2.25Cr-1Mo- 0.25V鋼大型壓力容器封頭均質性研究

曹晨思 段紅玲 李雪龍

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618013)

近年來，隨著渣油加氫技術的采用和煉油裝置規模的大型化，加氫反應器向大型化和厚壁化方向不斷發展，加氫反應器對外殼用鋼的純凈度、均質性、抗氫性和綜合力學性能等也有極高要求。2.25Cr-1Mo- 0.25V鋼是國內近年來發展的新鋼種，它在2.25Cr-1Mo鋼基礎上添加了V、Nb、Ti、B等合金元素，與傳統的Cr-Mo鋼相比，具有高強度、抗氫脆、抗氫腐蝕，以及抗回火脆化能力好等特點，目前已廣泛運用于厚壁加氫反應器的制造[1]。

在石化壓力容器設備制造中，封頭鍛件是加氫反應器等關鍵設備的重點零件。由于封頭板坯冶金質量和成形方式的限制，其產品的純凈性、均質性和致密性一直是設計院和鍛造制造商所關注的。本文通過研究直徑為?6350 mm的2.25Cr-1Mo- 0.25V鋼鍛制封頭的熱處理過程及組織性能關系，對比不同厚度的封頭母材熱處理試板與封頭本體(由頂部開孔切下的試料)的各項力學性能指標，證明封頭母材熱處理試板的力學性能完全可以代表封頭本體，為穩定后續大型封頭的生產，提供數據支持。

1 制造過程

1.1 鋼錠冶煉

本文所研究的封頭鋼錠錠型為340 t，一錠制造兩件封頭。采用的鋼錠均為電弧爐粗煉鋼水，鋼包爐精煉，真空澆注制得。通過這種雙真空處理的鋼錠可以有效去除鋼錠中的P、S及其他雜質元素，鋼錠質量及其熱加工性可以得到保證。但一般來說，在鋼錠制造中，隨鋼錠的錠型增大，鋼水量增加，制造過程中對夾雜物、偏析、疏松縮孔等缺陷的控制難度就越大，不同等級的鋼錠存在不同的制造難度。

1.2 鍛造

1.2.1 鍛造工藝過程

本文所研究的封頭采用筒體制坯，由半圓筒體展開的板坯最先為矩形，然后通過氣割得到圓形板坯，其過程詳見表1。首先經鋼錠制坯并下料，然后通過鐓粗沖孔、芯軸拔長和馬杠擴孔得到筒體中間坯，再將筒體一分為二并通過水壓機展開得到兩件板坯，最后通過拉伸沖壓板坯得到兩件封頭鍛件毛坯。

表1 封頭板坯的主要鍛造成形過程Table 1 The main forging forming process of the head slab

1.2.2 鍛造過程主要特點

(1)在鐓粗、沖孔過程中，鋼錠心部的疏松、縮孔、V型偏析區及部分A偏析區將隨沖脫而去除，這就使得鋼錠中質量較差部分完全與鍛件本體分離，保證了良好的坯料基礎。在之后的芯軸拔長和馬杠擴孔過程中，殘留在坯料中的鋼錠固有缺陷將進一步在良好三向壓應力作用下被鍛合。因此，鍛件質量可以得到有效的保障。

(2)鍛件芯軸拔長時鍛造方向為筒體軸線，馬杠擴孔時鍛造方向為筒體周向，因此，最終封頭在各方向的變形程度差異不大，也就是說板坯的各向異性較為不明顯，從而可以保證封頭鍛件各部位的組織性能差異性更小。

(3)相比于其他板坯成形方法，筒體擴孔可以將板坯厚度做得更接近封頭壁厚，因此，可在封頭成品鍛件上最大限度保留鍛造致密組織，進而得到高質量鍛件。

1.3 性能熱處理

奧氏體化溫度對2.25Cr-1Mo- 0.25V鋼有著至關重要的作用，2.25Cr-1Mo- 0.25V鋼中的V、Nb、Ti等微合金化元素在熱加工過程中易于出現復合析出效應，影響和削弱所加入合金元素的作用，進而影響鋼的性能。提高奧氏體化溫度有利于合金元素的充分溶解和均勻化，對提高基體強度有利。但是較高的奧氏體化溫度又可能導致晶粒粗大，降低鋼的韌性。研究表明，2.25Cr-1Mo- 0.25V鋼的奧氏體晶粒開始長大的溫度約為1000℃，但在960℃以上時已經開始出現混晶，高于1000℃后晶粒尺寸會迅速增大[2]。因此，當奧氏體化后的冷卻速度足以使其心部獲得全貝氏體組織時，應優先選擇較佳的奧氏體化溫度和時間。

2.25Cr-1Mo- 0.25V鋼的調質熱處理工藝較為成熟，一般都是根據C含量的高低對工藝做出微調，但總的來說，淬火溫度為940℃，回火溫度為690℃。應當注意的是，盡管該鋼種具有良好的淬透性，但為了得到最佳低溫韌性、室溫強度和高溫強度，仍然要求進行強烈、快速的冷卻。淬火的冷卻速度不夠時，易造成封頭鍛件力學性能偏低。對于大型厚壁封頭，還需增加一次用來細化粗大鍛造組織的正火，為后續淬火做準備，熱處理工藝如圖1所示。

(a)預處理

(b)性能熱處理圖1 2.25Cr-1Mo- 0.25V鋼封頭性能熱處理工藝曲線Figure 1 Property heat treatment process curve of 2.25Cr-1Mo- 0.25V steel head

為了滿足2.25Cr-1Mo- 0.25V鋼封頭鍛件的力學性能指標，必須要求鍛件從出爐到入水的時間短，入水后采用循環水，必要時往水里加入冰塊，通過控制入水溫度和加大循環水流量等措施以確保鍛件心部T/2處的冷卻速度。

2 鍛件取樣及性能分析

2.1 封頭鍛件取試

為了驗證大型壓力容器用2.25Cr-1Mo-0.25V鋼封頭的均質性，需要對比不同厚度的封頭母材熱處理試板與封頭本體(頂孔試料)的化學成分和各項力學性能指標，具體取樣方案如下：性能熱處理后，分別在封頭母材熱處理試板(位于封頭板坯的四個角上)和封頭鍛件的頂孔試環上的四個位置取樣進行試驗，其取樣示意圖如圖2所示。

(a)封頭母材熱處理試板(b)封頭本體

2.2 不同厚度鍛制封頭均質性檢驗結果

2.2.1 化學成分

本文選取了不同厚度的12個鍛制封頭，性能熱處理后，在封頭母材熱處理試板和封頭本體上各自取樣進行成品分析，其主要化學成分對比結果見圖3。

(a)C元素含量對比(b)Mn元素含量對比(c)Ni元素含量對比(d)Cr元素含量對比(e)Mo元素含量對比(f)V元素含量對比

從圖3的結果可以看出，不同厚度的鍛制封頭的母材熱處理試板主要化學成分與封頭本體主要化學成分完全符合2.25Cr-1Mo- 0.25V鋼的技術要求，且分析結果基本相同，表明公司生產的大型壓力容器封頭的化學成分具有很好的均勻性，這也是保證其各項力學性能指標穩定的前提。

2.2.2 力學性能

性能熱處理后，同樣在不同厚度的鍛制封頭的母材熱處理試板和封頭本體上各自取樣進行力學性能檢測，力學性能對比結果如圖4所示。

(a)最大模擬焊后熱處理狀態下的室溫拉伸對比(b)最小模擬焊后熱處理狀態下的室溫拉伸對比(c)最大模擬焊后熱處理狀態下的454℃高溫拉伸對比(d)最小模擬焊后熱處理狀態下的454℃高溫拉伸對比(e)最大模擬焊后熱處理狀態下的-30℃低溫沖擊對比(f)最小模擬焊后熱處理狀態下的-30℃低溫沖擊對比

從圖4的結果可以看出，不同厚度的鍛制封頭的母材熱處理試板與封頭本體的力學性能無論是在Max.PWHT還是Min.PWHT狀態下都相差不大，室溫的抗拉強度和屈服強度、454℃的抗拉強度和屈服強度均表現出很好的均勻性；相對來說，-30℃低溫沖擊吸收能量波動較大，但相應的最小沖擊吸收能量仍遠大于最低要求。表明公司生產的2.25Cr-1Mo- 0.25V鋼大型壓力容器封頭的各部位力學性能均勻。

2.2.3 晶粒度

性能熱處理后，同樣在不同厚度的鍛制封頭的母材熱處理試板和封頭本體上各自取樣進行晶粒度檢測，對比結果如圖5所示。

從圖5的結果可以看出，不同厚度的鍛制封頭的母材熱處理試板與封頭本體的晶粒度在Min.PWHT狀態下都相差不大，晶粒度滿足要求，均勻一致，表明公司生產的2.25Cr-1Mo- 0.25V鋼大型壓力容器封頭鍛件均有很好的純凈性。

圖5 最小模擬焊后熱處理狀態下的晶粒度對比Figure 5 Comparison of grain size under minimum simulated post-weld heat treatment

3 結論

通過對公司生產的不同厚度2.25Cr-1Mo-0.25V鋼大型壓力容器封頭進行理化性能試驗，分析了母材熱處理試板和封頭本體不同取樣部位的試料化學成分、力學性能和晶粒度。

(1)不同取樣部位的化學成分均勻，C含量控制在0.14%～0.16%(質量分數)范圍內，其它主加合金元素含量也僅在一個非常小的范圍內波動，具有很好的均勻性。

(2)不同取樣部位的模擬態力學性能指標均滿足要求，且均有很好的均勻性，相對來說，低溫沖擊吸收能量波動較大，但相應的最小沖擊吸收能量仍遠大于最低要求。

(3)各部位的晶粒度均勻一致，表明封頭有很好的純凈性。

(4)綜上，封頭母材熱處理試板的理化性能完全可以代表封頭本體。