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摘要：根据施工现场的实际情况，针对中合金耐热钢炉管焊接的难点和质量要求，特采用小电流、短电弧和适当的焊接速度的施工方法。成功的完成了P9材质炉管的焊接工作。
关键词：合金钢；P9；炉管；焊接
中图分类号：P755.1 文献标识码：A
0 前言
某10万吨/年催化重整装置（搬迁）工程中的F2201(四合一加热炉)炉管因需给介质加热到较高温度，所以特采用ASTM A213 T9材质。T9材质属于中合金耐热钢，可焊接性较差，易出现裂纹，近似于国外P9，其公称成分为9Cr-1Mo。在该项施工中，采用氩电联焊的焊接方法，焊前采取预热，焊接过程中保持热输入参数，严格控制层间温度，焊后及时热处理，成功地实现了T9材质炉管的现场焊接，确保了工程进度和焊接质量。以下简要介绍该焊接工艺，仅供交流参考。
1 T9材质焊接性分析
施工中炉管材质为ASTM A213 T9，其规格为φ73.0×7.01。其化学成分如下，见表1：
表1 T9耐热钢化学成分
级别 成分 其他元素
C Mn P≤ S≤ Si Cr Mo Ti V≥
T9 ≤0.15 0.30～0.60 0.025 0.025 0.25～1.00 8.00～10.00 0.90～1.10 … … …
比较普通碳钢（比如20#）与T9化学成分，其焊接性问题主要有：
（1）焊接时如果冷却速度较大则易形成淬硬组织，焊接接头脆性增大。在有较大的拘束应力时，常导致裂纹，焊接前需预热。由于二次硬化元素的影响，在焊后热处理过程中也有再热裂纹倾向，应采取防止再热裂纹的措施。
（2）焊接温度规范对中合金耐热钢焊接的成败起着关键的作用。为了防止冷裂纹和高硬度区的形成，预热200℃～300℃是必要的。焊接过程中焊接层间温度控制在230℃以上，以防止裂纹的出现。焊后应立即对焊件进行720～780℃温度范围内回火处理。
2 焊接工艺
2.1焊接方法的选择
该项施工中炉管尺寸为φ73.0×7.01，其接头形式为对接接头。由于淬硬和裂纹倾向较高，要选用低氢的焊接方法防止焊接缺陷的产生，所以焊接方法上选择钨极氩弧焊与手工电弧焊相结合的方法，且采用低氢碱性药皮焊条。
2.2 焊材选择
焊材的正确选择是焊接成功的充分前提，中合金耐热钢焊接材料的选择一般有两种方案。
（1）选用高铬镍奥氏体焊材，即异种焊材。
采用高铬镍确实是防止中合金耐热钢焊接接通热影响区裂纹的有效措施，其优点有：工艺简单，焊前无需预热，焊后可不做热处理。
但设备的运行经验表明，这种异种钢接头在高温下长期工作时，由于铬镍钢焊缝金属的线膨胀系数与中合金耐热钢有较大的差别，接头始终受到较高的热应力作用，加上异种钢接头界面存在高硬度区，最终将导致接头的提前失效。
（2）与母材合金成分基本相同的中合金耐热钢焊材。
中合金耐热钢焊材的选用原则是，在保证焊接接头具有与母材相当的高温蠕变强度和抗氧化性的前提下改善其焊接性。首先，为保证接头的高温强度，焊缝金属必须含有与母材相当的铬和钼的含量。但在焊材中，铬的含量不宜过高。因为铬能与碳，铁等形成复杂的碳化物（FeCr）3C,对钢的焊接性产生不利影响，提高钢的空淬倾向。所以，可选用带有铌，钒和钛等元素的焊材对铬钼钢进行渗合金，这些元素能形成高度稳定的碳化物，在电弧短时的热周期作用下，这些碳化物来不及溶解于固溶体中，从而使奥氏体内碳含量降低。随之过冷能力减弱，促使其在较高的温度下分节成珠光体型组织，因而提高了焊缝金属的韧性和抗裂性。
所以，根据方案二选用ER80S-B8焊丝与R707焊条，焊丝与焊条的成分下表2。
表2焊材化学成分
焊材名称 成分 标准号
C Mn S、P Si Cr Mo Ni V
ER80S-B8 ≤0.10 0.40～0.70 ≤0.025 0.50 8.00～10.50 0.80～1.10 ≤0.50 0.15～0.25 SFA-5.28
R707 ≤0.15 0.50～1.00 ≤0.035 ≤0.50 8.50～10.00 0.70～1.00 … … GB/T 983
E9Mo-15
2.3 坡口形式及尺寸
坡口采用V形坡口，其形式如图1所示。壁厚δ=7.01mm，坡口角度为α=60°±5°，对口间隙为C=1～2mm，钝边P=1±0.5mm。采用砂轮机打磨加工坡口。
图1对接焊坡口形式及尺寸
2.4 焊接工艺参数
焊接施工时，采用下表规范参数，见下表3。
表3P9材质炉管焊接工艺参数
焊接方法 焊材型号 焊接电流
I/A 焊接电压
U/V 极性 焊接速度
(cm/min) 线能量
(kj/cm)
GTAW E80S-B8 80~100 20~21 DCEN 4~6 ≤31.5
SMAW R707 80~110 21~24 DCEP 10~12 ≤15.8
SMAW R707 80~110 21~24 DCEP 10~12 ≤15.8
3 焊接施工要点
3.1 焊前准备
（1）焊口组对前，用钢丝刷或砂轮机清理坡口及其20mm范围内的母材表面，使其不得有油漆、毛刺、氧化皮和铁锈及其它对焊接有害的物质。
（2）焊在180°急弯弯管上的两根炉管的两端应齐平，长短相差不应大于2 mm。
3.2 焊前预热
（1）炉管和管件施焊时，应根据规范要求进行预热。具体预热参数见表4。
表4炉管、管件焊接预热温度
材 质 预热温度（℃） 备注
1Cr9Mo 250～350 当焊接环境温度小于0℃时，预热温度取上限
（2）预热方法采用电加热法，预热升温应缓慢而均匀，防止局部过热。
（3）预热范围以对口中心线为基准，两侧各不小于100mm的区域。
3.3 组对、焊接
（1）焊缝全部采用钨极氩弧焊打底，内部充氩保护，手工电弧焊填充、盖面。
（2）炉管与管件的焊接，除炉内组对焊接外，宜在胎具上进行。焊件对中后，应均匀点焊，点焊处不应有裂纹等缺陷。
（3）焊接铬钼钢材质的焊口时，达到预热温度后立即进行底层焊道的焊接，且应一次连续焊完。底层焊道完成后，立即进行下一层的焊接，且应连续焊完。
（4）多层焊接时，层间温度应等于或略高于预热温度。每层焊接接头处应错开。
（5）焊接时应在坡口内引弧，严禁在非焊接部位引弧。铬钼钢管及管件表面不得有电弧擦伤等缺陷。
3.3 焊后热处理
（1）进行焊后热处理的焊口焊完后，应立即进行焊后热处理，否则采取后热、缓冷等措施，后热温度为300℃，恒温30分钟。
（2）焊后热处理参数见下表5，
表5焊后热处理参数
参数 内容
升温速度 升温过程中对300℃以下可不控制
升温至300℃后，升温速度应50-200℃/h
热处理温度 钢号 温度(℃)
1Cr9Mo 765±15
恒温时间 1h
冷却速度 恒温后的冷却速度应50-250℃/h
300℃以下自然冷却
（3）热处理后，对焊缝、热影响区及其附近母材分别抽检表面布氏硬度，抽检数量应100%，炉管热处理后焊缝的布氏硬度值HB≤母材硬度+100，但不得大于300。
4 焊接质量标准与检验
4.1 质量标准
SH3085-1997《石油化工管式炉碳钢和铬钼钢炉管焊接技术条件》；
SH/T3520-2004《石油化工铬钼耐热钢焊接规程》；
JB4730-2005《承压设备无损检测》。
4.2 质量保证措施
（1）焊接前要制定工艺试验方案，进行焊接工艺评定，并依据工艺评定进行现场试焊，然后确定现场焊接作业指导书。
（2）焊工应经培训考试合格后，方能上岗。
（3）焊材的贮存、保管、烘干及发放要符合质量体系中的管理规定。
（4）焊机及氩气瓶上的计量器具必须在校验周期内，指示准确。氩气纯度要达到99.99%以上。
（5）严格执行工序交接检查制度，不合格部位必须处理后，方能进行下道工序施工。
4.3 质量检验
（1）焊接完毕后对焊缝进行外观检查。
（2）射线检测。合格等级不低于JB4730-2005的Ⅱ级要求。超声检测合格等級为Ⅰ级。着色检测合格等级为Ⅰ级。a.无损检测应在热处理24小时后进行。
(3)返修采用原焊接工艺进行焊接，预热取预热温度的上限。a.经无损检测发现的不合格焊缝必须进行返修。
5 结论
（1）采用与母材合金成分基本相同的中合金耐热钢焊材,氩电联焊的焊接方法，焊接质量稳定，操作方便，适合现场施焊环境条件。
（2）在确定焊接方法及工艺参数时，应以工艺试验及评定为基础。施焊过程中，必须保证预热温度和焊缝层间温度，采用焊接工艺参数施焊。
（3）采用本文确定的焊接工艺措施，达到了无损检测一次合格率达100%，取得了良好的经济效益，保证了工程的顺利投产。
参考文献：
［1］中国机械工程学会焊接学会 编.焊工手册(第2卷 材料的焊接).第2版.北京:机械工业出版社,2001.8
［2］朱玉义 主编.焊工实用技术手册.南京：江苏科学技术出版社,1991.1
关键词：合金钢；P9；炉管；焊接
中图分类号：P755.1 文献标识码：A
0 前言
某10万吨/年催化重整装置（搬迁）工程中的F2201(四合一加热炉)炉管因需给介质加热到较高温度，所以特采用ASTM A213 T9材质。T9材质属于中合金耐热钢，可焊接性较差，易出现裂纹，近似于国外P9，其公称成分为9Cr-1Mo。在该项施工中，采用氩电联焊的焊接方法，焊前采取预热，焊接过程中保持热输入参数，严格控制层间温度，焊后及时热处理，成功地实现了T9材质炉管的现场焊接，确保了工程进度和焊接质量。以下简要介绍该焊接工艺，仅供交流参考。
1 T9材质焊接性分析
施工中炉管材质为ASTM A213 T9，其规格为φ73.0×7.01。其化学成分如下，见表1：
表1 T9耐热钢化学成分
级别 成分 其他元素
C Mn P≤ S≤ Si Cr Mo Ti V≥
T9 ≤0.15 0.30～0.60 0.025 0.025 0.25～1.00 8.00～10.00 0.90～1.10 … … …
比较普通碳钢（比如20#）与T9化学成分，其焊接性问题主要有：
（1）焊接时如果冷却速度较大则易形成淬硬组织，焊接接头脆性增大。在有较大的拘束应力时，常导致裂纹，焊接前需预热。由于二次硬化元素的影响，在焊后热处理过程中也有再热裂纹倾向，应采取防止再热裂纹的措施。
（2）焊接温度规范对中合金耐热钢焊接的成败起着关键的作用。为了防止冷裂纹和高硬度区的形成，预热200℃～300℃是必要的。焊接过程中焊接层间温度控制在230℃以上，以防止裂纹的出现。焊后应立即对焊件进行720～780℃温度范围内回火处理。
2 焊接工艺
2.1焊接方法的选择
该项施工中炉管尺寸为φ73.0×7.01，其接头形式为对接接头。由于淬硬和裂纹倾向较高，要选用低氢的焊接方法防止焊接缺陷的产生，所以焊接方法上选择钨极氩弧焊与手工电弧焊相结合的方法，且采用低氢碱性药皮焊条。
2.2 焊材选择
焊材的正确选择是焊接成功的充分前提，中合金耐热钢焊接材料的选择一般有两种方案。
（1）选用高铬镍奥氏体焊材，即异种焊材。
采用高铬镍确实是防止中合金耐热钢焊接接通热影响区裂纹的有效措施，其优点有：工艺简单，焊前无需预热，焊后可不做热处理。
但设备的运行经验表明，这种异种钢接头在高温下长期工作时，由于铬镍钢焊缝金属的线膨胀系数与中合金耐热钢有较大的差别，接头始终受到较高的热应力作用，加上异种钢接头界面存在高硬度区，最终将导致接头的提前失效。
（2）与母材合金成分基本相同的中合金耐热钢焊材。
中合金耐热钢焊材的选用原则是，在保证焊接接头具有与母材相当的高温蠕变强度和抗氧化性的前提下改善其焊接性。首先，为保证接头的高温强度，焊缝金属必须含有与母材相当的铬和钼的含量。但在焊材中，铬的含量不宜过高。因为铬能与碳，铁等形成复杂的碳化物（FeCr）3C,对钢的焊接性产生不利影响，提高钢的空淬倾向。所以，可选用带有铌，钒和钛等元素的焊材对铬钼钢进行渗合金，这些元素能形成高度稳定的碳化物，在电弧短时的热周期作用下，这些碳化物来不及溶解于固溶体中，从而使奥氏体内碳含量降低。随之过冷能力减弱，促使其在较高的温度下分节成珠光体型组织，因而提高了焊缝金属的韧性和抗裂性。
所以，根据方案二选用ER80S-B8焊丝与R707焊条，焊丝与焊条的成分下表2。
表2焊材化学成分
焊材名称 成分 标准号
C Mn S、P Si Cr Mo Ni V
ER80S-B8 ≤0.10 0.40～0.70 ≤0.025 0.50 8.00～10.50 0.80～1.10 ≤0.50 0.15～0.25 SFA-5.28
R707 ≤0.15 0.50～1.00 ≤0.035 ≤0.50 8.50～10.00 0.70～1.00 … … GB/T 983
E9Mo-15
2.3 坡口形式及尺寸
坡口采用V形坡口，其形式如图1所示。壁厚δ=7.01mm，坡口角度为α=60°±5°，对口间隙为C=1～2mm，钝边P=1±0.5mm。采用砂轮机打磨加工坡口。
图1对接焊坡口形式及尺寸
2.4 焊接工艺参数
焊接施工时，采用下表规范参数，见下表3。
表3P9材质炉管焊接工艺参数
焊接方法 焊材型号 焊接电流
I/A 焊接电压
U/V 极性 焊接速度
(cm/min) 线能量
(kj/cm)
GTAW E80S-B8 80~100 20~21 DCEN 4~6 ≤31.5
SMAW R707 80~110 21~24 DCEP 10~12 ≤15.8
SMAW R707 80~110 21~24 DCEP 10~12 ≤15.8
3 焊接施工要点
3.1 焊前准备
（1）焊口组对前，用钢丝刷或砂轮机清理坡口及其20mm范围内的母材表面，使其不得有油漆、毛刺、氧化皮和铁锈及其它对焊接有害的物质。
（2）焊在180°急弯弯管上的两根炉管的两端应齐平，长短相差不应大于2 mm。
3.2 焊前预热
（1）炉管和管件施焊时，应根据规范要求进行预热。具体预热参数见表4。
表4炉管、管件焊接预热温度
材 质 预热温度（℃） 备注
1Cr9Mo 250～350 当焊接环境温度小于0℃时，预热温度取上限
（2）预热方法采用电加热法，预热升温应缓慢而均匀，防止局部过热。
（3）预热范围以对口中心线为基准，两侧各不小于100mm的区域。
3.3 组对、焊接
（1）焊缝全部采用钨极氩弧焊打底，内部充氩保护，手工电弧焊填充、盖面。
（2）炉管与管件的焊接，除炉内组对焊接外，宜在胎具上进行。焊件对中后，应均匀点焊，点焊处不应有裂纹等缺陷。
（3）焊接铬钼钢材质的焊口时，达到预热温度后立即进行底层焊道的焊接，且应一次连续焊完。底层焊道完成后，立即进行下一层的焊接，且应连续焊完。
（4）多层焊接时，层间温度应等于或略高于预热温度。每层焊接接头处应错开。
（5）焊接时应在坡口内引弧，严禁在非焊接部位引弧。铬钼钢管及管件表面不得有电弧擦伤等缺陷。
3.3 焊后热处理
（1）进行焊后热处理的焊口焊完后，应立即进行焊后热处理，否则采取后热、缓冷等措施，后热温度为300℃，恒温30分钟。
（2）焊后热处理参数见下表5，
表5焊后热处理参数
参数 内容
升温速度 升温过程中对300℃以下可不控制
升温至300℃后，升温速度应50-200℃/h
热处理温度 钢号 温度(℃)
1Cr9Mo 765±15
恒温时间 1h
冷却速度 恒温后的冷却速度应50-250℃/h
300℃以下自然冷却
（3）热处理后，对焊缝、热影响区及其附近母材分别抽检表面布氏硬度，抽检数量应100%，炉管热处理后焊缝的布氏硬度值HB≤母材硬度+100，但不得大于300。
4 焊接质量标准与检验
4.1 质量标准
SH3085-1997《石油化工管式炉碳钢和铬钼钢炉管焊接技术条件》；
SH/T3520-2004《石油化工铬钼耐热钢焊接规程》；
JB4730-2005《承压设备无损检测》。
4.2 质量保证措施
（1）焊接前要制定工艺试验方案，进行焊接工艺评定，并依据工艺评定进行现场试焊，然后确定现场焊接作业指导书。
（2）焊工应经培训考试合格后，方能上岗。
（3）焊材的贮存、保管、烘干及发放要符合质量体系中的管理规定。
（4）焊机及氩气瓶上的计量器具必须在校验周期内，指示准确。氩气纯度要达到99.99%以上。
（5）严格执行工序交接检查制度，不合格部位必须处理后，方能进行下道工序施工。
4.3 质量检验
（1）焊接完毕后对焊缝进行外观检查。
（2）射线检测。合格等级不低于JB4730-2005的Ⅱ级要求。超声检测合格等級为Ⅰ级。着色检测合格等级为Ⅰ级。a.无损检测应在热处理24小时后进行。
(3)返修采用原焊接工艺进行焊接，预热取预热温度的上限。a.经无损检测发现的不合格焊缝必须进行返修。
5 结论
（1）采用与母材合金成分基本相同的中合金耐热钢焊材,氩电联焊的焊接方法，焊接质量稳定，操作方便，适合现场施焊环境条件。
（2）在确定焊接方法及工艺参数时，应以工艺试验及评定为基础。施焊过程中，必须保证预热温度和焊缝层间温度，采用焊接工艺参数施焊。
（3）采用本文确定的焊接工艺措施，达到了无损检测一次合格率达100%，取得了良好的经济效益，保证了工程的顺利投产。
参考文献：
［1］中国机械工程学会焊接学会 编.焊工手册(第2卷 材料的焊接).第2版.北京:机械工业出版社,2001.8
［2］朱玉义 主编.焊工实用技术手册.南京：江苏科学技术出版社,1991.1