15CrMoG高壓合金管化學成分
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牌號 |
化學成分(質量分數)(%) |
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C |
Si |
Mn |
Cr |
Mo |
Ni |
B |
V |
|
15CrMo |
0.12-0.18 |
0.17-0.37 |
0.40-0.70 |
0.80-1.10 |
0.40-0.55 |
- |
- |
- |
力學性能
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牌號 |
拉力強度MPa |
屈服點MPa |
斷后伸長率(%) |
斷面收縮率(%) |
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15CrMo |
440 |
295 |
22 |
60 |
主要標準
GB5310-1995、GB17396-1998、DIN17175-79、GB6479-2000、GB9948-88
主要用途
石油、化工、電力、鍋爐行業的耐高溫、耐低溫、耐腐蝕用 無縫鋼管
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Ф14x2 |
Ф57x3-3.5-4-5-6-7-9 |
Ф159x14-18-20-25 |
|
Ф16x3 |
Ф60.3x5-6-6.5-8-8.5-10 |
Ф159x18x8-12 |
|
Ф18x2x7.1M |
Ф73x5.2x6 |
Ф168x5-7.11 -8-10-12-18 |
|
Ф25.4x3x5 |
Ф76x4 |
Ф168.3x16-22x12M |
|
Ф28x4 |
Ф76.2x6 |
Ф194x6 |
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Ф31.8x4x12M |
Ф76.3x8-10 |
Ф193.7x8-10 |
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Ф32 x 3-4-6-8 |
Ф108-133 x 5-6-8-10-12 |
Ф323.9x10-12-13-13.5-16-17.5-20 |
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Ф38x4x7 |
Ф194x 6-8-12-20-26-38 |
Ф323.9x25x12M |
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Ф38 x 3-4-4.5-6-8 |
Ф219.1x6-8-12-18-20-26-38 |
Ф323.9x26-30-32-42 |
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Ф42x3.5-4-5-5.5-8-10 |
Ф219.1x22-25-26-30-36-38 |
Ф355.6x11-3840 |
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Ф45x4 |
Ф219.1x28x6 |
Ф355.6x36x3M |
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Ф48x4 |
Ф273x7-12-16-20-22.2-26-28-32-36 |
Ф355.6x40x1.6M |
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Ф48x5x6M |
Ф48x5.5 |
Ф323.9x1012-13-13.5-16-17.5-20 |
15CrMo鋼
15CrMo鋼是電力工業中廣泛使用的鋼種，在500℃-550℃使用具有較高的熱強性能。當使用溫度大于550℃，其熱強性能顯著降低。通常15CrMo鋼主要用于蒸汽參數為510℃的高中壓管道、導汽管，管壁溫度為550℃的熱器管等。
國外同類型鋼種，有前蘇聯的15XM，美國牌號T12、P12，日本牌號STBA22、STPA22和德國牌13CrMo44等。
15CrMo鋼正常供貨狀態的顯微組織為鐵素體加珠光體，15CrMo鋼在工作溫度500℃-550℃范圍長期運行過程中，會產生珠光體的球化、合金元素在固溶體和碳化物間的再分配及碳化物相結構的改變，15CrMo鋼的熱強性能和力學性能隨著珠光體球化程度和固溶體是合金元素貧化程度的加大而逐漸降低，以致材質漸趨劣化甚至失效。因此，長期以來15CrMo鋼組織中珠光體球化程度常被廣泛用于判定該類鋼使用可靠性的重要判據之一。
15CrMo合金管是合金碳素鋼，鋼組CrMo，序號15
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牌號 |
試樣
毛坯
尺寸
/mm |
熱處理 |
力學特性 |
鋼材退火或
高溫回火供應狀態
布氏硬度
HBS100/3000 |
用途 |
|
淬火 |
回火 |
抗拉
強度 |
屈服點 |
斷后
伸長率δ5(%) |
斷面
收縮率
ψ(%) |
沖擊
吸收功
Aku2/J |
|
第一次淬火 |
第二次淬火 |
冷卻劑 |
加熱溫度
℃ |
冷卻劑 |
|
加熱溫度℃ |
|
15CrMo |
30 |
900 |
－ |
空 |
650 |
空 |
≥: 440 |
≥: 295 |
≥: 22 |
≥: 60 |
≥: 94 |
≤: 179 |
高溫環境下使用，
并且承受一定的壓力 |
15CrMo焊接工藝
2.1 焊接材料
針對15CrMo鋼的焊接性及現場高壓管道的工作特點，根據以往的經驗，參照國外提供的焊接工藝卡，我們選擇了兩種方案進行焊接試驗。
方案Ⅰ：焊接預熱，采用ER80S-B2L焊絲，T1G焊打底，E8018-B2焊條，焊條電弧焊蓋面，焊后進行局部熱處理。
方案Ⅱ：采用ER80S-B2L焊絲，T1G焊打底，E309Mo-16焊條，焊條填充電弧焊蓋面，焊后不進行熱處理。焊絲和焊條的化學成分及力學性能見表1。
表1 焊接材料的化學成分和力學性能
型號 C Mn Si Cr Ni Mo S P δb/Mpa δ,%
ER80S-B2L≤0.05 0.70.41.2 ＜0.20.5 ≤0.025 ≤0.025 ≤500 25
E8018-B2 0.070.7 0.3 1.1 0.5 ≤0.04 ≤0.03 550 19
E309Mo-16≤0.12 0.5～2.5 0.9 22.0～25.0 12.0～14.0 2.0～3.0≤0.025≤0.035 550 25
2.2 焊前準備
試件采用15CrMo鋼管,規格為φ325×25，坡口型式及尺寸見圖1。
焊前用角向磨光機將坡口內外及坡口邊緣50mm范圍內打磨至露出金屬光澤，然后用丙酮清洗干凈。
試件為水平固定位置，對口間隙為4mm，采用手工鎢極氬弧焊沿園周均勻點焊六處，每處點固長度應不小于20mm。焊條按表2的規范進行烘烤。
表2 焊條烘烤規范
焊條型號 烘烤溫度 保溫時間
E8018-B2 300 ℃ 2h
E309Mo-16 150 ℃ 1.5h
2.3 焊接工藝參數
按方案Ⅰ焊前需進行預熱，根據Tto-Bessyo等人提出的計算預熱溫度公式：
To=350√[C]-0.25（℃） 式中，To——預熱溫度，℃。
[C]=[C]x [C]p [C]p=0.005S[C]x
[C]x=C （Mn Cr）/9 Ni/18 7Mo/90 式中，
[C]x——成分碳當量；
[C]p——尺寸碳當量； S——試件厚度（本文中S=25mm）;
[C]x=C （Mn Cr）/9 7/90Mo=0.361
[C]p=0.045 則To=138℃
因此預熱溫度選為150℃。采用氧-乙炔焰對試件進行加溫，先用測溫筆粗略判斷試件表面的的溫度（以筆跡顏色變化快慢進行估計），最后用半導體點溫計測定，測量點至少應選擇三點，以保證試件整體均達到所要求的預熱溫度。
焊接時，第一層采用手工鎢極氬弧焊打底，為避免仰焊處焊縫背面產生凹陷，送絲時采用內填絲法，即焊絲通過對口間隙從管內送入。其余各層采用焊條電弧焊，共焊6層，每個焊層一條焊道。方案Ⅰ和方案Ⅱ的焊接工藝參數見表3、4。按方案Ⅰ焊
表3 方案Ⅰ的焊接工藝參數
焊道名稱 焊接方法 焊接材料 焊材規格/mm 焊接電流/A 電弧電壓/V 預熱及層間溫度 熱處理規范
打底層 鎢板氬弧焊 ER80S-B2L φ2.4 110 12
填充層 焊條電弧焊 E8018-B2 φ3.2 5 85～90 23～25150℃ 715。×75min
蓋面層 焊條電弧焊 E8018-B2 φ3.2 5 85～90 23～25
表4 方案Ⅱ的焊接工藝參數
焊道名稱 焊接方法 焊接材料 焊材規格/mm 焊接電流/A 電弧電壓/V 預熱及層間溫度 熱處理規范
打底層 鎢板氬弧焊 ER80S-B2L φ2.4 110 12
填充層 焊條電弧焊 E309Mo-16 φ3.2 90～95 22～24 / /
蓋面層 焊條電弧焊 E309Mo-16 φ3.2 90～95 22～24
接時，層間溫度應不低于150℃，為防止中斷焊接而引起試件的降溫，施焊時應由二名焊工交替操作，焊后應立即采取保溫緩冷措施。
2.4 焊后熱處理
采用方案Ⅰ焊接的試件，焊后應進行局部高溫回火處理。熱處理的工藝為：升溫速度為200℃/h，升到715℃保溫1小時15分鐘，降溫速度100℃/h，降到300℃后空冷。具體采用JL-4型履帶式電加熱器（1146×310）包繞焊縫，用硅酸鋁棉層保溫，保溫層厚度50mm，溫度控制采用DJK-A型電加熱器自動控溫儀。
3 焊接工藝評定試驗
試件焊后按JB4730-94《壓力容器無損檢測》標準進行100%的超聲波探傷檢驗，焊縫Ⅰ級合格。按JB4708《鋼制壓力容器焊接工藝評定》標準進行焊接工藝評定試驗。評定結果見表5。
表5 焊接工藝評定試驗結果
試驗方案 拉伸試驗 彎曲試驗 沖擊韌性試驗aky（J/cm2）
抗拉強度δb/Mpa 斷裂部位 彎曲角度 面彎 背彎 焊縫 熔合線 熱影響區(HAZ)
方案Ⅰ 550/530 母材 50。 合格 合格 84.8 162 135.6
方案Ⅱ 525/520 母材 50。 合格 合格 79.4 109.2 96.7
從拉伸試驗結果可知，兩種方案的拉伸試樣全部斷在母材，說明焊縫的抗拉強度高于母材；彎曲試驗全部合格，說明焊縫的塑性較好。根據表5中的沖擊韌性試驗結果可知，方案Ⅰ的沖擊韌性明顯高于方案Ⅱ，證明方案Ⅰ的焊后熱處理規范比較理想，高溫回火不僅達到了改善接頭組織和性能目的，而且使韌性與強度配合適當。從室溫機械性能結果可知，所推薦的兩種焊接工藝方案均可用于現場施工。方案Ⅰ采用了與母材成分接近的焊條，焊縫性能同母材匹配，焊縫應具有較高的熱強性，焊縫在高溫下長期使用不易破壞。難點是焊后熱處理規范較為嚴格，回火溫度和保溫時間及加熱和冷卻速度控制不當反而會引起焊縫性能下降。方案Ⅱ采用了奧氏體不銹鋼焊條施焊，雖然可以省去焊后熱處理，但由于焊縫與母材膨脹系數不同，長期高溫工作時可發生碳的擴散遷移現象，容易導致焊縫在熔合區發生破壞。因此，從使用可靠性考慮，現場采用方案Ⅰ施焊更為穩妥。
4 結論
15CrMo鋼厚壁高壓管的焊接采用兩種焊接方案均為可行。為了保證焊縫性能同母材匹配且具有較高的熱強性，采用方案Ⅰ效果更佳，關鍵是要嚴格控制焊后熱處理工藝。
方案Ⅱ雖可省去焊后熱處理，但焊縫在高溫下發生碳的遷移擴散而導致焊縫破壞的可能性不容忽視，因此，只有在焊后無法進行熱處理時才慎重采用。
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