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摘要：14Cr1MoR钢因具有较好的耐热强度及抗氧化、抗氢、抗硫腐蚀性能以及廉价性，在石油化工行业的氨合成塔、焦炭塔、加氢反应器等重要裝置中得到广泛应用。综述了14Cr1MoR钢的化学成分和力学性能，重点分析了其焊接性、焊接工艺要点、存在的焊接问题及处理方法、复合焊接等，指出了其与不锈钢复合钢板是实现材料兼具热强性与高耐蚀性的有效方法，为14Cr1MoR钢得到更好的应用提供了理论参考。
关键词：14Cr1MoR钢;焊接性;焊接工艺要点;复合钢板
中图分类号：TG47文献标志码：B文章编号：1001-2303（2020）05-0094-04
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.19
0 前言
随着石油工业产业的不断发展，高温、高压、高腐蚀的工况环境对石油化工装置提出了更为苛刻的要求，所采用的钢材必须具有优异的常温机械性能、常温塑性、韧性和抗回火脆性及耐蚀性。早期，这类设备所需钢材只能通过进口，如SA387 Gr11 C12等材料，但是此类钢材价格昂贵、供货周期长，不适宜工业生产。近年来，国产14Cr1MoR钢因高温性能稳定、价格便宜、加工性能优异等优点逐渐进入石化行业，在降低成本的同时缩短了生产周期，为大众所青睐。
1 14Cr1MoR钢的化学成分及力学性能
1.1 14Cr1MoR钢的化学成分
14Cr1MoR钢是舞阳钢厂开发的一种抗氢耐热钢，属铬钼低合金结构钢，执行GB713-2008国家标准，系1.25Cr0.5Mo珠光体耐热钢，其化学成分如表1所示。其中Cr、Mo为主要热强元素，Cr能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，可在提高碳钢的硬度和耐磨性的同时不使钢变脆，使其具有良好的高温抗氧化性和耐氧化性腐蚀作用，还增加了其热强性，是耐热钢的主要合金元素。Mo增强了钢的热强性，防止回火脆性，并进一步提高对有机酸（如蚁酸、醋酸、草酸等）以及过氧化氢、硫酸、亚硫酸、硫酸盐、酸性染料等的抗蚀性，特别是防止了氯离子产生的点腐蚀倾向。
1.2 14Cr1MoR钢的力学性能
为了获取良好的力学性能，14Cr1MoR钢的热处理工艺为900 ℃水冷淬火+685 ℃高温回火。900 ℃淬火后的组织为板条马氏体，具有高的强度（1 000～1 040 MPa）和显微硬度（401～446 HV），但塑性和韧性较差，必须通过高温回火以改善其塑性和韧性。14Cr1MoR钢的力学性能如表2所示。
2 14Cr1MoR钢的焊接应用研究
2.1 14Cr1MoR钢的可焊性分析
采用国际焊接学会推荐的碳当量计算公式CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15，根据表1中数据计算出14Cr1MoR钢的CE为0.42%～0.72%。一般当CE<0.4%时，钢材的焊接性能良好，无需预热即可焊接;当0.4%～0.6%时，钢材的焊接性能不佳，需较高温度预热，严格控制焊接工艺，才能进行焊接。可见14Cr1MoR钢具有一定的淬硬倾向，易产生冷裂纹，一般采用低氢焊条并控制焊接热输入，加上适当的预热、后热和焊后热处理等工艺措施来保证焊缝质量。
14Cr1MoR钢存在较多具有沉淀强化的合金元素（Cr、Mo），在焊接过程中热影响区受到高温作用，奥氏体晶粒严重长大，碳化物溶于奥氏体中，焊接接头经过700 ℃左右的焊后热处理，碳化物在晶粒内部析出，晶粒内部强化，晶界薄弱，当拘束应力超过晶界抗拉强度时，则产生再热裂纹[1]。针对该问题，可采取以下措施：焊接时控制线能量的输入，尽量减少过热粗晶区;选用低匹配的焊接材料，适当地降低焊缝金属强度以及提高其塑性变形能力;采用预热和后热措施;控制焊接质量，合理装配，以减少焊接接头的应力集中，减少再热裂纹的产生。
2.2 14Cr1MoR钢的焊接工艺要点
2.2.1 焊接材料及方法
14Cr1MoR钢焊接时，焊材的选择应充分考虑焊缝金属的热膨胀系数、成分和力学性能与母材相匹配，特别是热强性。常采用焊条电弧焊（SMAW）固定和埋弧焊（SAW）双面成型焊接，常用H13CrMoA焊丝-J603焊剂，R307H焊条（φ4.0），焊材成分如表3所示。
2.2.2 焊接工艺参数的选择
焊接工艺参数包括焊接热输入、焊前预热温度和道间温度等，会直接影响焊接接头的冷却条件，进而影响其组织性能。王国庆[2]曾提出，对于Cr-Mo系耐热钢采用热焊工艺焊接可提高合金的耐应力腐蚀性能。14Cr1MoR钢多为中厚板，散热慢，大的热输入容易造成接头晶粒粗大，强度和韧性降低，应采用小的焊接热参数，配合预热与缓冷，缩小焊接接头过热区宽度，限制晶粒长大，同时防止冷裂纹的产生。常用焊接工艺参数如表4所示，电流种类及极性均为直流反接[3]。
2.2.3 焊接辅助措施
14Cr1MoR钢多采用双U型及Y型坡口，热切割前，将割口边缘预热150 ℃;热切割后，采用机械加工方法加工坡口，并对坡口表面进行磁粉探伤，检查是否存在表面裂纹。焊前应将坡口表面及两侧各100 mm范围内的油污、铁锈清除干净，焊条严格按烘干工艺烘干，随用随取，以减少焊接接头扩散氢的来源。
焊前预热、道间温度的控制及后热消氢处理可显著降低焊接区氢含量和淬硬倾向，避免冷裂纹的产生，是保证焊接质量的重要环节。通过大量试验确定14Cr1MoR钢的最低预热温度为150 ℃，道间温度控制在 150～250 ℃。受厚钢板拘束度的影响，预热温度多为200 ℃，道间温度为200～250 ℃，焊后应立即进行 350～400 ℃消氢处理。
为消除14Cr1MoR钢残余应力，改善焊接接头的金相组织，提高接头的综合力学性能（降低焊缝及热影响区硬度，提高接头的高温蠕变强度和组织稳定性），应及时进行焊后热处理。焊后热处理工艺参数为：（600～690）±14 ℃保温2～3.5 h，热处理后焊缝硬度低于225 HB[4]。 2.3 14Cr1MoR钢复合钢板焊接应用
14Cr1MoR钢虽然具有优异的高温力学性能，但在日益苛刻的工况环境下，其耐蚀性不能满足使用要求，为提高设备整体寿命，在实际生产设计中多采用14Cr1MoR钢与其他耐蚀材料的复合板以获得更优良的性能。常用复合材料包括S321、S347、S904L、S11306、S410等不锈钢[5-6]。其中与S321不锈钢复合钢板广泛应用于抗晶界腐蚀性要求高的化学、煤炭、石油等工业;与S347H不锈钢复合钢板具有良好的耐晶间腐蚀性和较高的持久强度和抗氧化性能;与S904L不锈钢复合钢板对氯化物有着良好的耐应力腐蚀性能，在中性氯化物中具有非常好的耐点蚀性能[7];与S11306不锈钢复合钢板具有良好的抗腐蚀能力和抗氧化作用，较高的淬透性、耐磨性及热强性。复合钢板焊接时应注意过渡层成分及焊后热处理的控制。
3 14Cr1MoR钢在石油化工装置中的应用现状
14Cr1MoR钢凭借其较好的耐热强度及抗氧化、抗氢、抗硫腐蚀性能，广泛应于煤化工、石油化工及化学工业用设备制造领域，主要用于温度不大于500 ℃的中温压力容器的制造，如氨合成塔、焦炭塔、加氢反应器、换热器、中温变换炉等。
3.1 氨合成塔
氨合成塔被称为合成氨厂的心脏，是在高温高压条件下使氮气和氢气发生催化反应合成氨的关键设备，为高温临氢设备，服役条件十分恶劣。该设备采用立式结构，上部为热端，设计温度493 ℃，下部为冷端，设计温度275 ℃，设计压力0.53 MPa。选材设计原则为在满足强度和刚度的要求下主要满足防腐要求;在满足设计（压力、温度）条件下尽量选择便宜易加工的材料，做到经济、耐用、实惠[8-9]。14Cr1MoR钢为其主要受压元件的选材，如内筒和筒体端部等。舞钢通过优化成分设计、合理控制冶炼、轧制及热处理工艺开发的151 mm厚14Cr1MoR钢板，其组织为均匀的单一贝氏体回火组织，具有良好的常温、高温拉伸性能和优良的低温冲击韧性，满足了氨合成塔的技术要求[10]。
3.2 焦炭塔
延迟焦化装置的核心设备是焦炭塔，是炼油厂所有压力容器中使用环境最恶劣的设备之一[11]。焦炭塔一般每48 h进行1次从常温至500 ℃操作温度的循环，始终工作在高应力低周疲劳的恶劣状态;在低pH值、高含Cl-和H2S酸性水作用下易产生冲蚀、汽蚀;在进料生焦过程中出现高温硫腐蚀，产生FeS保护膜，但原料分解产生的Cl-及冷焦水中带来的Cl-会降低材质表面保护膜的形成或加速保护膜的破坏，从而促进焦碳塔局部腐蚀破坏，为疲劳破坏提供裂纹源。
焦炭塔为压力容器复合板设备，主体材质为14Cr1MoR。塔顶至泡沫层以下200 mm的材质为14Cr1MoR+410S，其他部分为14Cr1MoR，其中焦炭塔下部锥段为14Cr1MoR锻件。国内现有的在役焦炭塔主要出现了鼓凸变形，筒体和裙座之间的焊缝等部位出现裂纹、内壁腐蚀等问题[12]。
3.3 加氢反应器
加氢反应器是在高温、高压，并在含有氢或氢+硫化氢介质条件下工作的重要炼油工艺设备，其操作条件极为苛刻，对材料的高温力学性能提出了更高的要求[13]。其主体材质常选择14Cr1MoR钢，所有承压焊缝全部采用全焊透窄间隙结构，焊缝及堆焊层的氢损伤是其主要破坏形式。
4 结论
（1）14Cr1MoR钢的焊接结构存在冷裂纹、再热裂纹及回火脆性等焊接问题，必须根据具体工况条件选择合适的焊接工艺参数及辅助措施，以保证焊接质量。
（2）14Cr1MoR钢具有较好的耐热强度及抗氧化、抗氢、抗硫腐蚀性能，广泛应用于临氢、高温、高压的化工装置，科学合理的焊接技术是设备安全、生产安全的重要保障。
（3）14Cr1MoR钢和不锈钢复合钢板是实现材料兼具热强性和高耐蚀性的有效方法，过渡层成分及焊后热处理的控制將成为重点研究内容之一。
参考文献：
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关键词：14Cr1MoR钢;焊接性;焊接工艺要点;复合钢板
中图分类号：TG47文献标志码：B文章编号：1001-2303（2020）05-0094-04
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.19
0 前言
随着石油工业产业的不断发展，高温、高压、高腐蚀的工况环境对石油化工装置提出了更为苛刻的要求，所采用的钢材必须具有优异的常温机械性能、常温塑性、韧性和抗回火脆性及耐蚀性。早期，这类设备所需钢材只能通过进口，如SA387 Gr11 C12等材料，但是此类钢材价格昂贵、供货周期长，不适宜工业生产。近年来，国产14Cr1MoR钢因高温性能稳定、价格便宜、加工性能优异等优点逐渐进入石化行业，在降低成本的同时缩短了生产周期，为大众所青睐。
1 14Cr1MoR钢的化学成分及力学性能
1.1 14Cr1MoR钢的化学成分
14Cr1MoR钢是舞阳钢厂开发的一种抗氢耐热钢，属铬钼低合金结构钢，执行GB713-2008国家标准，系1.25Cr0.5Mo珠光体耐热钢，其化学成分如表1所示。其中Cr、Mo为主要热强元素，Cr能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，可在提高碳钢的硬度和耐磨性的同时不使钢变脆，使其具有良好的高温抗氧化性和耐氧化性腐蚀作用，还增加了其热强性，是耐热钢的主要合金元素。Mo增强了钢的热强性，防止回火脆性，并进一步提高对有机酸（如蚁酸、醋酸、草酸等）以及过氧化氢、硫酸、亚硫酸、硫酸盐、酸性染料等的抗蚀性，特别是防止了氯离子产生的点腐蚀倾向。
1.2 14Cr1MoR钢的力学性能
为了获取良好的力学性能，14Cr1MoR钢的热处理工艺为900 ℃水冷淬火+685 ℃高温回火。900 ℃淬火后的组织为板条马氏体，具有高的强度（1 000～1 040 MPa）和显微硬度（401～446 HV），但塑性和韧性较差，必须通过高温回火以改善其塑性和韧性。14Cr1MoR钢的力学性能如表2所示。
2 14Cr1MoR钢的焊接应用研究
2.1 14Cr1MoR钢的可焊性分析
采用国际焊接学会推荐的碳当量计算公式CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15，根据表1中数据计算出14Cr1MoR钢的CE为0.42%～0.72%。一般当CE<0.4%时，钢材的焊接性能良好，无需预热即可焊接;当0.4%～0.6%时，钢材的焊接性能不佳，需较高温度预热，严格控制焊接工艺，才能进行焊接。可见14Cr1MoR钢具有一定的淬硬倾向，易产生冷裂纹，一般采用低氢焊条并控制焊接热输入，加上适当的预热、后热和焊后热处理等工艺措施来保证焊缝质量。
14Cr1MoR钢存在较多具有沉淀强化的合金元素（Cr、Mo），在焊接过程中热影响区受到高温作用，奥氏体晶粒严重长大，碳化物溶于奥氏体中，焊接接头经过700 ℃左右的焊后热处理，碳化物在晶粒内部析出，晶粒内部强化，晶界薄弱，当拘束应力超过晶界抗拉强度时，则产生再热裂纹[1]。针对该问题，可采取以下措施：焊接时控制线能量的输入，尽量减少过热粗晶区;选用低匹配的焊接材料，适当地降低焊缝金属强度以及提高其塑性变形能力;采用预热和后热措施;控制焊接质量，合理装配，以减少焊接接头的应力集中，减少再热裂纹的产生。
2.2 14Cr1MoR钢的焊接工艺要点
2.2.1 焊接材料及方法
14Cr1MoR钢焊接时，焊材的选择应充分考虑焊缝金属的热膨胀系数、成分和力学性能与母材相匹配，特别是热强性。常采用焊条电弧焊（SMAW）固定和埋弧焊（SAW）双面成型焊接，常用H13CrMoA焊丝-J603焊剂，R307H焊条（φ4.0），焊材成分如表3所示。
2.2.2 焊接工艺参数的选择
焊接工艺参数包括焊接热输入、焊前预热温度和道间温度等，会直接影响焊接接头的冷却条件，进而影响其组织性能。王国庆[2]曾提出，对于Cr-Mo系耐热钢采用热焊工艺焊接可提高合金的耐应力腐蚀性能。14Cr1MoR钢多为中厚板，散热慢，大的热输入容易造成接头晶粒粗大，强度和韧性降低，应采用小的焊接热参数，配合预热与缓冷，缩小焊接接头过热区宽度，限制晶粒长大，同时防止冷裂纹的产生。常用焊接工艺参数如表4所示，电流种类及极性均为直流反接[3]。
2.2.3 焊接辅助措施
14Cr1MoR钢多采用双U型及Y型坡口，热切割前，将割口边缘预热150 ℃;热切割后，采用机械加工方法加工坡口，并对坡口表面进行磁粉探伤，检查是否存在表面裂纹。焊前应将坡口表面及两侧各100 mm范围内的油污、铁锈清除干净，焊条严格按烘干工艺烘干，随用随取，以减少焊接接头扩散氢的来源。
焊前预热、道间温度的控制及后热消氢处理可显著降低焊接区氢含量和淬硬倾向，避免冷裂纹的产生，是保证焊接质量的重要环节。通过大量试验确定14Cr1MoR钢的最低预热温度为150 ℃，道间温度控制在 150～250 ℃。受厚钢板拘束度的影响，预热温度多为200 ℃，道间温度为200～250 ℃，焊后应立即进行 350～400 ℃消氢处理。
为消除14Cr1MoR钢残余应力，改善焊接接头的金相组织，提高接头的综合力学性能（降低焊缝及热影响区硬度，提高接头的高温蠕变强度和组织稳定性），应及时进行焊后热处理。焊后热处理工艺参数为：（600～690）±14 ℃保温2～3.5 h，热处理后焊缝硬度低于225 HB[4]。 2.3 14Cr1MoR钢复合钢板焊接应用
14Cr1MoR钢虽然具有优异的高温力学性能，但在日益苛刻的工况环境下，其耐蚀性不能满足使用要求，为提高设备整体寿命，在实际生产设计中多采用14Cr1MoR钢与其他耐蚀材料的复合板以获得更优良的性能。常用复合材料包括S321、S347、S904L、S11306、S410等不锈钢[5-6]。其中与S321不锈钢复合钢板广泛应用于抗晶界腐蚀性要求高的化学、煤炭、石油等工业;与S347H不锈钢复合钢板具有良好的耐晶间腐蚀性和较高的持久强度和抗氧化性能;与S904L不锈钢复合钢板对氯化物有着良好的耐应力腐蚀性能，在中性氯化物中具有非常好的耐点蚀性能[7];与S11306不锈钢复合钢板具有良好的抗腐蚀能力和抗氧化作用，较高的淬透性、耐磨性及热强性。复合钢板焊接时应注意过渡层成分及焊后热处理的控制。
3 14Cr1MoR钢在石油化工装置中的应用现状
14Cr1MoR钢凭借其较好的耐热强度及抗氧化、抗氢、抗硫腐蚀性能，广泛应于煤化工、石油化工及化学工业用设备制造领域，主要用于温度不大于500 ℃的中温压力容器的制造，如氨合成塔、焦炭塔、加氢反应器、换热器、中温变换炉等。
3.1 氨合成塔
氨合成塔被称为合成氨厂的心脏，是在高温高压条件下使氮气和氢气发生催化反应合成氨的关键设备，为高温临氢设备，服役条件十分恶劣。该设备采用立式结构，上部为热端，设计温度493 ℃，下部为冷端，设计温度275 ℃，设计压力0.53 MPa。选材设计原则为在满足强度和刚度的要求下主要满足防腐要求;在满足设计（压力、温度）条件下尽量选择便宜易加工的材料，做到经济、耐用、实惠[8-9]。14Cr1MoR钢为其主要受压元件的选材，如内筒和筒体端部等。舞钢通过优化成分设计、合理控制冶炼、轧制及热处理工艺开发的151 mm厚14Cr1MoR钢板，其组织为均匀的单一贝氏体回火组织，具有良好的常温、高温拉伸性能和优良的低温冲击韧性，满足了氨合成塔的技术要求[10]。
3.2 焦炭塔
延迟焦化装置的核心设备是焦炭塔，是炼油厂所有压力容器中使用环境最恶劣的设备之一[11]。焦炭塔一般每48 h进行1次从常温至500 ℃操作温度的循环，始终工作在高应力低周疲劳的恶劣状态;在低pH值、高含Cl-和H2S酸性水作用下易产生冲蚀、汽蚀;在进料生焦过程中出现高温硫腐蚀，产生FeS保护膜，但原料分解产生的Cl-及冷焦水中带来的Cl-会降低材质表面保护膜的形成或加速保护膜的破坏，从而促进焦碳塔局部腐蚀破坏，为疲劳破坏提供裂纹源。
焦炭塔为压力容器复合板设备，主体材质为14Cr1MoR。塔顶至泡沫层以下200 mm的材质为14Cr1MoR+410S，其他部分为14Cr1MoR，其中焦炭塔下部锥段为14Cr1MoR锻件。国内现有的在役焦炭塔主要出现了鼓凸变形，筒体和裙座之间的焊缝等部位出现裂纹、内壁腐蚀等问题[12]。
3.3 加氢反应器
加氢反应器是在高温、高压，并在含有氢或氢+硫化氢介质条件下工作的重要炼油工艺设备，其操作条件极为苛刻，对材料的高温力学性能提出了更高的要求[13]。其主体材质常选择14Cr1MoR钢，所有承压焊缝全部采用全焊透窄间隙结构，焊缝及堆焊层的氢损伤是其主要破坏形式。
4 结论
（1）14Cr1MoR钢的焊接结构存在冷裂纹、再热裂纹及回火脆性等焊接问题，必须根据具体工况条件选择合适的焊接工艺参数及辅助措施，以保证焊接质量。
（2）14Cr1MoR钢具有较好的耐热强度及抗氧化、抗氢、抗硫腐蚀性能，广泛应用于临氢、高温、高压的化工装置，科学合理的焊接技术是设备安全、生产安全的重要保障。
（3）14Cr1MoR钢和不锈钢复合钢板是实现材料兼具热强性和高耐蚀性的有效方法，过渡层成分及焊后热处理的控制將成为重点研究内容之一。
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