响区的主要原因。

4　结语

(1)试验的焊接接头回火脆化倾向性远远低于标准规定的不大于－10℃的规定，完全满足工程标准中对回火脆化倾向性的要求。

(2)试验的焊接接头焊缝金属的回火脆化倾向性高于焊接热影响区。

(3)焊缝和热影响区在不同厚度处的韧性基本处于同一水平。

参考文献

［1］林建鸿，柳曾典，吴东棣.热壁加氢反应器运行过程中的材质劣化问题［J］.石油化工设备技术，1997，18(5):3－9.

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［3］陈国浩.大型锻件用钢的回火脆性［J］.特殊钢，1995，16(5):8－14.

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［6］斯科特［美］.2.25Cr－1Mo钢在后壁压力容器中的应用［M］.方剑藻.北京:中国石化出版社，1991.

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［8］Guttmann M.Equilibrium segregation in a ternary solution: A model for temper embrittlement［J］.Surf Sci，1975，53:213－227.

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［10］Y.kusuhara，T.Sekine，T.enami，H.Ooi.用氧气顶吹转炉－钢包精炼炉精炼的低回火脆化倾向的超低磷2. 25Cr－Mo钢板.Fourth International Conference on Pressure Vessel Technology(ICPVT－4)，1980.

摘要:采用步冷试验法对21/4Cr－1Mo钢焊接接头的回火脆化倾向性进行评定试验。结果表明，由于焊缝、焊缝金属的回火脆化倾向性，试验焊接接头焊接热影响区的韧性高于焊接热影响区。由于焊缝和母材的磷含量较低，磷偏聚对回火脆化倾向性的影响较小，而组织结构对韧性和回火脆化倾向性的影响较大。

关键词:铬钼钢;回火脆化;步冷试验;热处理

Temper Embrittlement Tendency of 21/4Cr－1Mo Steel Welding Joint in Hydrogen Atmospheret

Yang Quan，Zhao Weijun，Shen Lei，Wang Zhaomin
(Harbin Boiler Company Limited，Harbin 150046，China)

Abstract:Test study of temper embrittlement tendency for welding joint of 2Cr－1Mo steel is carried out using step cooling test method.The results show that，due to the tendency of temper embrittlement of weld metal，the toughness of the heat affected zone of test welded joint is higher than that of heat affected zone.Because the phosphorus content in the weld and base material is lower，so phosphorus segregation effect on temper embrittlement tendency is smaller，while the affect of structure on toughness and embrittlement is si gnifican.

KeyWords:Cr－Mo steel; temper embrittlement; step－cooling test; heat treatment

作者简介:杨权(1981－)，男，现从事锅炉压力容器材料的应用研究工作，工程师。

收稿日期:2015－01－22