15CrMo钢用于余热锅炉进口烟道的焊接工艺评定试验研究

龙昌茂，张婉云，陶兴南

（1.广西机电职业技术学院，广西 南宁 530007；2.广西建工集团第二安装公司，广西 柳州 545026）

0 前言

利用工业余热（如烧结、冶炼、热能发电等产生的余热）进行发电自用和他用，这是热能再利用或二次应用的一条重要途径，余热发电不仅会产生巨大的经济和社会效益，还可减少对空气和环境的污染（除尘、降温、废渣再利用等）。因此，早在上世纪90年代，国内就有企业引进技术工业余热发电的例子。进入21世纪，广西柳钢利用烧锅厂的余热也自主设计和安装了2万千伏安成套余热发电装置。

余热锅炉进口烟道是2万千伏安成套发电装置的重要组成部分，原选用10 mm16Hu钢和φ4.0 mmJ506（E5016）焊条焊接而成，在使用过程中，因烟道内壁产生严重磨损和腐蚀及水平管严重变形等，在使用约1.7年（即20.4个月）后，致使进口烟道失效破坏。经初步分析和论证后，在其结构形式和技术参数不改变的条件下，决定采用10 mm15CrMo钢和φ4.0 mmR307（E5515-B2）焊条进行进口烟道的制造，同时要求其使用寿命达到5年以上。

15CrMo钢用于余热锅炉进口烟道的制造必须要完成三大工作任务，即焊接工艺试验与评定，分段烟道的焊接生产及烟道的组装和安装。本文仅介绍焊接工艺试验与评定的情况。

1 余热锅炉进口烟道的结构特点及技术参数

结构形式和使用条件是影响焊接性的主要因素，故分析和了解进口烟道的结构特点和技术参数是十分重要的。

1.1 结构特点

余热锅炉进口烟道的直径为φ4 200 mm，水平管长19 500 mm，垂直管长9 800 mm，两者用焊接弯管连接。因此，烟道具有几何尺寸大和结构自身重（约为 3.6 t）的特点。

烟道由13节管组成，每节管由两块卷钢板拼杆而成，部分管与管之间还用膨胀节（起到调节热胀冷缩的作用）连接，即共有对接环缝6条，对接纵缝26条，角焊缝5条。因此，烟道结构具有焊缝数量多和长度长的特点。

1.2 技术参数

（1）介质为热空气，风量为 3.8 × 104cm3/h，风压为-800Poc（真空）。

（2）热空气中含有少量的烧结细矿物粉尘。

（3）烟道内温度为320～550℃。

（4）进口烟道使用寿命设计值为5年。

2 焊接工艺评定试验的目的及项目

15CrMo钢虽然是定期的具有良好性能的低合金高强度耐热钢，但要用于大型结构和工况条件苛刻的余热锅炉进口烟道的制造，对其进行焊接工艺评定试验也是十分必要的。

2.1 试验目的

（1）通过焊接工艺试验，对15CrMo钢用于余热锅炉进口烟道的焊接性优劣作出评定（当然要考虑到结构特点和使用条件，即技术参数对焊接性的影响）。

（2）从不同焊接工艺参数条件下的全面性能试验结果中，筛选出最优化焊接工艺方案，为制定正确的焊接工艺文件提供依据，以指导和规范15CrMo钢用于进口烟道的焊接。

目前余热锅炉进口烟道的设计（含材料、结构和焊接工艺等）尚无统一标准，故15CrMo钢用于进口烟道的焊接工艺，可为其它企业的类似余热锅炉进口烟道的焊接生产提供借鉴和参考。

2.2 试验项目

（1）10mm15CrMo钢和 φ4.0mmR307 焊条在高温条件下的理化性能试验[1]。

（2）不同焊接电流和层间温度条件下的焊接接头理化性能试验[1]。

（3）不同预热温度条件的15CrMo钢抗裂性能试验。

3 焊接工艺评定试验及结果[2]

各项性能试验所采用的10mm15CrMo钢和φ4.0 mmR307焊条均为同一批号的合格产品。在焊接前，R307焊条须经250℃烘焙，随炉冷却至40℃，随用随取。所有试验，如试板焊制、试样加工和理化性能测试等，都按相关标准进行。

3.1 15CrMo钢理化性能试验结果

10mm15CrMo钢的化学成分，见表1所列，因其含有0.91%Cr和0.47%Mo，故该钢种具有良好的高温力学性能，表2所列为15CrMo钢在550℃*8h条件下的力学性能。

表1 10mm 15C rMo钢化学成分（质量分数%）

表2 10mm 15C rMo钢力学性能

3.2 R307焊条熔敷金属理化性能试验结果

R307（E5515-B2）焊条是铬钼珠光作耐热钢焊条，15CrMo钢配合专用焊条。10 mm15CrMo的焊接钢采用 R30焊丝（φ2.5 mm）和 R307焊条（φ3.2 mm和φ4.0 mm），层间温度约为150℃，其他参数按照“表6”进行，每道参数焊接3层，其熔敷金属的理化性能，分别见表3和表4所列。

表3 R30焊丝、R307焊条熔敷金属化学成分（质量分数%）

表4 R30焊丝、R307焊条熔敷金属力性能

3.3 焊接接头理化性能试验结果

对接接头试板为10 mm15CrMo钢，其尺寸为10*150*400 mm（厚*宽*长），共4块（即两付对接板）。单边坡口角度为30°，钝边2 mm。

采用手工钨极氩弧焊打底（R30焊丝，φ2.5 mm），焊条手工电弧焊填充、盖面焊接（R307焊条，φ3.2 mm 和 φ4.0 mm），焊前烘焙 250 ℃*2 h，焊接工艺参数分A、B两组，即焊接电流和层间温度分别为100 A*100℃、110 A*100℃、165 A*100℃、155 A*100℃和130 A*200℃、175 A*200℃、160 A*200℃。具体参数如表5、6所示。

表5 A组焊接工艺参数

表6 B组焊接工艺参数

在焊固定焊缝时，预先给试板一定的反变形量，试板焊接好进行进行550℃*8 h热处理。然后取样进行理化实验分析。

焊接接头理化性能试验用试样的取样位置如图1所示，并按有关标准加工试样。

图1 取样位置示意图

不同焊接工艺参数条件下，焊接接头理化性能试验结果如下：

（1）焊缝金属化学成分分析结果，见表7所列。

表7 焊缝金属化学成分（质量分数%）

（2）焊缝金属拉伸试验结果，见表8所列。

表8 焊缝金属力学性能

（3）焊接接头V型缺口冲出试验结果，见表9所列。

表9 V型缺口冲击值（J）

（4）斜Y形坡口焊接裂纹试验结果

试验按CB4675.1-84要求进行，主要考核15Cr-Mo钢焊接热影响区和R307焊缝金属对冷裂纹的敏感性。

试件尺寸见图2所示，试验焊缝的坡口形式如图2的A-A剖面，拘束焊缝的坡口形式如图2的BB剖面，试验焊缝在对接上头试件的中部，两端为拘束焊缝。

图2 斜Y形坡口裂纹试验用试件图

采用φ4.0 mmR307焊条在不预热情况下，施焊拘束焊缝（先正面，后反面，注意预留反变形量）焊接电流为160 A。

待拘束焊缝冷却至室温后，即可焊接试验焊缝，其焊接工艺参数分两组，均按照上面“表2”进行。

第一组焊接时需对试件进行焊前预热（预热温度为100℃），焊后取3个试样。

第二组焊接时不需对试件进行焊前预热，焊后取3个试样。

每个试件焊一道试验焊缝，并在48 h后解剖检查焊缝表面，焊根和接头断面的裂纹情况。

检查结果表明：第一组预热100℃的3个试样未发现任何形式的焊接裂纹；第二组不预热的3个试样，每个试样在引弧端的根部均有一条约6 mm长的焊接裂纹，而其它部位未发现裂纹。

4 焊接性评定及焊接工艺制定

4.1 焊接性评定

根据前面各项试验结果，可归纳为：

（1）母材和焊缝中C含量及S、P含量均较低，含金元素总含量也低，且都具有良好的综合力学性能（参见表 1～4）。

（2）熔敷金属和焊缝金属在设计不同的焊接工艺参数条件下（主要是焊接电流和层间温度不同），其力学性能变化不大，都具有较高的高温强度（参见表 4、表 6）。

（3）在不同工艺条件下和经过高温时效处理后，焊接接头的焊缝、熔合区和热影响区的V型缺口冲击性都具有较高水平（参见表7），即具有较高的韧性水平。

（4）在不预热条件下，由于斜Y形对接接头的拘束度大，即刚性比实际结构大，根部尖角处会产生较大应力集中，故产生了焊接冷裂纹，但裂纹率均小于10%。

鉴于此，15CrMo钢用于余热锅炉进口烟道的制造，会具有良好的焊接性。

4.2 焊接工艺的制定

焊接工艺参数适用于10 mm15CrMo钢用于余热锅炉进口烟道的焊接生产。

（1）对接接头（含纵缝和环缝），V型坡口，单边角度30°，钝边2 mm，装配间隙2 mm。

（2）在焊接固定焊缝前，先对母材进行清理，以去除表面水份、油污、铁锈等杂质。

（3）焊接工艺参数为：钨极氩弧焊电流100～110 A，φ3.2 mm 焊条焊接电流 110 ～ 130 A，φ4.0 mm 焊条焊接电流150～180 A，层间温度100～200℃，焊前不预热。

（4）焊接顺序是先手工钨极氩弧焊打底，然后焊条手工电弧焊填充、盖面。为减少应力集中和结构变形，可采取分段倒退焊和对称焊等方法。

（5）采用超声波探伤方法，对所有纵缝和环缝进行检查，以确定是否有些裂纹存在。

（6）如果发现焊缝存在冷裂纹等缺陷，必须采用碳弧气刨方法予以清除，然后进行补焊，其工艺与正式焊缝一样要求，同一处补焊不能超两次。

5 结论

（1）母材和焊缝中的C、S、P含量均较低，且合金元素量也低，在不同工艺条件下，焊接接头具有良好综合力学性能，还有良好的V型缺口冲击韧性抗裂性等。这些足以说明15CrMo钢在一定工艺条件下具有良好的焊接性。

（2）母材和焊缝在高温（55℃）条件下，具有较高的强度、塑性和韧性，完全可以满足15CrMo和R307焊条用于余热锅记进口烟道焊接结构的使用要求的。

（3）根据焊接工艺评定试验结果，而制定的焊接工艺参数，可指导15CrMo钢用于余热锅记进口烟道的焊接生产，也可供该钢种用于类似结构焊接作参考。