張 麗 馮愛秀 于美娜 郭 晶

（大連日立機(jī)械設(shè)備有限公司)

化機(jī)制造

有關(guān)特殊用途Cr-Mo耐熱鋼壓力容器方面的新認(rèn)識(shí)

張 麗*馮愛秀 于美娜 郭 晶

（大連日立機(jī)械設(shè)備有限公司)

在多年科學(xué)研究和經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，加氫設(shè)備用Cr-Mo耐熱鋼材料和制造技術(shù)已于本世紀(jì)初上升到了標(biāo)準(zhǔn)化階段。其標(biāo)志就是專門針對該問題的API標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)行和ASME規(guī)范中專門章節(jié)的增設(shè)。介紹ASME規(guī)范和API標(biāo)準(zhǔn)在這方面的主要規(guī)定。

Cr-Mo耐熱鋼 壓力容器 加氫設(shè)備 焊接 標(biāo)準(zhǔn)化

0 前言

以Cr和Mo為基本合金元素的低合金耐熱鋼是一類古老的合金鋼族類，其傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域是鍋爐、電站設(shè)備和高溫下運(yùn)行的化工設(shè)備。隨著石油煉制深加工、石油化工和煤化工工業(yè)中加氫技術(shù)的應(yīng)用，這類鋼受到了前所未有的矚目。

耐熱鋼，顧名思義，其 “耐熱”就是耐得住“高溫”，即在高溫下使用還能保持要求的性能，或雖有降低，但降低程度比其他族類鋼輕微，降低程度在可接受的限度內(nèi)。起初這僅僅是指 “強(qiáng)度”。烴類加氫反應(yīng)也是在高溫下完成的，加氫設(shè)備選擇這類材料，當(dāng)然首先看到的還是這一點(diǎn)。但高溫還有使材料韌性下降的一面，即出現(xiàn)所謂 “回火脆性” （temper embrittlement），氫又是誘發(fā)和加速“脆化”的主要因素。這樣對于加氫設(shè)備使用低合金耐熱鋼時(shí)，除了高溫強(qiáng)度，還應(yīng)該提出一些把脆化傾向控制在可接受限度內(nèi)的附加要求。那么這些要求，體現(xiàn)在材料和制造技術(shù)方面，應(yīng)該有哪些呢？

和認(rèn)識(shí)任何事物一樣，在這方面大致也經(jīng)歷了積累數(shù)據(jù)和統(tǒng)一認(rèn)識(shí)兩個(gè)階段。進(jìn)入后一階段的標(biāo)志就是始于本世紀(jì)初的 “標(biāo)準(zhǔn)化”的實(shí)現(xiàn)。具體的體現(xiàn)就是在ASME規(guī)范中于包含Cr-Mo鋼在內(nèi)的碳鋼和低合金鋼壓力容器總要求之外，出現(xiàn)了有關(guān)Cr-Mo鋼特殊要求的獨(dú)立章節(jié)[1-2]，以及出現(xiàn)了專門針對Cr-Mo鋼加氫設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。我國 “焊接手冊”在其修訂第3版中及時(shí)吸收和反映了這些最新成果[5]。

文獻(xiàn) [1]和 [2]的編輯單位是美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME），文獻(xiàn) [3]和 [4]的編輯單位是美國石油協(xié)會(huì)（API），都是國際知名行業(yè)協(xié)會(huì)和學(xué)術(shù)團(tuán)體，權(quán)威性毋庸置疑。文獻(xiàn) [3]的標(biāo)題是 “對高溫高壓氫環(huán)境條件下使用的2.25Cr-Mo和3Cr-1Mo鋼厚壁壓力容器材料和制造技術(shù)的要求”。它的導(dǎo)言部分特別指出，標(biāo)準(zhǔn)的適用對象是石油煉制（petroleum refining）、石油化工（petrochemical）和其他在氫或含氫流體介質(zhì)中于高溫和高壓下運(yùn)行的化工設(shè)備。可見，標(biāo)準(zhǔn)的針對性十分明確。

我國加氫設(shè)備國產(chǎn)化起始于 “七五”計(jì)劃開初。自那時(shí)起的二十多年中，制造完成的加氫設(shè)備，按臺(tái)數(shù)計(jì)應(yīng)該是一個(gè)不小的數(shù)目。但使用的設(shè)計(jì)文件和建造技術(shù)規(guī)程（construction specification）至今沒有實(shí)質(zhì)性變化，仍停留在 “前標(biāo)準(zhǔn)化”階段的水平上。這就與國際水平拉開了一段距離。采用國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，彌合這一段差距，跟上世界前進(jìn)的步伐，是目前應(yīng)該考慮的問題。

1 “前標(biāo)準(zhǔn)化”階段概述

二十多年來，我國建造加氫設(shè)備使用的設(shè)計(jì)文件和技術(shù)規(guī)格書，基本上是根據(jù)技術(shù)引進(jìn)時(shí)國外對口公司的項(xiàng)目文件編制的，集中體現(xiàn)了 “前標(biāo)準(zhǔn)化”階段的特點(diǎn)。對材料和制造技術(shù)提出的特殊要求可歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）限制母材的C、S、P含量；

（2）要求母材和焊縫金屬都同時(shí)滿足對J系數(shù)和X系數(shù)的要求；

（3）要求母材和焊縫金屬M(fèi)n+Si≤1.2%；

（4）要求母材和焊接工藝評(píng)定試板都進(jìn)行最長時(shí)間（PWHTMAX）和最短時(shí)間（PWHTMIN）模擬焊后熱處理狀態(tài)下的拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)；

（5）限制焊縫金屬強(qiáng)度不得超過母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的母材強(qiáng)度上限；

（6）要求進(jìn)行最短時(shí)間（Min PWHT）模擬焊后熱處理下的步冷試驗(yàn)；

（7）上述規(guī)定既要求用于合金元素含量較高的材料，如2.25Cr-1Mo和3Cr-1Mo，也要求用于合金元素含量較低的材料，如1Cr-1/2Mo和1-1/4Cr-1/2Mo等鋼。

2 國外規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定

2.1 需要增加附加要求控制的材料范圍

制造加氫裝置中的設(shè)備，使用的低合金耐熱鋼品種很多，至少包括1Cr-0.5Mo、1.25Cr-0.5Mo、2.25Cr-1Mo、3Cr-1Mo和2.25Cr-1Mo-0.25V等幾個(gè)類型。但文獻(xiàn) [1]～[3]都認(rèn)為，需要靠補(bǔ)充附加要求加以特別控制的材料品種并沒有這么多，而只是其中的一部分，即合金元素含量不低于2.25Cr-1Mo，同時(shí)強(qiáng)度不低、也不是太高的部分品種（見表1、表2和圖1）。

本文僅以鋼板為例進(jìn)行討論，所得認(rèn)識(shí)也適用于其他制品形式，如鍛件。

表1 ASME壓力容器建造規(guī)范和API標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定須補(bǔ)充附加要求加以控制的低合金耐熱鋼品種[1-3]

表2 加氫設(shè)備常用低合金耐熱鋼中需附加特殊要求加以控制的材料品種、合金類型和強(qiáng)度級(jí)別

從表 1和表 2可以看出，1Cr-0.5Mo和1.25Cr-0.5Mo類型的鋼，雖然也經(jīng)常用來制造加氫裝置中的設(shè)備，但并沒有被列入文獻(xiàn) [1]～[3]控制的材料名錄。這類材料的特點(diǎn)是合金元素含量較低，強(qiáng)度也較低，只有Cl.1(380～585 MPa)和Cl.2 (450～690 MPa)兩個(gè)強(qiáng)度級(jí)別（Class），見表2。

2.25Cr-1Mo和3Cr-1Mo這類加氫設(shè)備最常用的材料，在 SA-387中也有 Cl.1(415～585 MPa)和Cl.2 (515～690 MPa)兩個(gè)強(qiáng)度級(jí)別，但只有其中強(qiáng)度較高的級(jí)別Cl.2被文獻(xiàn) [3]列入需接受特殊控制的范圍；而在文獻(xiàn) [1]和 [2]中，SA-387中的材料一個(gè)也沒有被列入。

SA-542中的材料，化學(xué)成分最簡單的就是2.25Cr-1Mo（Type A和Type B）。其余幾種（Type C、Type D和Type E）化學(xué)成分都更復(fù)雜。本標(biāo)準(zhǔn)中包括的5個(gè)材料等級(jí)（Type A、B、C、D和E）都有相同的5個(gè)強(qiáng)度級(jí)別（Cl.1、Cl.2、Cl.3、Cl.4和Cl.4a）。其中Cl.4和Cl.4a強(qiáng)度相同，都是585～760 MPa，是該標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)度最低的級(jí)別。而且只有這個(gè)強(qiáng)度級(jí)別最低的鋼材品種被文獻(xiàn) [1]～[3]納入了需要特殊控制的材料范圍，其余強(qiáng)度更高級(jí)別的材料品種則都沒有被收納進(jìn)去。

SA-832中包括的鋼板共有 3個(gè)等級(jí) （Gr. 21V、22V和23V），都只有1個(gè)強(qiáng)度級(jí)別（585～760 MPa），和SA-542中被收納進(jìn)文獻(xiàn) [1]～[3]中，需要特殊控制的材料強(qiáng)度級(jí)別相同。

從上面的描述中，可在以Cr和Mo為主要合金元素的低合金耐熱鋼系列中引申出如下的推論。

(1）合金成分比2.25Cr-1Mo簡單的鋼材品種，由于合金元素含量低，雖然 “脆化”傾向小，但耐熱性相對也較差。這種鋼處于該系列鋼的低端位置上，只能用來制造加氫裝置中工作溫度相對較低、氫負(fù)荷也相對較輕的次要設(shè)備上。因此無須增加特殊控制要求，按常規(guī)壓力容器規(guī)范，如文獻(xiàn) [1]中的UCS篇控制即可。

（2）合金元素含量高的材料，耐熱性自然也好。但隨著合金元素含量增加，耐熱性提高的同時(shí)， “脆化”傾向也隨之加劇，因而需要增加特殊控制要求。

（3）除了化學(xué)成分外，強(qiáng)度也是影響 “脆化”傾向的因素之一。強(qiáng)度越高的材料越容易發(fā)生非延性失效（un-ductile failure）。文獻(xiàn) [1]～[3]包括的鋼材品種的強(qiáng)度等級(jí)最高至580～760 MPa，更高強(qiáng)度等級(jí)的材料雖然也存在，但都沒有被文獻(xiàn) [1]～[3]所包括。這意味著那些強(qiáng)度級(jí)別更高的材料，雖然耐熱性更好，但由于 “脆化”傾向也隨之加大，根本不適合用于制造高溫和臨氫環(huán)境下使用的承壓設(shè)備。這一推論可用以下 4點(diǎn)來支持：①SA-542包括的材料本來還有3個(gè)強(qiáng)度更高級(jí)別的品種，即 Cl.3(655～795 MPa)、Cl.1(725～860 MPa)和 Cl.2(795～930 MPa)，但都沒有被文獻(xiàn)[1]、 [2]和 [3]所收納；②SA-832中包含的幾種材料，在低合金耐熱鋼系列中出現(xiàn)得最晚，是專門為加氫設(shè)備研制開發(fā)的，它們都只有一個(gè)強(qiáng)度級(jí)別（585～760 MPa），而沒有強(qiáng)度再高的級(jí)別；③ 文獻(xiàn)[3]第5.5.2.1款規(guī)定，材料的抗拉強(qiáng)度2.25Cr-1Mo和3Cr-1Mo不得超過690 MPa，其他超級(jí)耐熱鋼不得超過760 MPa；④ 文獻(xiàn) [1]和 [2]都對焊接工藝評(píng)定試板的抗拉強(qiáng)度有限制，允許的最大值為760 MPa?？梢?60 MPa就是加氫設(shè)備允許使用的低合金耐熱鋼強(qiáng)度的上限。

如果以合金元素含量高低和材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高抗拉強(qiáng)度劃界，便可以得到如圖1所示的區(qū)域劃分。（1）標(biāo)準(zhǔn)最高強(qiáng)度585 MPa以下的材料無須特別控制，這些材料的合金元素含量較低，最高相當(dāng)于2.25Cr-1Mo(SA-387中的Gr.22,Cl.1)；（2）標(biāo)準(zhǔn)最高強(qiáng)度超過760 MPa的材料不適宜制造高溫臨氫條件下的承壓設(shè)備；（3）只有標(biāo)準(zhǔn)最高強(qiáng)度在 585～760 MPa之間，合金元素含量也不低于2.25Cr-1Mo的材料才適宜制造加氫設(shè)備，但需要增加特殊控制要求。文獻(xiàn) [1]～[3]中的控制要求正是針對后面這一類材料提出來的。

下面幾節(jié)討論文獻(xiàn) [1]～[3]對制造加氫設(shè)備用低合金耐熱鋼提出的特殊控制要求。

2.2 鋼材的化學(xué)成分

文獻(xiàn) [3]第5.3節(jié)規(guī)定，每個(gè)爐號(hào)母材的化學(xué)成分都必須滿足下列要求，以最大限度地降低回火脆性（temper embrittlement），即J系數(shù)按下式計(jì)算：

J=(Si+Mn)×(P+Sn)×104≤100

其中，Si、Mn、P和Sn以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)；Cu≤0.20%及Ni≤0.30%。除此之外再無其他要求。

這一要求也已寫進(jìn)了材料標(biāo)準(zhǔn)SA-387、SA-542和SA-832中[7]。

注意對于母材沒有X系數(shù)的要求。

2.3 對焊縫金屬的化學(xué)成分的要求

關(guān)于焊縫金屬的化學(xué)成分，文獻(xiàn) [3]第6.1.2～

6.1.3條有以下幾點(diǎn)規(guī)定：

（1）需與母材公稱化學(xué)成分匹配（match）；

圖1高溫臨氫承壓設(shè)備用Cr-Mo低合金耐熱鋼的應(yīng)用條件

（2）焊縫金屬擴(kuò)散氫含量最大不超過8 mL/100g(金屬)，用AWS A4.3的方法進(jìn)行測量；

（3）Cu≤0.20%及Ni≤0.30%；

（4）X=（10P+5Sb+4Sn+As）/100≤12，公式中的P、Sb、Sn和As含量以質(zhì)量分?jǐn)?shù)×10-6計(jì)。

注意對于焊縫沒有J系數(shù)的要求。

母材標(biāo)準(zhǔn)SA-387、SA-542和SA-832的規(guī)定為X≤15[7]，而且都是指當(dāng)鋼板需要進(jìn)行焊接修補(bǔ)時(shí)，對焊接熔敷金屬成分的控制要求?？梢奨系數(shù)只是針對焊縫金屬的。焊材標(biāo)準(zhǔn)也有同樣要求，只不過表述形式不同而已。如SFA-5.23規(guī)定，為滿足對X系數(shù)的要求，熔敷金屬化學(xué)成分須限制 S≤0.010%、P≤0.010%、Cu≤0.15%、As≤0.005%、Sn≤0.005%和Sb≤0.005%[8]。

焊接絕大部分低合金耐熱鋼使用的都是標(biāo)準(zhǔn)焊接材料[8]，只是Cr-Mo-V這一類出現(xiàn)最晚的鋼材除外。焊接Cr-Mo-V這類鋼的焊材目前還沒有進(jìn)入焊材標(biāo)準(zhǔn)，只能選用各焊材公司的非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，如日本神戶制鋼的 CMA-106H、CMA-106HD等[9]。文獻(xiàn) [1]的表31-2和文獻(xiàn) [2]的表3-2都對焊接這類鋼材的焊縫金屬化學(xué)成分有詳細(xì)規(guī)定，但同樣也都沒有J系數(shù)的要求。

2.4 對Mn和Si含量的限制

除了J系數(shù)計(jì)算公式涉及Mn和Si含量以外，文獻(xiàn) [1]～[3]再?zèng)]有關(guān)于Mn和Si含量的其他規(guī)定，而且J系數(shù)也僅是對母材的要求，不涉及焊縫金屬。

文獻(xiàn) [1]～[3]涉及的幾種母材，其母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Mn和Si最高含量之和都不超過1.2%，因此沒有必要再額外提出其他要求。但也有些Cr-Mo鋼超過了此界限，如AS-387中的Gr.11（1.25Cr-0.5Mo）和Gr.9(9Cr-1Mo)，但這些材料都不是文獻(xiàn) [1]～[3]包括的材料。

對于焊材，如果也要求Mn+Si不超過1.2%，那就超越了當(dāng)前焊材工業(yè)的實(shí)際水平。因?yàn)榘茨壳昂覆臉?biāo)準(zhǔn)允許的含量范圍計(jì)算，Mn+Si含量最大值都超過了1.2%，見表3。即使文獻(xiàn) [1]和 [2]專為焊接Cr-Mo-V這類目前制造加氫設(shè)備最高級(jí)的低合金耐熱鋼 (advanced steel)設(shè)計(jì)的焊縫金屬成分也超過了此界限，尤其是手工電弧焊（SMAW）、埋弧焊（SAW）和藥芯焊絲熔化極氣體保護(hù)焊（FCAW）。這是因?yàn)楹琈nO和SiO2的礦物原料是埋弧焊焊劑、焊條藥皮和藥芯焊絲的芯劑不可缺少的組分。我國制造Cr-Mo鋼加氫設(shè)備使用最多的日本神戶制鋼的焊材，很多焊材不僅滿足不了這一要求，甚至超過了當(dāng)前AWS焊材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限，如焊接2.25Cr-1Mo鋼的氬弧焊焊絲TGS-2CM，Mn+Si最高可達(dá)（0.9+1.4）%=2.3%。類似焊材品種決不是僅此一例[9]。筆者曾與有關(guān)單位討論過這個(gè)問題。答復(fù)是依據(jù)的是國外資料，但到底是什么資料，始終也沒有拿出來。后來在一份荷蘭殼牌（Shell）公司為我國廣東惠州石化項(xiàng)目編制的項(xiàng)目文件中找到了一點(diǎn)線索。該文件對焊縫金屬M(fèi)n和Si含量的確有限制，而且還不是要求≤1.2%，而是Mn+Si≤1.1%。該文發(fā)行日期雖然是2001年，但明確表示是在1984年文件基礎(chǔ)上修訂而成的。根據(jù)文中的修訂標(biāo)記，涉及Mn和Si含量限制的條文并沒有修改，也就是說反映的仍然是 1984年，即 “前標(biāo)準(zhǔn)化階段”的認(rèn)識(shí)水平。該文件雖然要求限制Si和Mn含量，但對母材J系數(shù)和焊材X系數(shù)規(guī)定的合格門檻值卻比文獻(xiàn) [1]～[3]都大得多，見表4，亦即要求的嚴(yán)格程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及文獻(xiàn)[1]～[3]。

表3 焊接Cr-Mo低合金耐熱鋼使用的標(biāo)準(zhǔn)焊材和非標(biāo)準(zhǔn)焊材允許的焊縫金屬M(fèi)n和Si含量（質(zhì)量百分比）

表4 國外規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和項(xiàng)目文件中對有特殊要求的Cr-Mo鋼成分的特殊要求

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，要求焊縫金屬的X系數(shù)不超過15，甚至不超過12，這完全能夠達(dá)到。但要求Mn+Si≤1.2%卻有困難。需采取特殊措施，或從很多批焊材中挑選。這勢必增加采購成本，花費(fèi)更大代價(jià)。2008年，曾使用歐洲知名焊材廠Sandvik的產(chǎn)品，也因沒有達(dá)到Mn+Si≤1.2%的要求，不得不與設(shè)計(jì)單位進(jìn)行協(xié)商，請求特別處理。

順便說一下，歐洲殼牌項(xiàng)目文件中規(guī)定使用的母材并不是歐洲標(biāo)準(zhǔn)材料，而是美國標(biāo)準(zhǔn)材料SA-387 Gr.22 Cl.2。既然母材是美國標(biāo)準(zhǔn)，選擇按美國標(biāo)準(zhǔn)要求的焊材應(yīng)該說更合理。

2.5 對C、S和P含量的限制

除了材料標(biāo)準(zhǔn)和在J系數(shù)中涉及對P含量的控制外，文獻(xiàn) [1]～[4]，甚至某些項(xiàng)目文件對這三種元素都再?zèng)]有其它額外限制。文獻(xiàn) [1]和 [2]倒是對焊接2.25Cr-1Mo-0.25V鋼材的焊縫金屬含碳量最低值有限制，即要求C≮0.05%。

2.6 要求的力學(xué)性能試驗(yàn)

2.6.1 強(qiáng)度合格標(biāo)準(zhǔn)

母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料抗拉強(qiáng)度都是一個(gè)數(shù)值范圍。低于規(guī)定下限或超過規(guī)定上限都算不合格。但焊材的情況不同。目前焊接1Cr-0.5Mo和2.25Cr-1Mo類鋼使用的都是標(biāo)準(zhǔn)焊材。焊材標(biāo)準(zhǔn)對焊縫金屬只規(guī)定了保證的抗拉強(qiáng)度下限，而沒有規(guī)定上限。圖2左面部分表示焊縫金屬強(qiáng)度的3個(gè)柱狀圖都是以SFA-5.5（也就是AWS A5.5）包含的焊條為例繪制的。同時(shí)表示出了對應(yīng)的3類Cr-Mo低合金耐熱鋼母材的強(qiáng)度范圍。可以看到，表示焊縫強(qiáng)度的柱狀圖，上面都是開口的。

除了沒有設(shè)置上限外，標(biāo)準(zhǔn)保證的焊縫金屬強(qiáng)度下限也與母材標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定不一致，強(qiáng)度越低的母材，這種差別就越大。對Cr-Mo耐熱鋼，焊縫強(qiáng)度比母材高是普遍現(xiàn)象。針對這一事實(shí)，上世紀(jì)80年代末，美國焊材標(biāo)準(zhǔn)曾進(jìn)行過一次調(diào)整，把低合金Cr-Mo耐熱鋼焊材保證的焊縫金屬強(qiáng)度往下調(diào)整了一個(gè)等級(jí)，例如把E62XX-XX-B3L調(diào)整為現(xiàn)在的E55XX-XX-B3L[8]。圖2反映的是調(diào)整后的情況。調(diào)整前，這種差異還要更大。

圖2 常用低合金耐熱鋼標(biāo)準(zhǔn)焊條保證的強(qiáng)度和母材強(qiáng)度的比較

強(qiáng)度高的材料往往容易脆斷。所以文獻(xiàn) [1]～[3]對需增加特殊要求加以控制的材料都規(guī)定了焊縫金屬強(qiáng)度上限。文獻(xiàn) [3]的規(guī)定是：2.25Cr-1Mo鋼不超過690 MPa；2.25Cr-1Mo-0.25V等高級(jí)耐熱鋼不超過760 MPa。文獻(xiàn) [1]和 [2]的規(guī)定是，焊縫強(qiáng)度最大不超過760 MPa。

文獻(xiàn) [1]、 [2]和 [3]的規(guī)定其實(shí)是一致的，因?yàn)槲墨I(xiàn) [1]和 [2]中需增加特殊要求控制的材料，并不包括強(qiáng)度515～690 MPa(SA-838 Gr.22 Cl.2)的材料品種，所以就只規(guī)定了760 MPa一個(gè)焊縫強(qiáng)度指標(biāo)。對焊縫強(qiáng)度上限的這些限制在圖2右面部分用了一條由雙點(diǎn)劃線畫出的折線來表示。也就是說，雖然焊材標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定焊縫金屬強(qiáng)度上限，但對有特殊控制要求的那幾類母材，知名國際組織的建造規(guī)范卻有限制。所以對焊接這幾類鋼材的焊材，焊縫強(qiáng)度既不能低于焊材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限，也不能超過建造規(guī)范規(guī)定的上限，即必須在圖2右面部分表示焊縫金屬強(qiáng)度的柱狀圖雙點(diǎn)劃線以下的范圍內(nèi)。

因?yàn)橛袊H知名組織的規(guī)范限制，焊材廠自然就得遵守。例如日本神戶制鋼的焊材樣本，焊接2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的焊條CMV-106H和CMA-106HD須保證的焊接強(qiáng)度，就是既不低于 585 MPa，也不高于760 MPa?？墒菍τ谖墨I(xiàn) [1]～[3]不包括的材料，也就是那些合金元素含量低，因而強(qiáng)度也較低的材料，因?yàn)闆]有類似權(quán)威規(guī)范限制，要求焊縫強(qiáng)度也不超過母材規(guī)定上限就有困難。作者所在單位就曾為此遭遇過多次摩擦糾紛。

2.6.2 對母材的要求

（1）室溫拉伸試驗(yàn)

文獻(xiàn) [1]、 [2]和 [3]都規(guī)定，對列入其中的Cr-Mo鋼材料，室溫拉伸試驗(yàn)應(yīng)在上述鋼材按圖3定義的條件A和B熱處理后進(jìn)行，并滿足材料標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

（2）沖擊試驗(yàn)

文獻(xiàn) [1]、 [2]和 [3]都規(guī)定，對它們認(rèn)為需增加特殊要求控制的Cr-Mo鋼材料，只需在經(jīng)過按圖3定義的條件B熱處理后進(jìn)行一次沖擊韌性試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度為-30℃，合格標(biāo)準(zhǔn)為三個(gè)試樣平均值不低于 55 J，允許一個(gè)試樣最低值不小于35 J[3]。文獻(xiàn) [3]還要求同時(shí)記錄側(cè)向膨脹量和纖維斷口（ductile fracture）百分比數(shù)據(jù)。

圖3有特殊要求Cr-Mo鋼力學(xué)性能試驗(yàn)用試樣的熱處理?xiàng)l件

（3）步冷試驗(yàn)

關(guān)于步冷試驗(yàn)，文獻(xiàn) [3]規(guī)定也只需在經(jīng)過圖3定義的條件B熱處理后進(jìn)行。而且在滿足對J系數(shù)要求的前提下，如果55 J沖擊功對應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度低于-62℃，母材的步冷試驗(yàn)就可以免做。也就是說，先要用經(jīng)過按圖3定義的條件B熱處理的試樣在不同溫度下進(jìn)行夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制沖擊功與試驗(yàn)溫度關(guān)系曲線。再從通過55 J那一點(diǎn)所做的水平線與試驗(yàn)曲線交點(diǎn)往下引垂直線，找出與55 J對應(yīng)的溫度。不管步冷試驗(yàn)可不可以免除，這條曲線總是要做的。如果滿足上述條件，預(yù)先留下來準(zhǔn)備進(jìn)行步冷加熱-冷卻的那一套試樣就可以省去不用了。

（4）高溫拉伸試驗(yàn)

文獻(xiàn) [3]第5.5.2.2款規(guī)定，當(dāng)有要求時(shí)，母材的高溫拉伸試驗(yàn)在設(shè)備設(shè)計(jì)溫度下進(jìn)行，合格標(biāo)準(zhǔn)由設(shè)計(jì)文件規(guī)定，一般按文獻(xiàn) [10]表U “鐵基和非鐵基材料的抗拉強(qiáng)度值Su”的90%計(jì)。試樣的高溫拉伸試驗(yàn)須在經(jīng)過按圖3定義的條件A熱處理后進(jìn)行。

至此，最新規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中對需增加特殊要求控制的Cr-Mo鋼需要進(jìn)行的力學(xué)性能試驗(yàn)可歸納在表5中。

表5 對有特殊要求的Cr-Mo耐熱鋼，最新標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行的力學(xué)性能試驗(yàn)項(xiàng)目和試樣狀態(tài)

2.6.3 對焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)的特殊要求

焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)按ASME規(guī)范第Ⅸ卷規(guī)定進(jìn)行[10]。焊接接頭拉伸試驗(yàn)需在經(jīng)按圖3定義的條件A和B熱處理后進(jìn)行?？估瓘?qiáng)度應(yīng)在材料標(biāo)準(zhǔn)對母材規(guī)定的強(qiáng)度范圍之內(nèi)。焊縫金屬和熱影響區(qū)（HAZ）的沖擊試驗(yàn)則僅需在經(jīng)過圖3定義的條件B熱處理后進(jìn)行[1-3]。當(dāng)然ASME規(guī)范第Ⅸ卷規(guī)定的其他檢驗(yàn)項(xiàng)目，如彎曲試驗(yàn)也得進(jìn)行。

文獻(xiàn) [3]第7.2.4條還要求，焊評(píng)試板上的焊縫和HAZ還需通過步冷試驗(yàn)，試樣狀態(tài)為試樣經(jīng)圖3定義的條件B熱處理后的狀態(tài)。焊接接頭各區(qū)的硬度，對 2.25Cr-1Mo鋼不高于 235HV10，對 2.25Cr-1Mo-0.25V類超級(jí)耐熱鋼不高于248HV10[3]。

2.6.4 對焊接材料的性能試驗(yàn)要求

（1）通用要求

文獻(xiàn) [1]、 [2]和 [3]都要求對用于產(chǎn)品焊接的每個(gè)批號(hào)的焊條（SMAW）（electrodes）和每個(gè)爐號(hào)的焊絲和每個(gè)批號(hào)的焊劑組合（SAW）進(jìn)行性能檢驗(yàn)。檢驗(yàn)項(xiàng)目包括經(jīng)過按圖3定義的兩種條件A和B熱處理后的拉伸試驗(yàn)和按條件B熱處理后的沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果既要滿足對強(qiáng)度下限的要求，也要滿足對強(qiáng)度上限的限制。

和本文上述第2.6.3條不同，這里的拉伸試驗(yàn)是指按焊接材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行的全焊縫金屬的拉伸試驗(yàn)。

焊材也有步冷試驗(yàn)要求，見文獻(xiàn) [3]第6.2.3條。試驗(yàn)條件與對母材規(guī)定相同。

（2）高溫拉伸試驗(yàn)

關(guān)于和母材試驗(yàn)對應(yīng)的高溫拉伸試驗(yàn)（即前文第2.6.2條的（4））文獻(xiàn) [1]、 [2]和 [3]中都沒有明確規(guī)定。但作者認(rèn)為還是需要進(jìn)行試驗(yàn)的。

但文獻(xiàn) [2]第3.4.4.5款特別規(guī)定，對于設(shè)計(jì)溫度超過440℃的產(chǎn)品，用于A類接頭焊接的每個(gè)爐號(hào)的焊絲與每個(gè)批號(hào)的焊劑組合，都須制備焊材評(píng)定試板，在經(jīng)過按圖3所定義的條件A熱處理后，分別進(jìn)行焊縫金屬和一個(gè)焊接接頭（試樣標(biāo)距內(nèi)應(yīng)包括焊縫和焊縫兩側(cè)分別至少19 mm長的一段母材）的高溫拉伸試驗(yàn)（stress-rupture test）。

對于焊接P-號(hào)為5A的母材，試驗(yàn)溫度為510℃，在210 MPa的拉伸應(yīng)力作用下，試樣的斷裂時(shí)間須超過650 h。對于焊接P-號(hào)為5C的母材，試驗(yàn)溫度為540℃，在210 MPa的拉伸應(yīng)力作用下，試樣的斷裂時(shí)間須超過950 h。

上述試驗(yàn)倒是比通常進(jìn)行的瞬時(shí)高溫拉伸試驗(yàn)更有意義。但須注意應(yīng)用條件的限定，即該項(xiàng)要求僅限于用埋弧自動(dòng)焊（SAW），焊接按ASME規(guī)范第Ⅷ卷第2分冊建造的壓力容器上的A類接頭使用焊材。超出限定范圍應(yīng)用，就會(huì)造成浪費(fèi)。要知道這是一項(xiàng)很費(fèi)錢費(fèi)時(shí)的試驗(yàn)。

2.6.5 關(guān)于試樣熱處理?xiàng)l件A和B的說明

圖3定義的力學(xué)性能試驗(yàn)用試樣熱處理?xiàng)l件A和B，涉及最長和最短模擬焊后熱處理時(shí)間，這一點(diǎn)沒有問題，大家都了解。另外它還涉及最高和最低模擬焊后熱處理溫度。這可能需要特別加以說明，因?yàn)榈侥壳盀橹?，國?nèi)使用的設(shè)計(jì)文件和建造規(guī)格書中規(guī)定的模擬焊后熱處理溫度都是固定單一值（頂多帶控制公差），而不是溫度范圍。文獻(xiàn) [1]和 [2]規(guī)定，該溫度范圍應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。ASME規(guī)范中，焊后熱處理溫度都是按材料的P-號(hào)和組號(hào)給出的[6]。其中壓力容器建造規(guī)范只給出了允許的最低溫度，只有核電建造規(guī)范，如文獻(xiàn) [11]，給出的是一個(gè)溫度范圍。所以可以以核電規(guī)范為基礎(chǔ)確定這個(gè)溫度范圍，見表6。

表6 ASME壓力容器和核電建造規(guī)范規(guī)定的Cr-Mo鋼焊后熱處理溫度

3 結(jié)束語

（1）文獻(xiàn) [1]和 [2]首次增加對部分低合金耐熱鋼特殊要求和文獻(xiàn) [3]的出版都是本世紀(jì)最初一兩年的事。它們的出現(xiàn)說明我們對加氫設(shè)備用低合金耐熱鋼材料和制造技術(shù)的認(rèn)識(shí)已經(jīng)進(jìn)入了更高階段，以至于可以進(jìn)行概括歸納，制定出可用于指導(dǎo)和規(guī)范實(shí)際活動(dòng)的 “標(biāo)準(zhǔn)”。

（2）如果說 “七五”計(jì)劃開初，實(shí)現(xiàn)石油加氫設(shè)備國產(chǎn)化是我國在這方面邁出的第一步的話，那么現(xiàn)在是應(yīng)該考慮與國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)接軌，邁出第二步的時(shí)候了。

（3）在這個(gè)問題上，作者認(rèn)為應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：①分清需要附加特殊要求加以特別控制的材料范圍，防止擴(kuò)大化。文獻(xiàn) [1]說得很清楚，強(qiáng)制性附錄31只是對碳鋼和低合金鋼壓力容器建造規(guī)則部分的附加要求。凡文獻(xiàn) [1]～[3]不包括的材料，就應(yīng)理解為按通用規(guī)則控制就行。②對需要增加特殊要求控制的材料，所提出的附加要求應(yīng)按國際最新規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)加以統(tǒng)一。

（4）ASME規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)（文獻(xiàn) [3]）增加了對Cr-Mo鋼的附加要求，并且都已經(jīng)執(zhí)行了將近10年，已有大量應(yīng)用實(shí)例可供考察，對它們的正確性恐怕不應(yīng)該再存懷疑。

（5）我國材料標(biāo)準(zhǔn)，如GB 713—2008中雖然也有一些Cr-Mo低合金耐熱鋼品種，但除了成分簡單的品種外（如15CrMoR），我國制造加氫設(shè)備使用的其他Cr-Mo鋼材料幾乎無例外都是ASME規(guī)范中包括的材料。既然如此，設(shè)備建造執(zhí)行或依照ASME規(guī)范或美國標(biāo)準(zhǔn)，也才更順理成章。

[1]ASME Boiler and Pressure vessel Code,Section VIII, Division 1,Rules for Construction of Pressure Vessels [S].2010 Edition with 2010 Addenda,ASME,Now York, 2010：565-567.

[2]ASME Boiler and Pressure Vess el Code,Section VIII, Division 2,Alternative Rules,Rules for Construction of Pressure Vessels[S].2010 Edition with 2010 Addenda, ASME,Now York,2010.

[3]APIRecommended Practice934-A,Materialsand Fabrication Requirements for 2-1/4Cr-Mo&3Cr-1Mo Steel Heavy Wall Pressure Vessels for High Temperature, High Pressure Hydrogen Service[S].The 2nd Edition, American Petroleum Institute,2002.

[4]APIRecommended Practice934-C,Materialsand Fabrication of 1-1/4Cr-1/2Mo Steel Heavy Wall Pressure Vessels for High-pressure Hydrogen Service Operating at or below 825℉ (441℃) [S].The 1st Edition,American Petroleum Institute,2008.

[5]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊:第2卷 [M].第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：326-346.

[6]ASME Boiler and Pressure Vessel Code,Section IX， Welding and Brazing Qualification[S].2010 Edition with 2010 Addenda,ASME,Now York,2010.

[7]ASME Boiler and Pressure Vessel Code,Section II,Part A,Ferrous Material Specifications[S].2010 Edition with 2010 Addenda,ASME,Now York,2010.

[8]ASME Boiler and Pressure Vessel Code,Section II,Part C， Specifications for Welding Rods,Electrodes,and Filler Metals[S].2010 Edition with 2010 Addenda, ASME,Now York,2010.

[9]神鋼焊接材料手冊 [M].株式會(huì)社神戶制鋼所焊接公司，2003.

[10]ASME Boiler and Pressure Vessel Code,Section II,Part D， Properties（Metric）， Materials[S].2010 Edition with 2010 Addenda,ASME,Now York,2010.

[11]ASME Boiler and Pressure Vessel Code,Section III，Division 1,Subsection NB,1 Class Components[S]. 2010 Edition with 2010 Addenda,ASME,Now York, 2010.

New Recognition to the Pressure Vessels Made of Cr-Mo Heat Resistant Steel for Special Application

Zhang LiFeng Aixiu Yu Meina Guo Jing

Based on the data accumulated from scientific research and practice experience over years,the technology about Cr-Mo heat resistant steel material for hydrogenation equipment and the manufacturing technology has come into standardized stage at the beginning of this century,which is indicated by the publication of API Standard and the chapter addition in ASME Code Construction Section.The paper introduces related content about Cr-Mo heat resistant steel and manufacture technology in ASME Code and API Standard.

Cr-Mo heat resistant steel;Pressure vessel;Hydrogenation equipment;Welding;Standardization

TQ 050.4+7

2013-02-24）

*張麗，女，1983年生，工程師。大連市，116032。