管道15NiCuNb5焊接技术大会二等奖Word文档下载推荐.docx
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操作温度/℃
出口360/进口962
出口400/进口470
314
设计压力/Mpa
管程:
3.73
壳程:
11.33
3.44
12.29
主体材质
13CrMo44,δ=40
15NiCuMoNb5,δ=47
13CrMo44,δ=22
15NiCuMoNb5,δ=32
15NiCuMoNb5,δ=58
2.2工程特点
（1）焊接难度大，表现在管材与焊材都为进口新材质；
没有现成的焊接工艺及经验，需通过摸索试验才能有把握；
焊工要专门培训，另外，焊接结构复杂，接管为不规则形状（有的呈“虾须”状）；
变形与应力较难掌握；
焊接质量要求高，返修的次数不能多，以免出现裂纹；
特别是10a~10e五条上升直管的拘束度大，焊接时要采作一定措施，才能避免焊接时裂纹的产生。
（2）上升直管的探伤，因管规格为Ф508×
30，X探伤不好实施，需采用γ射线，这增加探伤的难度及要求焊接一次性合格率高。
2.3材料情况
2.3.1管子材料特性
接管的材质全部为15NiCuMoNb5，规格与设备各管口对应。
设备各管口情况如表2。
管子15NiCuMoNb5为低合金热强结构钢，耐热性能好，在高温有良好抗蠕变能力和持久强度，其化学成分及机械性能见表3及表4。
表2设备管口数量材质规格
接管编号
数量
材质
10a
1
13CrMo44
Φ168.3×
7.1
10b~10e
4
15NiCuMoNb5
Φ508×
30
10f~10h
3
Φ219×
11a、11b
2
11c~11h
6
Φ273×
8.8
11j~11k
Φ219.1×
表3管子15NiCuMoNb5化学成分
元素
C
Si
Mn
S
P
Cu
Cr
Ni
Mo
Nb
含量
0.15
0.31
1.10
0.002
0.007
0.66
0.27
1.17
0.36
0.022
表415NiCuMoNb5机械性能（常温）
σb/Mpa
σs/Mpa
δ,%
αk/J.cm-2
0℃
20℃
580~740
430
18~20
39~47
50~60
2.3.2焊接材料特性
焊接材料为随设备配套进口的焊条Shschwar23K及焊丝DMO-IG，其化学成分及机械性能见表5及表6两者都为含Mo的焊条和焊丝，主要用于锅炉压力容器和反应器的焊接。
它的熔敷金属韧性高，时效稳定性也高，焊条的含氢量低（≤5ml/100g），在高达500℃时仍有较好的高温稳定性。
表5焊条焊丝化学成分（%）
种类
直径/mm
焊丝DMO-IG
0.11
0.58
1.16
0.005
0.009
0.55
—
焊条Shschwar23K
3.25
0.064
0.058
0.32
0.25
1.18
0.004
0.014
0.011
0.43
0.47
0.03
0.05
0.07
表6焊条焊丝机械性能
Akv
570~720
＞480
＞23
＞47
627
618
514
535
25.6
24.6
115.190.135
164.194.215
3管子15NiCuMoNb5的可焊性分析
管子15NiCuMoNb5是德国耐热钢的新钢种，类似我国低合金耐热钢中的Mn-Ni-Mo类别，可焊性较好，但15NiCuMoNb5钢中加进了一定量的Cu，增加钢的抗氧化性及抗腐蚀能力，同时增加了裂纹的可能性，特别是再热裂纹。
因此在焊接上除了注意防止冷裂纹外，还要注意防止热处理时的再热裂纹的产生。
3.1淬硬性分析
钢的淬硬性越大，可焊性就越差。
淬硬性在理论上与常用钢材的碳当量（CEN）来衡量。
根据经验公式计算15NiCuMoNb5钢的CEN
CEN=C+A（C）[Si/24+Mn/6+Cu/15+Ni/20+（Cr+Mo+V+Nb）/5+5B]
式中：
A（C）为碳的适应系数，当C=0.15%A（C）=0.910
则CEN=0.15+0.91[0.31/24+1.1/6+0.66/15+1.17/20+（0.22+0.36+0.022）/5]=0.53
一般,CEN≤0.4%时，焊接性良好；
CEN＞0.4%~0.6%属易淬硬钢。
从计算结果看，该钢种有一定的淬硬性倾向。
3.2裂纹的敏感性
一般，对裂纹敏感性用钢材冷裂纹敏感系数来衡量，根据日本伊藤和别索的研究公式：
Pcm=C+Si/30+（Mn+Cr+Cu）/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B
该钢冷裂纹敏感系数为：
Pcm=0.15+0.31/30+（11+0.22+0.66）/20+1.17/60+0.36/15=0.30
根据经验，Pcm＞0.25时对裂纹敏感性就明显，焊接时就要采取预热及后热等措施。
冷裂纹的敏感性还与焊件的厚度及焊缝金属中扩散氢含量有关，裂纹敏感指数Pc考虑了二者的影响，公式为：
Pc=Pcm+h/600+H/60
h—焊件厚度；
H—焊缝扩散氢含量。
一般认为，Pc＞0.4钢材对裂纹是敏感的，而Pc＞0.35时，焊接就要预热。
该钢的Pc值为：
Pc=0.30+30/600+5/60=0.433
而预热温度：
Ty=1440Pc-392=1440×
0.433-392=232（℃）
3.2.1再热裂纹敏感性
再热裂纹可用经验公式：
PSR=Cr+Cu+2Mo+10V+7Nb+5Ti-2（%）
作为考核指标，当PSR≥0时易发生再热裂纹，该钢PSR为：
PSR=0.22+0.66+2×
0.36+7×
0.022-2=-0.246＜0
可见，从化学成分看，再热裂纹的敏感性还不很明显。
但再热裂纹的产生还与拘束度及残余应力集中有关，从结构图及壁厚看，该设备5条上升直管的拘束度很大，焊接时的残余应力也较大，且PSR已接近零。
因此，焊接时要注意预热，线能量控制，减少应力集中，且热处理后还应进行射线探伤检查。
3.2.2热裂纹敏感性
一般热裂纹不会在低合金钢中发生。
本文稍微简单分析，用英国winkinson等人提出的考核指标公式分析：
C（S+P+Si/25+Ni/100）×
103
H.C.S=
2Mn+Cr+Mo+V
当H.C.S＜3.6时，不会产生热裂纹。
该钢的H.C.S为：
0.15（0.002+0.007+0.31/25+1.17/100）×
H.C.S==1.77＜3.6
2×
1.1
可见，该钢不会产生热裂纹。
4焊接工艺试验及焊工培训
4.1焊接工艺试验
根据接管的规格，选择了φ580×
30及φ219×
7.1两种规格的管子进行工艺试验。
为保证根部质量，采用了氩弧焊打底，手工焊盖面的方法进行焊接，焊前预热，焊后热处理，并参照JB4708-92《钢制压力容器焊接工艺评定》的要求进行检验，得出结果如表7。
从检验结果看出：
焊接接头的机械性能在母材要求范围内，评定合格φ219×
7.1管子的工艺试验也得到合格结果。
把通过试验合格的工艺规范和技术参数用到焊工培训和工程焊接中。
表7φ580×
30焊接试验检验结果
X光探伤
弯曲
Akv（常温）
HB
HA2
焊缝
7片I级
624.619
四件侧弯
242,222
160,180
186
255
1片II级
（断于焊缝）
500无裂纹
228,253
190,213
4.2焊工培训
焊工培训采用了工程所用的管材及焊材，焊接方法用氩弧焊打底，电焊盖面；
对11名焊工进行垂直固定及水平固定二种位置的培训，并按《锅炉压力容器焊工考试规则》的要求对焊工进行考试，结果有9人取得焊接合格证。
从焊工培训中我们得到了一些该钢管的焊接经验。
1）打底焊间隙在2~2.5mm时背面凸出成型良好。
2）铁水流动性差，垂直固定焊时上坡口容易夹渣，焊工需要注意焊道夹角不得太深，操作时焊条后摆角不宜过大。
3）焊条操作容易出现密集气孔，这是引弧或再引弧粘弧造成的。
因为该焊条有明显引弧剂，引弧剂有较强电离作用，引弧时电流加大，有些焊工来不及压低电弧从而产生气孔。
再引弧时无引弧剂，电流不加大，容易粘死脱落药皮，造成气孔。
5坡口
5.1坡口
焊接坡口对φ508×
30的管口用双级V型形式,见图2以减少焊缝宽度,其它管口采用V型坡口见图3。
图2管子坡图
图3其它规格管子坡口图
5.2组对
组对前要对坡口进行打磨干净及着色检查。
组对时采用管箍进行组对，按图2、图3的间隙要求，控制错边量符合要求并保证能焊透的情况下夹紧管子，用风焊加热点焊位置达到250℃再用氩弧焊进行点焊，点焊厚度约定2～４mm,点3～4处。
然后松开管箍。
加热焊接，注意焊透。
φ508×
30管口即10b～10e组对时，管子上管口组对后，焊接各中下管口时用管箍限定，预留间隙为1～1.5mm即可，上管口焊接收缩后可使间隙增大达到组成要求，由于管子厚度大坡口深，焊嘴伸不进，适当增大其间隙为3～4mm。
5.3焊接工艺规范
所有管口采用氩弧焊打底，电弧盖面。
预热参照工艺试验得出温度，考虑现场拘束度，提高20~30℃，加热全部采用电加热，预热温度为250~260℃，层间温度不小于250℃，工艺参数见表8，焊条进行350℃×
1h烘干。
表8焊接工艺参数
层
方法
焊材
电流/A
电压/V
氩气
电源极性
TiG
DMO-IGΦ2
950~125
12~13
8~10
直正
其它
SMAW
Shschwar23Kφ3.25
Φ4
100~130
130~160
22~24
26~27
直反
5.4焊接主要要求
1）打底焊时多加丝，保证焊层厚度，收弧要填满弧坑，点焊缝两端要打磨坡度，焊接时要检查根部的焊透情况，出现缺陷要及时采取措施。
2）确保引弧一次成功，再引弧的接头及粘弧部位要打磨；
操作时电弧长度保持稳定，短弧焊接，减少气孔。
3）上升管（10a~10e）5根管口同时焊接，因于位置限制先用9个焊工同时对称焊上管口（10a小管一人焊接），焊下管口时，因于设备结构刚性大，管壁厚度大，除要与5根管同时焊接外，在焊接过程中5根管子的上焊缝也采取同时加温的方法，加温温度控制在300℃以下，以减小拘束度。
为防止根部拉裂，第一层厚度保证在2.5mm以上，并连续焊第二层，一个管口用两个焊工同时对称焊接。
4）其余“虾须”管的上、下焊口同时焊接使焊接收缩能较均匀分布，使焊接应力分布较均衡。
5）焊接时一定要有防风雨的措施，每个管口焊接中间不能中断，焊接完成后马上进行350℃×
1h的消氢处理。
5.5焊后探伤
5.5.1探伤方法
由于5根上升管有再热裂纹倾向，在热处理后进行射线探伤（X射线），若有返修，返修合格后再进行热处理，热处理合格后再用超声波及磁粉探伤。
其余的管口在热处理前探伤，所有管口都为100%探伤。
5.5.2探伤结果
通过射线探伤检查，结果是18根管的51道口拍301张片，返修片30张，一次合格率高，效果较好，特别是φ508×
30的上升管只出现一处夹渣，说明难度最大的焊缝质量有保证，通过返修，所有焊缝合格。
6焊后热处理
6.1热处理温度确定
对于低合金耐热钢，焊后热处理的目的不仅是消除焊接残余应力，而且更重要的改善组织，提高接头的综合力学性能，包括接头的高温蠕变强度和组织稳定性，降低焊缝及热影响区硬度。
因此，确定热处理温度要注意起到改善近焊缝区组织的效果，把焊接应力降低到尽可能低，还要避免通过或加热时尽快通过再热裂纹敏感的温度区间。
再热裂纹产生再热的升温过程中，存在一个最易产生再热裂纹的敏感温度，一般在500~700℃，依材质不同而异。
再热裂纹的产生还与在敏感温度内加热停留时间长短有关，一般呈：
“C”型曲线（见图4）。
从参考资料推荐15NiCuMoNb5钢的热处理温度在530~620
℃之间，从C型曲线看到在580℃以下停留时间对再热裂纹的影响不明显，因此，恒温的温度为580℃±
20℃，为了最大限度消除残余应力，恒温时间可适当延长，但应考虑对抗力强度降低的影响。
6.2热处理工艺曲线
15NiCuMoNb5热处理工艺曲线如图5，φ508×
30恒温时间为1.5h,其余为1h。
图4再热温度对应力松驰时产生裂纹时间的影响图515NiCuMoNb5热处理工艺曲线
6.3热处理结果
在51道口的热处理中，有49道口热处理后硬度检查都合格，只有两个口出现了问题。
热处理后探伤也未发现裂纹。
6.4热处理中出现的问题
6.4.1出现状况
在对上升管10a（φ168.3×
6.3）上下口热处理时，该管在近焊缝处（上焊缝80mm、下焊缝100mm）涨大变形，变形状况如图6。
出现鼓包后，我们对鼓包处进行直径、金相、硬度等检查，数据如表9从检查结果看，管子的组织正常，硬度正常，只是厚度变厚，直径涨大。
6.4.2变形原因
1）经验不足，对管子膨胀的问题考虑不充分，没有把10a管的热处理与四根Ф508×
30的直管一起做；
且10a管上、下管口同时热处理和加热长度太长（每管口200mm以上）。
使加热面积过宽，膨胀量过多，造成变形。
表9鼓包处检查情况
厚度/mm
硬度/HB
金相
上鼓包
173.7~174.1
6.3~6.6
155（平均）
铁素体+珠光体+碳化物
下鼓包
174.6~175.8
6.5~6.8
158（平均）
图610a上升管涨大变形状况
2）10a管受热时管子本应处于拉应力状态，管子膨胀伸长，但由于H1251和D1251间四根Ф508×
30的直管焊后固定，刚性很大，10a管伸长而四根管没有伸长，使10a管伸长受到限制，超出其极限，冷却时无法恢复原状，产生塑性变形。
3）热处理温度太高（680℃，按接口另一端3CrMo44热处理温度进行）及恒温时间较长（1.5h），使强度下降。
6.4.3修复方法
从上面的检查各项数据来看，除了外观偏大，外观不合格外，其它方面没有出现异常，同时，焊后消除应力热处理680℃，处理没有超过原材料供货时调质状态的回火温度（580℃～680℃），管子的力学性能不会改变，从鼓包处检查的硬度值（HB153、HB158）与原管子未使用前抽查的硬度值（HB123）相比，可看出强度没有降低。
另外，如果单独更换此管焊接难度很大，拉裂的可能性很大，且材料紧缺。
经研究，决定对10a管进行拉直的复原处理。
6.4.4修复过程
修复是使鼓包消肿，管子拉直，但也要保证力学性能合格。
10a管的涨大是由四根Ф508×
30大管的刚性引起，因而修复也利用四根大管受热膨胀伸长把10a管子拉直。
经过对膨胀量等方面的理论计算及推测，采用如下做法：
10a管子只加热涨大两处，加热宽度每处60～80mm，加热温度为600～650℃，四根大管全长（776mm）加热，加热温度为400～450℃，大管在小管加温2h后开始加热，加热曲线如图7。
温度℃
60010a管加热曲线
500≤100℃/h
100℃/h四根大管加热曲线
300
200℃
100直升直升打开观察
1357911h（时间）
图7加热曲线
6.4.5修复结果
上鼓包在加热一次后，外观基本达到要求，而下鼓包由于涨大较厉害而要加热三次后才达到要求。
修复后对原鼓包地方进行外径、厚度、硬度、金相和探伤等检查，结果如表10。
上、下鼓包加热修复后，有可能出现强度下降，要通过硬度检查来进行效验。
从质保书得出原管子在20℃时抗拉强度为669Mpa，原管子的硬度为HB149.5，计算出强度与硬度的比值K=669/149.5=4.475。
从而得出修复后上、下鼓包的强度为693Mpa，630Mpa在母材标准范围内。
因此，强度满足要求。
表1010a管子修复后检查数据
外径/mm
硬度/mm
探伤
170.2~171
组织与晶粒度同修复前
磁粉探伤未发现缺陷
169.2~170
141（平均）
结论
满足要求
合格
正常
I级、合格
7结论
1）管子15NiCuMoNb5是一种可焊性较好的低合金耐热钢，配用DMO-IG焊丝及Shschwar23k焊条可获得满意接头。
接头没有再热裂纹倾向。
2）Shschwar23k焊条操作时易出现密集气孔，操作时焊工要有熟练技术和经验。
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