氣化爐不銹鋼藥芯焊絲堆焊工藝研究及應(yīng)用

■ 金明峰，杜繼紅，羅永飛，高宏鳴，昌 佳

1. 概述

煤氣化爐長(zhǎng)期在高溫、高壓環(huán)境下運(yùn)行，其主要產(chǎn)品合成氣主要由H2S、CO、H2、CO2、N2等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)組成，因此對(duì)氣化爐相關(guān)工作區(qū)域（如激冷室、椎體內(nèi)壁等）提出了很高的耐腐蝕性能要求。根據(jù)腐蝕介質(zhì)的不同，目前主要采用不銹鋼耐腐蝕及鎳基材料耐腐蝕兩種方式。

采用含Mo的18-8型316L超低碳不銹鋼作為耐蝕材料，并要求焊縫金屬具有一定量的δ鐵素體，可使耐蝕層具有優(yōu)良的耐腐蝕性能和抗裂性能（如典型的316L型不銹鋼）。在Cr-Mo合金鋼上堆焊不銹鋼，在堆焊焊縫側(cè)將產(chǎn)生脆硬的馬氏體組織，降低堆焊焊縫的晶間腐蝕性能，為此采用含Cr量較高的25-13型Cr-Ni奧氏體不銹鋼（如309LMo）作為過(guò)渡層，可使耐蝕層的化學(xué)成分和其他各項(xiàng)性能更容易達(dá)到要求。

堆焊方法的選擇主要考慮稀釋率、熔敷速度、成本及適用性等因素。藥芯焊絲氣體保護(hù)焊由于操作靈活且生產(chǎn)效率較高，可用于氣化爐接管內(nèi)徑＞300mm的接管內(nèi)壁堆焊，對(duì)此我們進(jìn)行了大量的焊材選型及焊接熱處理工藝試驗(yàn)，選取滿足氣化爐特殊技術(shù)要求的不銹鋼藥芯焊絲，掌握了不銹鋼藥芯焊絲氣體保護(hù)焊堆焊工藝及接頭性能影響機(jī)理，為合理堆焊工藝制定及生產(chǎn)指導(dǎo)提供技術(shù)支持。

表1 各廠家309LMo及316L藥芯焊絲典型化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

2. 試驗(yàn)

我們分別對(duì)國(guó)內(nèi)外三個(gè)廠家（廠家代號(hào)分別為GT、DS、JQ）的309LMo+316L不銹鋼藥芯焊絲堆焊組合進(jìn)行了系列的焊接及熱處理工藝試驗(yàn)，現(xiàn)詳細(xì)介紹如下。

（1） 試板焊接及熱處理 E309LMoT1—1及E316LT1—1藥芯焊絲熔敷金屬化學(xué)成分主要技術(shù)要求及各廠家典型數(shù)據(jù)如表1所示。

各廠家藥芯焊絲均采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行堆焊（100%CO2），堆焊前母材試板預(yù)熱至100～150℃，堆焊309LMo過(guò)渡層（3～4mm）后進(jìn)行一次300～400℃、3～4h的消氫熱處理，隨后進(jìn)行（或不進(jìn)行）中間消除應(yīng)力熱處理（ISR），再堆焊316L面層，最后進(jìn)行最終熱處理（SR）。過(guò)渡層及面層堆焊時(shí)搭接量為前一堆焊焊道的40%～50%（4～7mm）。中間熱處理的目的主要在于消除焊接殘余應(yīng)力及擴(kuò)散氫，軟化組織，防止在最終熱處理前先焊部位出現(xiàn)延遲裂紋；最終熱處理的目的主要在于消除焊接殘余應(yīng)力，改善焊縫組織（一般與氣化爐整體熱處理一并進(jìn)行）。堆焊過(guò)渡層后進(jìn)行的消氫熱處理在一定程度上釋放了焊縫組織中的氫元素，降低了接頭的冷裂傾向，為此試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行了帶和不帶中間消除應(yīng)力熱處理兩種情況，以評(píng)估取消中間消除應(yīng)力熱處理（ISR）的可行性。

各廠家不銹鋼藥芯焊絲試板編號(hào)如表2所示，其余焊接參數(shù)如表3所示。

（2）檢測(cè)及結(jié)果 各廠家藥芯焊絲焊接工藝性能良好，差異不大。各試板宏、微觀檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)缺陷，距熔合線6mm處焊縫組織均為奧氏體加少量δ鐵素體。

表2 各編號(hào)試板熱處理規(guī)范

表3 各試板焊接參數(shù)

各試板堆焊層化學(xué)成分及按WRC—1992圖確定的FN數(shù)如表4所示。各試板采用磁性儀測(cè)得鐵素體含量及其他各項(xiàng)性能如表5所示。

（3）分析及討論 總體而言，各廠家藥芯焊絲堆焊組合化學(xué)成分（過(guò)渡層及面層）及FN鐵素體數(shù)（主要是距熔合線4mm以上的面層，根據(jù)WRC圖）能滿足氣化爐產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)要求。通過(guò)表4可以看出，各試板距熔合線4mm以上焊縫化學(xué)成分趨于穩(wěn)定。根據(jù)表4可知，中間熱處理對(duì)堆焊層化學(xué)成分及根據(jù)WRC—1992圖示法確定的FN數(shù)影響不大。

GT、DS試板彎曲試驗(yàn)均未出現(xiàn)彎裂現(xiàn)象，JQ兩塊試板均出現(xiàn)了彎裂現(xiàn)象，雖然符合評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)（NB/T47014），但也說(shuō)明其焊絲堆焊層焊縫金屬塑性相對(duì)較差。

各廠家試板按GB/T4334 E法不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)法通過(guò)晶間腐蝕試驗(yàn)，均未出現(xiàn)晶間腐蝕裂紋。

各廠家試板的各試驗(yàn)位置處硬度均在技術(shù)要求范圍內(nèi)（參照我公司某氣化爐項(xiàng)目硬度要求HV10≤240）。由表5可知，在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)中間熱處理對(duì)硬度（主要是母材及熱影響區(qū)）性能有明顯影響。

焊縫中含有一定數(shù)量的δ鐵素體可以提高焊縫的晶間腐蝕性能及抗裂性能，但過(guò)多的δ鐵素體在長(zhǎng)期高溫環(huán)境下運(yùn)行，可能會(huì)使鐵素體δ相轉(zhuǎn)變?yōu)榇嗷摩蚁?，因此?yīng)控制δ鐵素體的含量，氣化爐堆焊層鐵素體含量要求一般為FN3-8（按WRC—1992）。目前對(duì)于不銹鋼鐵素體含量的測(cè)定主要有磁性直接測(cè)定法、圖示間接測(cè)算法（WRC、Delong、Schaeffler等圖）及金相檢測(cè)法等。

各廠家試板根據(jù)WRC圖示法確定的FN數(shù)滿足相關(guān)技術(shù)要求，其中DS試板略高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，JQ公司JQ02試板距熔合線6mm處FN偏下限。GT試板采用磁性儀法測(cè)定δ鐵素體含量滿足技術(shù)要求，且距熔合線2mm、4mm、6mm處較穩(wěn)定，差異較?。欢鳧S、JQ試板采用磁性儀法測(cè)定的距熔合線4mm以上δ鐵素體含量較低，且各位置處含量差異較大。各試樣采用磁性儀法測(cè)得的鐵素體含量與圖示法測(cè)得的鐵素體含量有差異，采用磁性儀檢測(cè)法情況下，未進(jìn)行中間消除應(yīng)力熱處理試樣鐵素體含量整體高于進(jìn)行了中間消除應(yīng)力熱處理試樣，WRC圖示法主要基于化學(xué)成分（Cr、Ni當(dāng)量）測(cè)算鐵素體數(shù)，不能反映熱處理?xiàng)l件（及其他對(duì)化學(xué)成分影響不明顯的工藝參數(shù)）對(duì)鐵素體含量的影響。

表4 各試板各堆焊位置處化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表5 各試板其他各項(xiàng)性能

中間消除應(yīng)力熱處理溫度較低（遠(yuǎn)低于奧氏體轉(zhuǎn)變溫度），熱力學(xué)上不滿足發(fā)生鐵素體到奧氏體轉(zhuǎn)變的條件，未進(jìn)行中間熱處理試樣鐵素體含量整體高于進(jìn)行了中間熱處理的試樣。中間消除應(yīng)力熱處理對(duì)消除焊接殘余應(yīng)力具有積極作用，為保證堆焊層的耐蝕及抗裂性能，條件允許下應(yīng)盡量進(jìn)行中間消除應(yīng)力熱處理。

（4）總結(jié)與應(yīng)用 ①各廠家309LMo及316L藥芯焊絲焊接工藝性能良好，無(wú)明顯差異，GT廠焊絲組合過(guò)渡層焊絲與面層焊絲配合優(yōu)良，可得到無(wú)論是化學(xué)成分還是鐵素體含量（圖示法及磁性儀法兩種檢測(cè)方法）均較穩(wěn)定的堆焊層組織。②各廠家焊絲組合堆焊試樣按GB/T4334方法E法進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)通過(guò)，晶間腐蝕性能滿足標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。GT及DS焊絲堆焊層塑性良好，彎曲試驗(yàn)未出現(xiàn)彎裂現(xiàn)象，JQ焊絲堆焊層塑性相對(duì)略差，出現(xiàn)了彎裂現(xiàn)象。各廠家藥芯焊絲組合堆焊層硬度性能均滿足氣化爐相關(guān)技術(shù)要求。③各廠家藥芯焊絲堆焊組合中：GT公司藥芯焊絲綜合性能更為良好，可選擇其用于氣化爐不銹鋼藥芯焊絲氣保焊堆焊，已成功應(yīng)用于我公司多個(gè)氣化爐項(xiàng)目；DS公司藥芯焊絲堆焊層化學(xué)成分及鐵素體含量（按WRC計(jì)算FN偏高）均勻穩(wěn)定性有待提高，并需進(jìn)一步的驗(yàn)證；JQ公司藥芯焊絲鐵素體含量偏下限，且堆焊焊縫塑性較差，需提高和進(jìn)一步的驗(yàn)證。

3. 結(jié)語(yǔ)

（1）堆焊316L藥芯焊絲時(shí)采用309LMo藥芯焊絲進(jìn)行過(guò)渡層焊接可起到很好緩沖母材稀釋影響的過(guò)渡作用，可使堆焊層化學(xué)成分及力學(xué)性能滿足氣化爐相關(guān)技術(shù)要求。

（2）采用磁性儀檢測(cè)法測(cè)得的鐵素體含量與WRC圖示法測(cè)得的鐵素體含量有差異，WRC圖示法不能反映熱處理?xiàng)l件（及其他對(duì)化學(xué)成分影響不明顯的工藝參數(shù)）對(duì)鐵素體測(cè)量的影響。中間熱處理對(duì)WRC圖示法確定的鐵素體含量影響不大，對(duì)磁性儀檢測(cè)法確定的鐵素體含量有一定影響。采用磁性儀檢測(cè)法情況下，未進(jìn)行中間消除應(yīng)力熱處理試樣的鐵素體含量高于進(jìn)行了中間消除應(yīng)力熱處理試樣的原因可能是由殘余應(yīng)力引起奧氏體組織順磁性改變而造成磁性儀測(cè)量誤差所引起的。

（3）中間熱處理對(duì)堆焊層化學(xué)成分影響不大，但對(duì)消除焊接殘余應(yīng)力有積極的作用，為保證堆焊層的耐蝕及抗裂性能，條件允許下應(yīng)盡量進(jìn)行中間消除應(yīng)力熱處理。