12Cr1MoV+35CrMo 焊缝裂纹原因分析

2021-01-24李为然虞启义

科技创新与应用 2021年4期

关键词：氩弧焊法兰热处理

李为然，虞启义

（中国联合工程有限公司，浙江杭州 310052）

1 概述

随着电力工业的快速发展，为了提高电力系统耐用性、持久性，降低投资，电厂系统采用的钢材不断更新换代，使用异种钢焊接不停增多。为此，对焊接、预热和热处理的施工方法和流程提出了更高的要求。

12Cr1MoV 和中碳钢35CrMo 焊接在电厂管道焊接中经常使用，但在实际焊接中频频出现裂纹，在一些小型电厂施工特别突出，严重影响项目进度及质量，同时也为电厂蒸汽管道泄漏事故埋下重大隐患。

2 问题缘由

某化工厂的自备电厂地处福建沿海，场地为吹砂填海而成，设计规模为3x240t/h 高温高压循环硫化床锅炉配套2 台25MW 背压式汽轮发电机，该自备电厂的供热蒸汽参数为 4.30MPa(g)，420℃，管道选用 12Cr1MoV，速关逆止阀的连接法兰材质为35CrMo。该蒸汽管道为自备电厂向下游供气的主管道，一旦发泄漏易，直接影响下游供气，损失极大。但在管道与法兰连接处，焊接过程中或焊后多次发生焊接裂，具体详见图1。

该焊接接头经过几次返修后，仍未有效解决。经查核连接法兰35CrMo 及管道材质均符合国家相关标准，为合格产品。

3 问题分析

通过分析另几个项目，类似管道材质及阀门法兰的焊接，亦存在失败的案例，但未找出产生的原因和合适工艺，以彻底消除裂纹。因此，有必要通过人机料法环等各个条件进行排查和分析。

图1

3.1 人员分析

针对该化工自备电站的焊接，根据国家规范[1]要求，焊接人员均取得了国家认可的资格证，并经过现场培训和现场焊接测试合格后才进行现场相关的焊接操作，由此直接焊接此类异种钢的人员资质符合要求。

但热处理操作人员是没有取得热处理证的临时工，现场短期培训就上岗操作。但由该人员热处理的12Cr1MoV+12Cr1MoV 管道焊口硬度却都是符合要求，因此热处理人员到底是否为产生裂纹的原因需要进一步深入探究。

3.2 设备分析

表1 12Cr1MoV 化学成分

表2 35CrMo 化学成分

表3 焊接参数

焊接设备和热处理设备均有出厂合格证，经测试各项指标均符合国家标准，消除了设备产生裂纹的因素。

3.3 材质分析

根据规范要求，对现场所有的合金钢管道、管件进行了光谱分析复核，材质及力学性能均为符合要求。具体成分参数见表1、表2，力学性能如下：

12Cr1MoV 力学性能：

抗拉强度：≥490MPa

屈服强度：≥245MPa

断后伸长率：≥22%

断面收缩率：≥50%

冲击功：≥71J

35CrMo 力学性能：

抗拉强度 σb（MPa)：≥985(100）

屈服强度 σs（MPa）：≥835（85）

伸长率 δ5（%）：≥12

断面收缩率 ψ（%）：≥45

冲击功 Akv（J）：≥63

冲击韧性值 αkv（J/cm2）：≥78（8）

硬度：≤229HB

从以上的材质分析和力学性能上来看，12Cr1MoV 和35CrMo 的可焊性比较好，可基本确定裂纹问题并非材质问题造成的。从上述相关的管道、管件质量报告中也能确认这两种钢材的质量是合格，亦可以焊接。

3.4 施工方法分析

蒸汽管道和速关逆止阀连接法兰接口规格为φ273x8，根据DLT869-2012《火力发电厂焊接技术规程》[1]中的要求，焊口两侧需打磨成V 形坡口。焊接12Cr1MoV和中碳钢35CrMo 异种钢时，选用[2-3]的是焊丝为TIGR31 及焊条为E5515-B2-V（R317）。焊接时，采用钨极氩弧焊打底和手工电弧焊盖面的方法。

焊接参数如表3。

但在实际实施中，焊接接头采用最后固定焊接，法兰与阀体用螺栓先连接固定。因法兰端部长度短、坡度大，焊前无法对法兰侧进行预热，仅对管道侧进行了预热。

根据以上工艺进行了四次焊接，前两次在焊接过程中并没有发现裂纹。焊接完毕，等待半天或者一天后，才对焊口进行回火热处理。待热处理温度冷却后，进行射线无损探伤，发现底片上有较多裂纹，清晰可见，最长的可达150mm；而后两次焊接，在氩弧焊打底时就发生了裂纹，后经打磨处理再次焊接，仍然产生裂纹，后多次处理焊接，仍无法消除。

通过现场分析，初步认为产生裂纹的原因如下：

（1）预热时，履带加热器绑扎不规范。

（2）热处理与焊接完毕之间的时间间隔太长。

（3）硅酸铝针刺毯保温不规范。

3.5 环境分析

该项目临近海边，焊接施工过程中湿度、温度及风速将对焊接结果可能影响比较大，为此有必要进一步分析。

湿度：经分析项目其他地方有该材质焊接成功的案例，故可排除了潮湿造成产生裂纹的原因。

温度：该项目地处福建，施工环境温度在5℃以上，并不会对此类合金钢焊接产生影响。

风速：焊接过程在厂房内焊接，风速比较小，消除了风速对焊接接头产生影响。

因此，通过上述一系列分析，初步认为产生裂纹的原因主要是人员、预热和热处理环节：

（1）热处理人员没有进行相关培训，缺乏的操作经验。

表4 焊接参数表

（2）法兰侧没有进行预热。

（3）焊接完毕后与热处理时间间隔太长。

4 解决问题

根据上述原因，重新调整焊接工艺：在平台上组合焊接，先采用法兰与管道短节焊接在一起，然后再与阀门、管道安装连接，调整熟悉焊接操作的焊接人员，并进行相关热处理设备。

按DL/T 819-2010《火力发电厂焊接热处理技术规程》中的要求[1]，采用柔性陶瓷电阻加热，将焊口两侧的管道和法兰都绑扎履带式加热器，并采用完好的硅酸铝针刺毯将履带式加热器包裹起来并绑扎牢固。后用硅酸铝针刺毯将整个法兰包裹起来并绑扎牢固，这有助于保证管道和法兰的预热温度快速上升。

焊接前控制预热温度为200～300℃，当采用钨极氩弧焊打底时，按下限温度降低50℃预热，过程中始终控制温度在150℃以上（也可在200℃以上）。热处理操作人员要始终监控热处理设备参数，并随时与焊接人员保持联系，若出现温度下降至150℃以下，应该立即停止焊接。

在预热温度没有达到150℃之前，先对焊口进行点焊固定，发现所有焊点都产生了裂纹。待预热温度达到150℃后，把所有的固定焊点清理至没有裂纹为止，然后开始采用氩弧焊开始焊接。施焊过程中，采用手持式测温枪定时、分区、多点对焊口进行测温，测温时主要是测量坡口钝边处的温度，确保达到150℃上方可焊接。在精确、双重操控之下，打底层再没有出现裂纹。其焊丝采用TIG-R31。具体焊接参数见表4。

打底结束后，反复检查确认没有裂纹后，采用氩弧焊填充盖面。焊接完毕后，再次持手电筒轮流检查，仍然未发生裂纹，因此证明此方法可以满足上述焊接要求。

在确认没有裂纹后，立即拆除预热履带式加热器，改换成热处理履带式加热器，并将热电偶和硅酸铝针刺毯也绑扎固定牢固。

按规范要求[1]，管径/壁厚>15，项目采用柔性陶电阻加热进行热处理，加热宽度从焊缝中心起每侧为200mm。焊接热处理的保温宽度从焊缝中心算起，每侧比加热宽度增加了150mm，保温厚度为60mm。考虑管道外径为273mm，采用1 个热电偶。

热处理操作人员确认绑扎合格后，立即对焊口进行热处理。焊接完毕与焊后回火热处理之间不再有时间间隔。

热处理完毕后，经射线无损探伤，确认此焊口为一级合格，无裂纹，成功效果明显。