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1、15CrMoG耐热钢管道焊接施工工法 1 前 言耐热钢中以珠光体铬钼耐热钢应用最广，因为这类钢一般适用于350-550之间，同时，这类钢的合金元素含量相对较少，一般都属于低合金钢的范畴，因为合金钢是在碳钢中加入少量的合金元素，钢的性能就发生了变化，就得到了碳钢所没有的性能，即耐高温、抗氧化、抗蠕化和良好的持久强度,由于合金元素小于3.5%，所以称作低合金，简称合金钢。它的耐热性和强度均超过不锈钢，但是价格比不锈钢便宜得多，适用于在各种高温高压条件下工作的介质管道。例如在攀钢煤化工厂外线工艺管道施工项目中，该工程管道27311共1200米，其设计温度为480，设计压力为5.5Mpa，并且管道材质
2、为15CrMoG耐热合金钢，这类高温高压的特殊材质管道以前我公司未施工过,所以还没有完善和成熟的施工工艺及经验可以借鉴。由于合金钢的化学成分和性能与碳素钢、不锈钢存在较大的区别，所以施工15CrMoG耐热合金钢的焊接工艺及步骤都比碳素钢、不锈钢要求更高，也更严格和复杂。因此掌握此项新技术、新工艺中所有技术参数是具有较大的技术难题。为了保证焊接质量，公司成立了专题攻关技术小组，开展科技创新，取得了“15CrMoG耐热钢管道焊接技术”这一新成果，并且该技术于2006年通过攀钢冶金技术有限公司（原攀冶建公司）科技质量部组织的科技成果鉴定，获公司科技进步一等奖；在2007年4月全国冶金施工系统QC成果
3、发布会上获得二等奖。该技术填补了我公司在15CrMoG耐热合金钢焊接技术方面的空白，优化了生产工艺，提高了劳动生产率，保证了焊接质量，为公司创造了良好的社会效益和经济效益。2 工法特点2.1由于15CrMoG钢中含有较高含量的Cr、C和其它合金元素，钢材的淬硬倾向较明显，焊接接头淬硬倾向大，可能出现冷裂纹,因此15CrMoG钢焊接时，焊接材料的选择和严格的工艺措施，对于防止焊缝产生裂纹，保证管道使用性能至关重要。所以15CrMoG耐热合金钢与碳素钢、不锈钢等管道相比不管从施工工艺还是施工时所使用的工机具要求都更高，也更复杂。因此通过本工法的实施,使我公司的管道施工综合能力得到很大的提高,填补了
4、我公司在15CrMoG耐热合金钢安装技术方面的空白，优化了生产工艺，提高了劳动生产率，保证了焊接质量，为公司创造良好的社会效益。更为今后公司施工同类管道奠定了坚实的基础，提高了市场竞争能力。2.2本工法贯彻实施后，使我公司得以熟练掌握15CrMoG材质高温高压蒸汽管道的打磨、预热、焊接、层间温度、焊后缓冷、焊缝及管道的热处理等所有工序及每个工序的具体要求及相关参数。为今后公司施工同类合金管道将起到较大的指导作用。3 适用范围适用于管道介质在10MPa、550以下的15CrMoG材质或同类型材质的高温、高压蒸汽管道或其它介质管道的焊接。4工艺原理为了保证耐热钢具有较好的高温强度和高温抗氧化性能,
5、要加入一定量的Cr和Mo,但含有Cr和Mo的钢焊后在空气中冷却时,具有明显的淬硬倾向,焊缝和热影响区出现硬而脆的马氏体组织,不仅影响焊接接头的力学性能,而且引起很大的内应力,容易产生裂纹。耐热钢焊缝及热影响区的淬硬倾向主要和以下因素有关：Cr和C的含量越多,硬化越严重；焊件越厚,截面积越大（也就是焊件的刚性越大）硬化越严重；焊件不预热或预热温度过低（特别在冬季施焊时）硬化越严重;焊接时的线能量越小,硬化越严重。此外，焊缝中扩散氢的含量较高也是导致15CrMoG耐热钢焊缝或热影响区产生裂纹的重要原因。为保证焊接质量，在焊接时必须选用碱性低氢型焊条，严格按技术要求进行预热，保持层间温度、焊后缓冷并
6、及时进行热处理等工艺措施。5 施工工艺流程及操作要点15CrMoG耐热合金钢之所以能在一定的高温(350-550)下长期稳定的工作,是因为它具有比一般低碳钢更好的高温力学性能和高温抗氧化性能, 因为普通碳素钢在高温时，不仅强度低，而且会发生氧化，温度越高，氧化越严重。而氧化铁很粗疏，因而导致氧化过程不断向钢材内部进行，加速钢材的破坏。如果在钢中加入铬（Cr），则由于铬（Cr）和氧（O）的亲和力比铁（Fe）与氧（O）的亲和力大，高温时，在金属表面首先形成氧化铬，致密的氧化烙在金属表面形成一层保护膜；因而能防止内部金属受到氧化。但是由于15CrMoG钢中含有较高含量的Cr、C和其它合金元素，钢材的
7、淬硬倾向较明显，焊接性差。15CrMoG钢的化学成分如下：C：0.16%，Si：0.27%，Mn：0.55%，Cr：0.95%，Mo：0.50%，S0.40%，P0.035%，其碳当量（按国际焊接协会11W）推荐的公式： CeqCMn/6（CrMoV）/5（NiCu）/150.545% 根据经验：当Ceq0.4%时，焊接接头淬硬倾向大，可能出现冷裂纹，而15CrMoG钢的碳当量Ceq值已达0.545%，故15CrMoG钢的淬硬倾向大，焊接性差，因此15CrMoG钢焊接时，焊接材料的选择和制定严格的焊接工艺措施，对于防止裂纹，保证使用性能至关重要。5.1 施工工艺流程施工准备焊接工艺评定焊接材料
8、验收及复检管道预制管道预热150-200焊缝探伤检测管 道 试 压管 道 焊 接管道吹扫、试运行管道管支架安装焊接材料烘烤焊缝热处理焊缝硬度检测管道防腐、保温检查补偿器的预拉伸不合格不合格5.2 操作要点5.2.1 焊接工艺评定1.焊接材料的选择 针对15CrMoG钢的焊接特点及材质性能表，参照国家相关规范上的焊接工艺要求，我们选择了两种方案进行焊接试验。 方案：焊接预热，采用焊丝PP.TIG-R30，规格为2.5的焊丝手工钨极氩弧焊打底。采用牌号为CHH307（如图5.2.1-2）、规格为3.2350的焊条电弧焊盖面。焊后进行局部热处理。 方案：采用ER80S-B2L焊丝，规格为2.5的焊丝
9、手工钨极氩弧焊打底，采用牌号为E309Mo-16、规格为3.2焊条填充电弧焊盖面，焊后不进行热处理。焊丝和焊条的化学成分及力学性能见表5.2.1-1。 表5.2.1-1 焊接材料的化学成分和力学性能型 号CMnSiCrNiMoSPb/Mpa5/%PP.TIG-R300.0590.850.581.270.540.0040.01555031CHH3070.0720.660.401.2300.4660.0100.01658524ER80S-B2L0.050.70.41.20.150.50.0200.0250025E309Mo-160.100.620.923132.00.0250.03550252.焊
10、前准备试件采用15CrMoG钢管,规格为27311，坡口型式及尺寸见图5.2.1-3。焊前用角向磨光机将坡口内外及坡口边缘50mm范围内打磨至露出金属光泽，然后用丙酮清洗干净。试件为水平固定位置，对口间隙为3-3.5mm，采用手工钨极氩弧焊沿圆周均匀点焊六处，每处点固长度不小于20mm。焊条按表5.2.1-2的规范进行烘烤。焊接接头：对接 详图： 坡口形式： c衬垫h=60p=1.5-2 b=3-3.5 p =11 b 图5.2.1-3注：第一层为手工氩弧焊；第二、三、四层为手工电弧焊表5.2.1-2 焊条烘烤规范焊条型号 烘烤温度保温时间CHH307350 2hE309Mo-16 150 1
11、.5h3.焊接工艺参数的选择 按方案焊前需进行预热，根据计算预热温度公式： To=350C-0.25（） （5.2.1-1） 式中，To预热温度，。 C=Cx+Cp Cp=0.005SCx Cx=C+（Mn+Cr）/9+Ni/18+7Mo/90 式中， Cx成分碳当量； Cp尺寸碳当量； S试件厚度（本文中S=11mm） Cx=C+（Mn+Cr）/9+7/90Mo=0.361 Cp=0.045 则To=138 因此预热温度选为150。采用氧-乙炔火焰对试件进行加温，用测温仪判断试件表面的温度，测量点至少应选择三点，以保证试件整体均达到所要求的预热温度150。焊接时，第一层采用手工钨极氩弧焊打底
12、，为避免仰焊处焊缝背面产生凹陷，送丝时采用内填丝法，即焊丝通过对口间隙从管内送入。其余各层采用焊条电弧焊，共焊4层，每个焊层一条焊道。方案和方案的焊接工艺参数见表5.2.1-3、4。表5.2.1-3 方案的焊接工艺参数焊道名称焊接方法焊接材料焊材规格/mm焊接电流/A电弧电压/V预热及层间温度热处理规范打底层钨板氩弧焊PP.TIG-R302.511023填充层焊条电弧焊CHH3073.290-11022-25150-200715/75min盖面层焊条电弧焊CHH3073.290-11022-25表5.2.1-4 方案的焊接工艺参数焊道名称焊接方法焊接材料焊材规格/mm焊接电流/A电弧电压/V预
13、热及层间温度热处理规范打底层钨板氩弧焊ER80S-B2L2.511012填充层焊条电弧焊E309Mo-163.2100-12022-24盖面层焊条电弧焊E309Mo-163.2100-12022-24按方案焊接时，层间温度不低于150，为防止中断焊接而引起试件的降温，焊接过程中随时用测温仪检查试件焊缝表面的温度，并且施焊时最好由二名焊工交替操作，焊后立即采取保温缓冷措施。4.焊后热处理 采用方案焊接的试件，焊后立即进行局部高温回火处理。根据国家规范技术要求及反复试验总结出热处理的工艺为：升温速度为200/h，升到715保温1小时15分钟，降温速度100/h，降到300后空冷。具体采用电加热器包绕焊缝，用硅酸铝棉层保温，保温层厚度50mm，温度控制采用电加热器自动控温仪控制。5.焊接工艺评定试验结果 试件焊后按JB/T4730.2-2005承压设备无损检测及GB50236-98现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范标准进行100%的X射线照相检验，焊缝级合格。按JB4708钢制压力容器焊接工艺评定及GB50236-98现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范标准进行焊接力学性能评定试验。试件评定结果见表5.2.1-5及图5.2.1-9。表5.2.1-5
