12Cr1MoVG厚壁管道焊接冷裂纹敏感性研究

冷裂纹敏感性研究

王宝臣1，孙志强2，王小娟3，于程炜3

(1.中国神华能源股份有限公司国华电力分公司，北京 100025；2.苏州热工研究院有限公司，江苏

苏州 215004；3.天津国华盘山发电有限责任公司，天津 301900)

Study on the Welding Cold Crack Sensitivity of 12Cr1MoVG

Thick-walled Pipeline

WANG Baochen1, SUN Zhiqiang2, WANG Xiaojuan3, YU Chengwei3

(1.Guohua Electric Power Branch of China Shenhua Energy Co., Ltd., Beijing 100025, China;

2.Suzhou Nuclear Power Institution, Suzhou 215004, Jiangsu Province, China; 3.Tianjin Guohua Panshan Power Generation Co., Ltd., Tianjin 301900, China)

〔摘 要〕 采用插销试验方法对比分析了12Cr1MoVG厚壁管道的焊接冷裂纹敏感性，并通过进一步试验分析了在不同预热温度下R317L和R317 2种焊接材料焊缝金属的临界断裂应力，得出在低温预热不充分条件下使用R317L焊条更有利于防治焊接冷裂纹的结论。

〔关键词〕 12Cr1MoVG钢；插销试验；冷裂纹；临界断裂应力

This paper compares and analyzes the welding cold crack sensitivity of 12Cr1MoVG thick-walled Abstract:

pipeline by using implant test method, and analyzes the critical fracture stress of weld metal of R317L and R317 welding materials at different preheating temperatures through further testing. It is concluded that using R317L welding rod under insufficient low temperature preheating condition is more conducive to preventing cold crack.

12Cr1MoVG Steel; implant test; cold crack; critical fracture stressKey words:

中图分类号:TM621.2 文献标识码:A 文章编号:1008-6226 (2019) 02-0042-04

0 引言

12Cr1MoVG是一种用于制作锅炉结构件的钢种，其使用温度可达580 ℃，具有较高的耐高温持久强度。

该钢的化学成分如表1所示，常温拉伸性能如表2所示。

从表1中可以看出，虽然12Cr1MoVG钢的碳

含量比较低，但是合金含量较多，根据美国焊接学会（AWS）推荐的碳当量(Ceq)计算公式：Ni+CuCr+Mo+VMn

Ceq=C+ + + (%)1556

计算出Ceq(12Cr1MoVG)在0.54左右，具有一定的冷裂纹倾向。采用插销试验对该钢冷裂纹敏感性进行测试，以期获得对其冷裂纹敏感性的定量评价。

表1 12Cr1MoVG钢的化学成分 Wt%

C

Mn

P≤0.025

Si0.17-0.37

Cr

Mo

V

S≤0.015

0.08-0.150.40-0.70

0.09-1.200.25-0.350.15-0.30

42第21卷(2019年第2期)电力安全技术 表2 12Cr1MoVG钢的常温拉伸性能 MPa

材料

抗拉强度屈服强度12Cr1MoVG(GB 5310-1955)

470-0

255

1 插销试验方案及过程

1.1 插销试样取样与加工

材质为12Cr1MoVG的插销试样严格按图1进行机加工。插销直径8 mm，插销头部开有环形槽，插销缺口角度40°±2°，缺口深度1.5 mm±0.05 mm，缺口根部圆角半径0.1 mm±0.02 mm。

110205R3Ⅰ21.68Φ.1×21M2×45°Ⅰ56∶10.0±40°±2°a5.1

R0.1±0.02图1 插销加工示意(单位：mm)

插销试验所用底板为12Cr1MoVG钢板材质，尺寸为300×200×20 (mm)，在每块板纵向轴上钻通孔5个，直径为8 mm，间距为40 mm。在每个孔横向轴上12 mm处钻小孔，直径为3.2 mm，深度为17.8 mm。

底板加工后用于测量缺口根部的热循环曲线。加工尺寸具体如图2所示。

300 mm40 mm40 mm40 mm40 mm50 mmm m002图2 底板加工示意1.2 焊接参数及缺口位置确定

根据所采用的焊条种类及GB 9446-88《焊接

用插销冷裂纹试验方法》的要求，所确定的焊接工艺参数如表3所示。

表3 焊接工艺参数

焊接电流I，A

焊接电压U，V

焊接速度V，

焊接线能量Q，

mm/min

kJ/cm

110

25

150

8.8

为确定缺口位置，采用表3所示的焊接工艺参数焊接插销试棒，然后取其横断面磨制金相试样，观察熔合区及热影响区的位置。根据实际观察确定的熔合区及热影响区的位置和尺寸，按照图3确定了插销试样缺口的位置。根据实验测量得到合适的缺口与端面距离a为2.2 mm。

1.5 mmm焊缝 m2.2缺口与溶合线相切图3 缺口位置确定示意

1.3 试验方法及材料

本次试验通过改变预热温度，采取插销试验法来研究不同焊条材料的冷裂纹敏感性，即：根据试验所获得的临界断裂应力来判断材料的冷裂纹倾向。试验参照GB 9446-88《焊接用插销冷裂纹试验方法》进行。试验设备采用ICT-09插销试验机，如图4所示。材料在某种预热温度、使用某种焊条时，材料的临界应力值接近或高于材料的屈服强度，则认为在使用此种焊条并且焊前预热温度到达此值时，材料对冷裂纹不敏感；反之，则认为材料对冷裂纹敏感。试验用母材、焊条均由苏州热工研究院

有限公司提供，母材为12Cr1MoVG钢，2种焊条分别为大西洋R317和金桥R317L。预热温度分别为20 ℃(未预热)，75 ℃，150 ℃及250 ℃。1.4 试验过程

插销试验具体步骤如图5所示。

(1) 预热。将底板与带有缺口的插销一同加热到所需温度。在整个加热过程中，底板与插销缓慢加热，受热均匀。由于试样从加热炉中取出后还需

43电力安全技术第21卷(2019年第2期)经过安装、调试等一系列步骤，所以试样的加热温度应略高于试验所需温度，以保证在试验正式开始时，插销温度等于所需试验温度。

(2) 点焊固定热电偶。将加热好的插销及底板安装在试验机上，在底板小孔中点焊上热电偶。底板上的热电偶用来测量焊接时缺口的热循环曲线。

启动控制程序，连接热电偶与温度传感器，观察瞬时的温度变化。

(3) 焊接。当达到试验温度时，在底板上熔敷1条焊道。焊道长度为150 mm，焊接速度为150 mm/min。在焊接时，尽量使焊道中心线通过插销端面中心。焊接工艺参数参照表3。

(4) 加载。在试样未完全冷却下来时加载。加载温度应比初始温度高50—70 ℃，但不低于100 ℃，载荷逐渐加载，应在1 min之内及试件冷却到100 ℃之前加载完毕。

(5) 记录数据。当达到预定载荷时开始计时，记录保载时间，直至插销断裂，计时停止。

(6) 卸载。试样断裂后，卸载插销，调整设备，准备并进行下一组试验。

图4 插销试验机

预热试样安装焊接加载数据分析、处理记录数据图5 插销试验步骤2 试验结果与分析

2.1 焊接热循环曲线

在给定的焊接工艺下，焊接时的热循环曲线如图5所示。图5表明缺口附近的温度接近1 275 ℃，证明了该焊接工艺及插销试样缺口位置的准确性。

44图5为室温下缺口位置的温度—时间曲线。其余插销棒热循环曲线类似，不再一一列出。

1 275

工程和插销编号:a11，11温度(℃)时间(s)曲线956℃，度638温319061122184245306367428490时间，s

图5 室温下缺口位置的温度—时间曲线

2.2 试验结果与分析

利用插销试验，测出了12Cr1MoVG钢在不同焊条、不同预热温度条件下材料的断裂应力与保载时间，对其进行分析、整理并画出曲线。在试验过程中，根据GB 9446-88《焊接用插销冷裂纹试验方法》规定，在预热状态下，插销保持24 h不断，即认为插销在此载荷下不发生断裂；在未预热状态下，插销保持16 h不断，可认为插销在此载荷下不发生断裂。插销发生断裂的最小应力称为临界断裂应力。

根据大西洋焊条在室温20 ℃、预热75°、预热150 ℃条件下的插销应力—时间曲线试验结果，以及金桥焊条在室温20 ℃、预热75°、预热150 ℃、预热250 ℃条件下的插销应力—时间曲线试验结果可知，采用2种焊条时，12Cr1MoVG钢

在室温下均具有一定的冷裂纹敏感性，在不同载荷下保持时也表现出不同的断裂时间。通过多试样试验，得出了2种焊条的临界断裂应力及其与屈服强度、抗拉强度的比值，如表4所示。

表4 不同温度下材料的临界断裂应力

焊条类型试验温度，℃

临界断裂应力，与屈服强度

与抗拉强度

MPa比值

比值20

7072.771.10大西洋

焊条

757652.961.201509503.731.4820

7552.961.18金桥焊条

758173.201.281509363.671.46250

936

3.67

1.46

第21卷(2019年第2期)电力安全技术界断裂应力明显高于大西洋R317焊条，显示出金桥R317L焊条在预热条件并不充分的情况下焊接具有一定优势。参考文献:

1 杨兴华．12Cr1MoVG钢厚壁管焊缝横向裂纹分析及措施 [J]．焊接技术，2013，42(3):51-55.

2 高文华．12Cr1MoVG焊接工艺性研究[J]．现代焊接， 2010，11(12):43-44.

3 吴文慧．12Cr1MoVG厚壁珠光体耐热钢管的焊接[J]． 金属加工(热加工)，2012，62(18)：53-56.

当预热温度为75 ℃时，使用大西洋焊条焊接的试样临界断裂应力超过了750 MPa，而金桥焊条则超过了800 MPa；当预热温度为150 ℃时，材料的临界断裂应力均超过了930 MPa；并且当预热温度为75 ℃及其以上时，即使对2种焊条实验的插销棒在加载值接近断裂极限的情况下保载24 h，试样仍然未断裂，显示出了良好的抗冷裂纹能力。为表述方便，将不同预热温度下的最高试验应力作为其临界断裂应力，如表4所示。2.3 断口宏观形貌

为进一步分析试验结果，对2种焊条的插销试样断口进行对比分析发现，插销试样断裂位置和形貌均比较正常，进一步验证了试验过程的正确性。收稿日期：2018-12-12。3 结论(1) 使用大西洋R317和金桥R317L焊条进行12Cr1MoVG钢的插销试验，在室温20℃下，二者的临界断裂应力分别为707 MPa，755 MPa。(2) 在75℃，150℃，250℃3种预热情况下，12Cr1MoVG钢对冷裂纹不敏感。(3) 在低温预热情况下，金桥R317L焊条的临作者简介：王宝臣(1967—)，男，高级工程师，主要从事电厂金属部件失效分析及焊接修复等工作，email：wangbaochen168@163.com。孙志强(1973—)，男，高级工程师，主要从事电力行业金属及焊接科研工作。王小娟(1974—)，女，工程师，主要从事电厂金属检测工作。于程炜(1971—)，男，高级工程师，主要从事电厂金属监督管理工作。我国可再生能源发电装机同比增长12 %国家能源局新能源和可再生能源司副李创军于2019-01-28在介绍2018年我国可再生能源发展情况时透露，截至2018年底，我国可再生能源发电装机达到7.28亿kW，同比增长12 %；可再生能源发电装机约占全部电力装机的38.3 %，同比上升1.7个百分点，可再生能源的清洁能源替代作用日益突显。李创军表示，我国可再生能源发展已从数量扩张向质量提升转变。2018年，可再生能源利用率显著提升，弃水、弃风、弃光状况明显缓解。截至2018年底，全国水电装机3.52亿kW、风电装机1.84亿kW、光伏发电装机1.74亿kW、生物质发电装机1 781万kW，分别同比增长2.5 %，12.4 %，34 %和20.7 %；全年可再生能源发电量达1.87万亿kWh，同比增长约1 700亿kWh；可再生能源发电量占全部发电量比重为26.7 %，同比上升0.2个百分点，其中水电1.2万亿kWh，同比增长3.2 %；风电3 660亿kWh，同比增长20 %；光伏发电1 775亿kWh，同比增长50 %；生物质发电906亿kWh，同比增长14 %。他透露，2019年，国家能源局将积极推进风电、光伏发电无补贴平价上网项目建设，全面推行风电、光伏电站项目竞争配置工作机制，建立健全可再生能源电力消纳新机制，结合电力改革推动分布式可再生能源电力市场化交易，扩大可再生能源分布式发电、微电网、清洁供暖等终端（来源：国家电力投资集团有限公司网站 2019-01-30）利用，全面推动可再生能源高质量发展。 45