《装备维修技术》2019年第3期（总第171期）doi:10.16648/jki.1005-2917.2019.03.176
牛翰卿
（兰州兰石集团有限公司铸锻分公司，甘肃兰州730314）
摘要：12Cr2Mo1V钢主要用于高温、高压和高氢分压的加氢装置中，是大型压力容器锻件的理想材料。为保证焊后焊接接头安全性，必须要进行焊接工艺评定。在对12Cr2Mo1V钢焊接性进行理论分析的基础上，制定了12Cr2Mo1V钢的焊接工艺方案，并按照ASME IX 钢卷标准进行了焊接工艺评定试验。结果表明，所制定的焊接工艺方案其焊接接头性能符合TSG21–2016《固定式压力容器安全技术检 测规程》有关技术要求。
关键词：12Cr2Mo1V；焊接工艺；焊接接头
随着加氢工艺技术的提高、特别是渣油加氢改质和煤加氢液化工艺的不断发展，加氢装置规模趋于大型
化，加氢设备使用条件趋于更高温。目前12Cr2Mo1V钢因加入钒和微量合金元素提高钢的淬透性和钢的强度等级；具有较高的抗高温蠕变性能、抗回火脆化能力、抗氢侵蚀、氢脆和氢致裂纹的能力，是大型压力容器锻件的理想材料[1]。因12Cr2Mo1V钢使用要求及服役环境的特殊性，为确保焊后产品的安全性，合理评价焊接工艺，保证焊接工艺的合理性，使焊接接头符合技术要求，具有非常重要意义。
（一）焊接试板规格及坡口形式
12Cr2Mo1V钢焊接试验所用锻件试板规格为1000×120×45，4块（2对），坡口加工图如图1所示：
图112Cr2Mo1V焊接试板规格及坡口图（二） 12Cr2Mo1V焊接试板化学成分及焊接性
表1 12Cr2Mo1V焊接试板化学成分
元素C Si Mn P S Cr Mo
标准≤0.15≤0.100.30–0.60≤0.012≤0.010 2.00–2.500.90–1.10成品0.120.070.500.0050.002 2.310.96
元素V Ni Cu Nb Ti B
标准0.25–0.35≤0.25≤0.25≤0.07≤0.03≤0.002
成品0.270.160.060.030.010.001
标准为NB/T47008–2010《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》
12Cr2Mo1V焊接试板化学成分如表1所示。12Cr2Mo1V钢碳和合金元素含量高，根据公式CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15可得，12Cr2Mo1V钢CE≥0.6%，焊接性较差，属难焊材料。一方面，焊接过程中存在着一定程度的硬化倾向，另一方面，在焊接热循环所决定的冷却速率条件下，焊缝和热影响区可能形成对冷裂纹敏感的显微组织，可能会生成Cr、Mo和V碳化物，容易引起接头过热区的再热裂纹。因此在焊接时需采用较高的预热温度和严格的工艺方法。
（三）力学性能要求
12Cr2Mo1V钢锻件试板焊接后经过最大（Max.PWHT）和最小（Min.PWHT）焊后模拟热处理后检测力学性能。要求室温拉伸强度590–760MPa；454℃、540℃高温屈服强度Rp0.2≥350；夏比冲击功–30℃（V型缺口）平均值≥60J，允许一个试样≥54J，HV（10）硬度≤247，侧弯无裂纹；显微组织为贝氏体组织；回火脆性敏感性试验vTr54+3△vTr54≤0℃。
二、焊接工艺制定
（一）焊前预热温度制定
由于母材的碳当量大于0.6%，容易产生焊接冷裂纹和再热裂
纹，因此选择了焊前预热的方法。根据Ito–Bessyo和Seferiau[2]提出的预热温度公式，预热温度范围为200℃–300℃。焊接前预热温
度定为220℃。
（二）焊前工艺参数制定
（1）采用手工电弧焊方法进行多层多道焊接；
（2）打底层选择φ5.0mm的CM–A106HD焊条，填充层选择φ5.0mm的CM–A106HD焊条施焊，侧层间温度230℃–300℃。
（3）坡口形式及尺寸见图1，焊接时焊接工艺参数见表2所示。
表2 12Cr2Mo1V试板焊接工艺参数
电源种类和极性焊接电流（A）焊接电压（V）焊接速度（m/h）后热温度及时间（℃×h）直流反接20
0–22022–269–11（300–350）×2（三）焊后热处理工艺制定
焊后热处理参数如表3所示。
表3 12Cr2Mo1V焊接试板焊后模拟热处理参数
装炉温度（℃）加热速度℃/h）保温温度（℃）保温时间（h）冷却速度（℃/h）冷却方式装炉温度（℃）模拟焊后热处理
≤400≤557058≤60炉冷至400℃
出炉空冷
≤400Min.PWHT
≤400≤5570532≤60炉冷至400℃
出炉空冷
≤400Max.PWHT
三、焊接试板性能结果
对Min.PWHT和Max.PWHT后的焊接试板均进行了对应的试验，其中Min.PWHT试板编号为SMAW–1，Max.PWHT试板编号为SMAW–2，试验结果如下：
（一）拉伸试验
焊接试板按照GB/T228.1–2010进行室温拉伸试验，作接头板拉2件；按照GB/T228.2–2015进行高温拉伸试验，分别作454℃、540℃拉伸各1件，试验结果见表4所示。
–201–
– 202 –
技术改造·加氢反应器12Cr2Mo1V 钢焊接工艺制定
表4 拉伸试验结果
常温拉伸试验结果
高温拉伸试验结果
试板编号抗拉强度Rm （Mpa ）
试验温度（℃）屈服强度Rp0.2（Mpa ）
SMAW –1694454480722540420SMAW –2
642454380639
540375
（二） KV2冲击试验
焊接试板按照GB/T229–2007 进行母材区、焊缝区和热影响区3区–30℃冲击试验，取样位置在试板厚度方向的距上下表面
1.6mm 、T/2处取样，–30℃KV2冲击吸收功均大于等于60J ，试验结果见表5所示。
表5 焊接试板母材冲击试验结果
试板编号取样位置–30℃KV2冲击吸收功（J ）
焊接试板母材区
焊接试板焊缝区焊接试板热影响区
SMAW –1
距上表面1.6mm
201.249.280124.150.133220.211.218T/2
253.303.289134.154.127212.117.213距下表面1.6mm 274.241.220144.127.160216.168.244SMAW –2
距上表面1.6mm
284.295.291122.140.130248.295.291T/2
297.293.283104.124.137211.206.213距下表面1.6mm
279.279.296
140.126.154
167.230.208
（三） 弯曲试验
焊接试板按照GB/T232–2010进行侧弯试验，试板SMAW –1与SMAW –2全焊缝各做侧弯2件，弯心直径d=4a ，试样厚度a=10.0mm ，弯曲角度α=180°。经过试验，冷弯后4件侧弯均未出现裂纹，结果合格。（四） 硬度试验
焊接试板按照GB/T231.1 –2009进行硬度试验，分别取焊缝2点、热影响区6点、母材2点（上、下表面1.6mm 处及T/2处）进行硬度测量，HV （10）硬度测量值均小于等于247，符合要求，检测结果见表6所示。
表6 焊接试板3区硬度试验结果
试板编号取样位置硬度HV10焊接试板母材区
焊接试板焊缝区焊接试板热影响区
SMAW –1
距上表面1.6mm
225.220214.209.234.241.223.228224.196T/2
247.234234.239.241.242.241.248228.228距下表面1.6mm 243.231223.237.256.257.238.237228.234SMAW –2
距上表面1.6mm
202.206224.237.232.233.202.298208.233T/2
210.204237.215.224.234.214.233201.231距下表面1.6mm
217.201
203.194.225.226.219.221
208.192
（五） 金相组织
焊接试板按照GB/T13298–2015进行显微组织检验，在母材区、
焊缝区、热影响区进行检测，显微组织均为贝氏体回火组织，试验结果见图2所示。
SMAW –1 母材区 贝氏体回火组织SMAW –2 母材区 贝氏体回火组织SMAW –1 焊缝区 贝氏体回火组织SMAW –2 焊缝区 贝氏体回火组织
SMAW –1 热影响区 贝氏体回火组织
SMAW –2 热影响区
贝氏体回火组织
图2 金相显微组织
【下转第202页】
– 38 –
doi:10.16648/jki.1005-2917.2019.03.030
泡水时间对聚乙烯绝缘材料电气性能的影响
高翾宇 于思源 谭景洋
（哈尔滨理工大学，山东 威海 264300）
摘
要：通过浸泡实验对聚乙烯绝缘材料的电气参数进行测量，研究了湿度对聚乙烯绝缘材料电气性能的影响，并建立数学模型，得到浸泡时
间与体积电阻率的函数表达式。
关键词：浸泡实验；聚乙烯；电气性能；数学模型
一、 引言
绝缘的作用主要是使电缆中的导体与周围环境或相邻导体间相互绝缘。电缆的质量和使用寿命很大程度上取决于绝缘材料的电性能，电缆在运行中，绝缘层需具备稳定的特性，较高的绝缘电阻及击穿强
度，良好的耐树枝放电和局部放电特性[1]。而绝缘材料的电气性能与其水分含量密切相关。聚乙烯以优良的耐低温性、化学稳定性和电绝缘性在电缆中得到广泛利用。因此，研究水分对聚乙烯绝缘材料电气性能的影响对电缆的应用和发展有着重要意义。
二、 水分对PE 绝缘材料的影响
由于塑料的结构具有高分子性并且其中含有极性基团，从而使水分能够进入其中。在周围大气与塑料之间存在的分压差的作用下，会使水分子进一步侵入。电缆在日常运行过程中，由于电流的通过会产生一定的热量。在水分的长期作用下，绝缘材料会出现表面受潮现象，在一定温度作用下绝缘材料中的大分子聚合物将会与其组成的大分子链结发生相对运动，此时绝缘层外的水分子会侵入绝缘层，进入到聚合物的内部。而聚合物中由于极性分子水分子的数量增多会使导电离子增多[2]，从而使绝缘性能下降。水蒸气吸附于绝缘结构的表面将使绝缘结构受到较为严重的破坏，进而导致绝缘效果的减弱。
三、 PE 绝缘材料的浸泡实验
为了进一步探究水分对PE 绝缘材料的影响，我们对完全一样的PE 在相同室温下分别进行了1h 、2h 、3h 、4h 、5h 、70h 、95h 、115h 、140h 、165h 的泡水实验，并对晾干后的试样进行了体积电阻率、相对介电常数、击穿场强的测量，结果如下表1所示：
表1 PE 绝缘材料浸泡时间与各电气参数的关系
序号浸泡时间（h ）ρv （Ωcm ）εr Eb （Kv/mm ）11 3.409610×16 2.14635562.4122219222 1.287810×16 2.00177269.7619047633 1.186110×16 2.29797157.390564544 1.105210×16 2.27153674.6315789555 1.043210×16 1.94163572.32099775670 3.484210×15 2.30957450.54033866795 3.508310×15 2.31523551.950008838115 3.448210×15 2.16495656.112098439140 3.529210×15 2.23758658.0017736510
165
3.460710×15
渣油加氢
2.118098
66.95514664
由此可以看出，浸泡实验使试样的体积电阻率减小，相对介电常数增大、击穿场强降低。即使绝缘材料的电气性能降低。经过进一步分析可知，相对相对介电常数这个参数的变化率最小，为
7.9%。即可认为水分对相对介电常数的影响最小；体积电阻率这个参数的变化率最大，为137%。即
可认为潮气对体积电阻率的影响最大。并且发现在浸泡时间达70h 以上时，PE 绝缘材料的绝缘电阻变化不再明显。这是由于在电压作用下，绝缘材料内部电子和离子的迁移会导致直流绝缘产生相对应的变化，在水分含量增大时，绝缘材料离子和电子的迁移速率也会随之增加[3]。且在施加电压相同时，体积电阻率与体电流成反比，体积电阻率下降，绝缘性能变差。并且在绝缘范围内，水分子随着浸泡时间的增加不断侵入到绝缘材料的内部，当绝缘材料内部离子趋于饱和时，即便浸泡时间加长，绝缘材料的绝缘电阻变化也不会太大。
四、 对体积电阻率的数据建立数学模型
通过MATLAB 对体积电阻率的实验数据进行拟合后得到体积电阻率与时间的函数关系：
ρv =t q t q t q 3
2p t p t p +++123
2123
++其中p 1=–39.14；p 2=6744；p 3=–2214；q 1=–104.2；q 2=7532；
q 3=–6108。
拟合图像如下图1所示：
图1. PE 绝缘材料体积电阻率与浸泡时间的拟合图像
五、 结语
PE 是目前应用范围比较广的绝缘材料，而水分对绝缘材料的电气性能具有极其重要的影响，因此研究水分对绝缘材料的性能影响是十分必要的，并且设法提高电缆的耐湿性也是在设计电缆时的重要考虑因素。本次实验由于设备老化、测量过程中不可避免地系统误差等原因，实验数据难免会出现一定的偏差。
参考文献
[1] 曾燕华，李扬，王娟.电工绝缘材料微量水分在线检测系统[J].电工技
术，2004（2）：30–31.
[2] 周阳.影响电缆绝缘性能的因素研究及其对策[D].大连理工大学，2015.[3] 蒋洪富.湿度对聚合物绝缘材料电气性能的影响[J].特殊电工，1981（4）：58–62.
（六） 回火脆性敏感性试验（步冷试验）
模拟焊后热处理焊接接头进行回火脆性敏感性试验，实验结果热影响区vTr54+3△vTr54=–91.0℃；焊缝金属vTr54+3△vTr54=–83.0℃，结果均低于规定温度，符合标准要求。
四、 结论
本试验针对规格为1000×120×45焊接试板，制定了焊接和热处理规范，并进行焊接工艺评定实验，得出以下结论：（1）对12cr2mo1v 焊接试验板的焊接接头进行分析后，得到焊接试板经Min.PWHT 和Max. PWHT 焊后模拟热处理后其焊接接头室温抗拉强度、高温屈服强度、–30℃夏比冲击功、弯曲实验、HV （10）
硬度、显微组织、回火脆性敏感性试验结果，均符合要求。（2） 评定结果表明，本文所制定的焊接工艺方案其焊接接头性能符合TSG21–2016《固定式压力容器安全技术检测规程》有关技术要求[3]。
参考文献
[1] 赵猛.加氢裂化反应器全面检验及缺陷处理[J].石油和化工设备，2013.[2] 周振丰，张文钺.焊接冶金与金属焊接性[M].北京：机械工业出版社，
1998：301–323.
[3] TSG21–2016.定式压力容器安全技术检测规程[S].
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