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鎖緊環(huán)換熱器耐蝕層堆焊工藝研究

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鎖緊環(huán)式換熱器在高溫、高壓、臨氫和硫化氫環(huán)境條件下工作，需在其內(nèi)部堆焊不銹鋼耐蝕層。但不銹鋼耐蝕層的堆焊是制造中的技術(shù)難點(diǎn)，堆焊材料選擇不當(dāng)或堆焊工藝不合理會(huì)產(chǎn)生堆焊層剝離問題，所以解決堆焊層的抗剝離問題就成為鎖緊環(huán)制造中的技術(shù)關(guān)鍵。通過對(duì)不銹鋼耐蝕層產(chǎn)生剝離問題的影響因素進(jìn)行焊接性分析和工藝研究，確定了最佳工藝匹配，成功地完成了耐蝕層堆焊。

鎖緊環(huán)換熱器 耐蝕層 堆焊 工藝研究

1 前言

燕化煉油事業(yè)部柴油加氫精制裝置、反應(yīng)產(chǎn)物與混氫油換熱器（E-101），其結(jié)構(gòu)型式為鎖緊環(huán)式，主體（殼體、管箱、接管）材料為2.25Cr-1Mo鋼。其工作在高溫、高壓、臨氫和硫化氫環(huán)境條件下，2.25Cr-1Mo鋼雖具有良好的抗氫蝕性能,但當(dāng)使用溫度超過260℃時(shí)，就不能耐硫化物的腐蝕,所以在其內(nèi)部需堆焊不銹鋼耐蝕層。

目前，加氫反應(yīng)器制造技術(shù)不斷進(jìn)步，但不銹鋼耐蝕層的堆焊仍是制造中的技術(shù)難點(diǎn)，堆焊材料選擇不當(dāng)或堆焊工藝不合理會(huì)產(chǎn)生堆焊層剝離問題，所以解決堆焊層的抗剝離問題就成為鎖緊環(huán)制造中的技術(shù)關(guān)鍵。

2 2.25Cr-1Mo鋼堆焊耐蝕層（E309L+E347L）焊接性分析

2.25 Cr-1Mo鋼采用電爐或氧氣轉(zhuǎn)爐加真空脫氣精煉工藝冶煉，為本質(zhì)細(xì)晶粒鎮(zhèn)靜鋼。其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

在2.25Cr-1Mo上堆焊不銹鋼耐蝕層（E309L+E347L），存在基層金屬對(duì)堆焊層金屬的稀釋問題、氫聚集問題、雜質(zhì)的偏析問題及堆焊層金屬中鐵素體含量等問題，這些因素都將影響堆焊層的抗剝離性能。

2.1 產(chǎn)生剝離的原因和解決措施

2.1.1 熱應(yīng)力作用 由于在Cr-Mo鋼基層上堆焊不銹鋼，兩種鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)及線膨脹系數(shù)相差很大，Cr-Mo鋼的導(dǎo)熱系數(shù)大線膨脹系數(shù)小，不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)小而線膨脹系數(shù)大（不銹鋼的熱膨脹系數(shù)比Cr-Mo鋼大30～50%，導(dǎo)熱系數(shù)卻只有Cr-Mo鋼的1/3〖1〗），不僅在焊接時(shí)產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力，而且在設(shè)備運(yùn)行中循環(huán)溫度作用下，也會(huì)形成新的熱應(yīng)力。

2.1.2 組織應(yīng)力作用 在Cr-Mo鋼基體上堆焊不銹鋼，Cr-Mo鋼稀釋不銹鋼化學(xué)成分，當(dāng)焊縫中含鎳量低于5%～6%將形成馬氏體組織，在高溫運(yùn)行中，碳向奧氏體區(qū)遷移，鐵素體側(cè)形成脫碳層而軟化，奧氏體側(cè)形成增碳層而硬化，增碳層和脫碳層變形阻力不同會(huì)產(chǎn)生組織應(yīng)力。

2.1.3 氫的作用 當(dāng)堆焊層金屬與Cr-Mo鋼基體間的熔合線附近殘留氫，氫又使鐵原子的結(jié)合力下降，以及晶界偏析元素與氫相互作用即產(chǎn)生氫脆與偏析疊加效應(yīng)。在正常的操作溫度和氫分壓下，氫的溶解度較大，為(2～6)×10-6ug/cm3，若快速冷卻將凍結(jié)在鋼中擴(kuò)散聚積引發(fā)裂紋，在拉應(yīng)力促進(jìn)下氫致裂紋沿熔合線發(fā)展形成剝離傾向。

表1 2.25Cr-1Mo鋼的化學(xué)成分

表2 2.25Cr-1Mo鋼的力學(xué)性能

2.1.4 雜質(zhì)的偏析 在堆焊層中，合金系統(tǒng)成分比較復(fù)雜，不僅微量元素S、P、As、Sn之類雜質(zhì)可形成易熔夾層，在晶界偏析，降低碳化物與鐵素體基體以及鐵素體晶粒間的聚合強(qiáng)度，基體的韌性惡化，同時(shí)雜質(zhì)若在基體與堆焊層之間的熔合線產(chǎn)生偏析，也降低基體與堆焊層之間的聚合強(qiáng)度。有一些合金元素因溶解度有限，也能形成有害的易熔夾層，雜質(zhì)的偏析使晶間強(qiáng)度降低。

氫及雜質(zhì)元素的偏析作用在基層與堆焊層熔合線上，在熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的不斷疊加作用下，使不銹鋼堆焊層與基層產(chǎn)生剝離傾向。

2.2 防止堆焊層產(chǎn)生剝離的措施

2.2.1 消除熱應(yīng)力和組織應(yīng)力 堆焊后立即進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理，能有效消除焊接接頭中的殘余應(yīng)力。選擇超低碳不銹鋼做過渡層，能防止碳的遷移所產(chǎn)生的組織應(yīng)力。

2.2.2 減少氫的來源 在堆焊過程中，清除基體金屬表面沾有油污、鐵銹、水份、其它雜質(zhì)，焊條焊劑嚴(yán)格烘干，控制焊接規(guī)范，能降低氫的危害。

2.2.3 形成韌性良好的組織 選用25-13（相當(dāng)于AWS E309L型）超低碳不銹鋼堆焊過渡層，稀釋率控制在20%以下，確保堆焊層Ni≥10%，形成Cr、Ni的碳化物固碳，使堆焊層獲得韌性塑性良好的奧氏體+鐵素體雙相組織。鐵素體含量控制在3%～10%，這種雙相組織可以有效地消除單向柱狀晶奧氏體組織的方向性并使之細(xì)化，有利于減少晶界偏析，有效地防止產(chǎn)生凝固裂紋。超低碳又能減少碳的遷移產(chǎn)生的不利影響〖2〗，減弱形成馬氏體組織數(shù)量或形成韌性較好的低碳馬氏體組織，從而降低氫致裂紋的發(fā)生機(jī)率。

3 焊接工藝試驗(yàn)

鎖緊環(huán)換熱器殼程筒體、管箱、接管內(nèi)壁需堆焊耐蝕不銹鋼，基于堆焊部位及生產(chǎn)實(shí)際，分別進(jìn)行了焊條電弧堆焊、帶極堆焊、小管堆焊焊接工藝試驗(yàn)。

3.1 焊接試驗(yàn)條件

3.1.1 焊條電弧焊（SMAW法）：

(1)用于密封面堆焊和焊道修補(bǔ)；

(2) 試件尺寸：800×400×50(mm)。

3.1.2 帶極堆焊（SAW法）：

(1)用于筒體大面積堆焊；

(2) 試件尺寸：800×400×50(mm)。

3.1.3 CO2氣體保護(hù)焊（FCAW法）：

(1)用于小管內(nèi)壁耐蝕層螺旋堆焊；

(2) 試件尺寸：Ф289×30×300(mm)。

3.2 焊接材料的選擇見表3

3.3 焊后熱處理

為模擬鎖緊環(huán)換熱器制造過程中，可能達(dá)到的最大熱處理程度，檢驗(yàn)熱處理過程對(duì)堆焊性能的影響。堆焊完表層后，將焊接試板進(jìn)行最大最小焊后熱處理，690±10℃×8/26h。

表3 焊接材料選用

4 焊接工藝參數(shù)分析

堆焊技術(shù)核心問題是獲得良好的金相組織抗剝離，技術(shù)要點(diǎn)是控制母材稀釋率、氫的來源、雜質(zhì)的偏析和焊道搭接量，其次是得到平整光滑的焊道。

4.1 控制稀釋率

焊接電流，電弧電壓，焊接速度，焊帶及焊絲傾角，預(yù)熱溫度都將影響稀釋率，堆焊試驗(yàn)時(shí)，各規(guī)范合理匹配的核心是保證規(guī)范穩(wěn)定的前提下獲得淺熔深，將稀釋率控制在20%以下，借助舍夫勒組織圖和鐵素體測量儀綜合測定鐵素體含量在3～10%以內(nèi)。

4.1.1 焊接規(guī)范對(duì)稀釋率的影響 焊接規(guī)范中焊接電流、電弧電壓、焊接速度三方面因素綜合考慮對(duì)堆焊稀釋率的影響，見圖1。

(1)電流的影響

當(dāng)焊接電流增加，熔深及堆焊厚度略有增加，稀釋率隨著增加；當(dāng)焊接電流繼續(xù)增加，堆焊厚度增加很多，母材稀釋率反而降低見圖1a。

(2)電弧電壓的影響

當(dāng)電弧電壓增加，焊縫熔寬增加，堆焊厚度不變，熔深降低，母材稀釋率降低；當(dāng)電壓繼續(xù)增加，熔深增加，母材稀釋率增加見圖1b。

(3)焊接速度的影響

當(dāng)焊接電流，電弧電壓不變時(shí)，增加焊接速度，熔寬、堆厚降低，熔深增加，稀釋率增加見圖1c。

4.1.2 預(yù)熱及層間溫度 堆焊過渡層試板表面預(yù)熱100～120℃。焊道間溫度嚴(yán)格控制在100～150℃,如道間溫度過高則熱輸入過高，稀釋率增加，抗剝離能力降低。表層與過渡層的層間溫度應(yīng)小于150℃。堆焊過渡層時(shí)，道間溫度與稀釋率及鐵素體含量的關(guān)系見表4。

由表4可看出，堆焊過渡層時(shí)，控制道間溫度在100～150℃是確保母材稀釋率在20%以下及鐵素體含量在3～10%的關(guān)鍵。

4.1.3 焊帶及焊絲伸出長度 在帶極堆焊及小管堆焊時(shí)，要嚴(yán)格控制焊帶及焊絲伸出長度。干伸長太長，則用于熔化焊帶的熱量增加，電弧熱量相應(yīng)減少，則熔深較淺，容易造成熔合不良。干伸長太短，用于熔化焊帶的熱量減少，電弧熱量增加，造成熔深太深，增大基層對(duì)堆焊金屬的稀釋作用，過渡層中鐵素體含量增加，使堆焊金屬抗晶間腐蝕能力降低。焊帶及焊絲伸出長度與母材稀釋率及鐵素體含量的關(guān)系見表5。

表4 道間溫度與稀釋率及鐵素體含量的關(guān)系

表5 焊帶、焊絲伸出長度與母材稀釋率、鐵素體含量的關(guān)系

由表5可看出，母材稀釋率及鐵素體含量隨焊帶（絲）伸出長度的增加而減少。焊帶伸出長度（干伸長）為39～41mm時(shí)，才能保證母材稀釋率及鐵素體含量。小管堆焊焊絲規(guī)格為Ф1.6 mm，焊絲伸出長度為12～15mm時(shí)，才能保證母材稀釋率及鐵素體含量。

4.1.4 焊帶及焊絲傾角 在自動(dòng)堆焊時(shí)，嚴(yán)格控制焊帶及焊絲傾角，焊接熔池凝固時(shí)，要保證處于水平位置。如果焊接熔池冷凝時(shí)處于爬坡位置，則鐵水下流，造成熔深增加及焊道邊緣熔合不良。如果焊接熔池冷凝時(shí)處于下坡位置，則引起鐵水倒流，覆蓋焊接熔池，使熔深減少及焊道熔合不良。焊帶傾角與母材稀釋率及鐵素體含量的關(guān)系見表6，焊絲傾角與母材稀釋率及鐵素體含量的關(guān)系見表7。

表6 焊帶傾角與母材稀釋率及鐵素體含量的關(guān)系

表7 焊絲傾角與母材稀釋率及鐵素體含量的關(guān)系

注：爬坡焊時(shí)為“+”，下坡焊時(shí)為“-”

由表6，表7可看出，焊帶傾角應(yīng)為水平或1°，焊絲應(yīng)偏離中心0～5mm。

4.1.5 焊劑分布 在帶極堆焊時(shí)，焊劑分布量過多時(shí)焊道表面會(huì)產(chǎn)生麻點(diǎn)等缺陷，特別是焊帶后側(cè)的散布量應(yīng)予減少。

4.1.6 焊道搭接量的控制 手工堆焊焊道搭接量依靠合理的焊接工藝參數(shù)及焊工正確操作來實(shí)現(xiàn)。

4.1.7 帶極堆焊：要得到平整的焊道成型，焊接規(guī)范要合理的匹配，焊道邊緣成45°光滑過渡，熔合好，搭接平坦，焊道搭接控制在7mm左右。

小管堆焊應(yīng)采用螺旋堆焊，只要調(diào)整好旋轉(zhuǎn)螺距，焊道搭接量較容易控制，能得到光滑平整的焊道。

帶極堆焊層厚度，每層的標(biāo)準(zhǔn)堆焊厚度3～4mm，超過5mm時(shí)將引起焊瘤、焊道搭接部位易產(chǎn)生夾渣等缺陷。手工堆焊、帶極堆焊及小管堆焊的焊接工藝參數(shù)見表8。

表8 手工堆焊、帶極堆焊及小管堆焊的焊接工藝參數(shù)

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 過渡層檢驗(yàn)

在堆焊完過渡層后，進(jìn)行PT、UT探傷及鐵素體測量，手工堆焊及小管堆焊未見焊接缺陷，但帶極堆焊在焊道收弧處發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀弧坑裂紋。經(jīng)砂輪打磨發(fā)現(xiàn)裂紋深度1.5～2mm左右，經(jīng)分析，該裂紋是因?yàn)槎押附饘俸辖鹪剌^多，鐵水發(fā)粘，收弧時(shí)堆焊金屬凝固，收弧時(shí)停留時(shí)間較短，鐵水來不及補(bǔ)充所致。舍夫勒組織圖法和磁性法鐵素體測量結(jié)果見表9。

5.2 表層檢驗(yàn)

焊態(tài)下進(jìn)行UT、PT檢驗(yàn)及鐵素體測量。手工堆焊及小管堆焊未見焊接缺陷，但帶極堆焊在收弧處仍發(fā)現(xiàn)弧坑裂紋存在。經(jīng)砂輪打磨弧坑深度為1～2mm，未擴(kuò)展到過渡層。鐵素體測量結(jié)果見表9。

表9 過渡層及表層鐵素體測量結(jié)果

由表9可以看出，過渡層堆焊時(shí)帶極堆焊鐵素體含量較手工堆焊小管堆焊稍高，這是由于帶極堆焊時(shí)焊接熱輸入較大，堆焊稀釋率增加所致。表層堆焊時(shí)，雖然焊接熱輸入稍有不同，由于在基材上堆焊了過渡層，三種焊接方法，鐵素體百分含量基本相等。

5.3 理化性能檢驗(yàn)

表10 堆焊層熔合線附近顯微硬度（HV）值

5.3.1 堆焊金屬化學(xué)成分 堆焊金屬化學(xué)成分主要考核C,Si,Mn,P,S,Cr,Ni,Mo,Nb等元素。經(jīng)分析，堆焊層化學(xué)成分各元素均在規(guī)定范圍之內(nèi)，化學(xué)成分的合格保證了基層Cr-Mo鋼對(duì)不銹鋼耐蝕層的稀釋率及堆焊金屬鐵素體含量，使堆焊金屬為奧氏體+鐵素體的雙相組織，從而提高了堆焊層的抗裂及抗剝離能力。

5.3.2 側(cè)彎試驗(yàn) 堆焊試板最終熱處理后應(yīng)進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)，試樣分大側(cè)彎試樣和小側(cè)彎試樣兩種，取大、小側(cè)彎試樣各四個(gè)，其中兩個(gè)試樣長軸垂直于堆焊方向，另兩個(gè)平行于堆焊方向，試驗(yàn)方法執(zhí)行GB232和ASME的規(guī)定，支座間距離L=4S,彎曲角α=180°。側(cè)彎試驗(yàn)主要考核基體金屬及堆焊金屬的塑性指標(biāo)。試樣經(jīng)彎曲后，彎曲面（受拉面、受壓面）、基體與過渡層熔合線等處均未發(fā)現(xiàn)裂紋，彎曲結(jié)果完好，說明基材上堆焊耐蝕不銹鋼后，基材與堆焊層有較好的塑性及抗裂紋能力。

5.3.3 晶間腐蝕試驗(yàn) 按GB4334.5《不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)量2件。

正常預(yù)熱溫度，正常焊接規(guī)范的試件晶間腐蝕試驗(yàn)合格。但層間溫度過高的試件（尤其在堆焊過渡層時(shí)，道間溫度過高），焊接速度過低的試件晶間腐蝕試驗(yàn)彎曲面產(chǎn)生裂紋。

原因分析：層間溫度過高，焊接速度較低，這樣焊接熱輸入較大，母材稀釋率增加，在堆焊層不銹鋼中熔入過多基層金屬，使堆焊層增碳，過多的碳與鉻元素形成碳、鉻化合物，在晶界析出，造成堆焊金屬晶間貧鉻，同時(shí)過渡層與基層熔合區(qū)及堆焊金屬晶粒粗大，在彎曲時(shí)易產(chǎn)生穿晶開裂。

5.3.4 硬度 堆焊表面硬度平均為RC18～20，小于RC22符合要求。

手工堆焊、帶極堆焊和小管堆焊的堆焊層熔合線附近的顯微硬度值（HV）見表10，硬度曲線見圖2。

由表10及圖2看出，因受基層影響，斷面顯微硬度HV在緊靠熔合線的堆焊層上出現(xiàn)峰值，但此區(qū)域很窄，沒有形成明顯的硬化區(qū)和軟化區(qū)，組織應(yīng)力小，焊接接頭強(qiáng)度沒有突變，從而可看出，碳沒有明顯的遷移，說明所選焊接工藝合理。

5.3.5 剪切試驗(yàn) 剪切試驗(yàn)結(jié)果見表11。

由表11可看出，各種堆焊方法剪切強(qiáng)度非常高，遠(yuǎn)大于剪切強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值τb＞200MPa，說明所選擇的工藝參數(shù)合理，堆焊層與基層熔合良好。

表11 剪切試驗(yàn)結(jié)果

6產(chǎn)品堆焊

（1）在大量工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)鎖緊環(huán)換熱器進(jìn)行了產(chǎn)品堆焊。

（2）產(chǎn)品筒體在焊接前對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行了噴砂處理，焊帶逐盤進(jìn)行了化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)。產(chǎn)品放在防軸向竄動(dòng)焊接滾輪架上，采用階梯螺旋焊法，最初幾圈測鐵素體含量，驗(yàn)證工藝的正確性。

（3）在產(chǎn)品堆焊過程中，用磁性法對(duì)鐵素體含量進(jìn)行多點(diǎn)動(dòng)態(tài)檢測，以控制堆焊稀釋率。堆焊過渡層鐵素體含量均在5%～9%之間，堆焊表層鐵素體含量為5%～8%之間。堆焊完成后經(jīng)100%PT加100%UT檢查未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，各項(xiàng)性能指標(biāo)檢驗(yàn)合格，滿足設(shè)備使用要求。

7結(jié)束語

通過鎖緊環(huán)換熱器內(nèi)壁耐蝕層的堆焊工藝試驗(yàn)，掌握了合理的工藝參數(shù)。

（1）在2.25Cr-1Mo鋼試件上進(jìn)行手工堆焊、帶極堆焊和小管堆焊試驗(yàn)，堆焊過程穩(wěn)定，堆焊過渡層及表層經(jīng)100%著色探傷和超聲波探傷，均未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷。

（2）堆焊層各項(xiàng)性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果表明：堆焊層力學(xué)性能、化學(xué)成分、鐵素體含量、耐腐蝕性能、抗剝離性能等技術(shù)指標(biāo)均滿足臨氫壓力容器內(nèi)部堆焊技術(shù)條件的要求。

（3）采用的堆焊材料、堆焊工藝參數(shù)及焊后熱處理參數(shù)是合理的。

（4）在帶極堆焊時(shí)，由于沒有加磁控裝置，焊接電流所產(chǎn)生的磁場力對(duì)液態(tài)金屬的作用，焊道與焊道搭接處有道溝現(xiàn)象存在，建議在以后的工作中加以改進(jìn)。

（5）小管堆焊機(jī)的焊接速度是有級(jí)調(diào)速，當(dāng)產(chǎn)品小管直徑變化時(shí)，焊接規(guī)范調(diào)整不便，應(yīng)改為無級(jí)調(diào)速。

1 曾樂.現(xiàn)代焊接技術(shù)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社.1986.

2 吉麗華，王東耀.不銹鋼復(fù)合層帶極堆焊試驗(yàn)研究與生產(chǎn)應(yīng)用.第八次全國焊接會(huì)議論文集.1997.

3 韓懷月.茂名石油公司加氫反應(yīng)器堆焊層剝離傾向檢查及安全分析.1986.

4 臨氫壓力容器內(nèi)部堆焊技術(shù)條件.中國石化北京設(shè)計(jì)院.1995.

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1672-9323（2010）06-0059-04

2010-10-20）