國產(chǎn)單層帶極電渣堆焊焊材在加氫反應(yīng)器的應(yīng)用

(青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司，山東 青島 266426)

0 引言

加氫反應(yīng)器是高壓、高溫、臨氫的壓力容器，在其內(nèi)壁表面堆焊不銹鋼材料是常用和有效提高其耐腐蝕性能的技術(shù)。對于大型加氫反應(yīng)器筒體內(nèi)壁，帶極埋弧+電渣堆焊(SAW+ESW)是目前常用的堆焊技術(shù)，但該技術(shù)生產(chǎn)成本高，熔敷速率慢，焊劑消耗較高。隨著堆焊材料和堆焊工藝技術(shù)的發(fā)展，單層帶極電渣堆焊技術(shù)因其具有更高的熔敷效率，更低的焊帶及焊劑消耗以及更優(yōu)的外觀成型等優(yōu)點，已在國外加氫反應(yīng)器的制造中得到較廣泛應(yīng)用，帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益。但該技術(shù)在國內(nèi)加氫反應(yīng)器上的應(yīng)用卻較少，采用國產(chǎn)單層帶極電渣堆焊焊材的加氫反應(yīng)器更少[1-3]。

近幾年，國內(nèi)設(shè)計院及焊材廠商都在積極推動單層帶極電渣堆焊焊材的研發(fā)及推廣。按照中石化洛陽工程有限公司《加氫高壓設(shè)備用堆焊材料研制工程技術(shù)條件》(簡稱技術(shù)條件)的技術(shù)要求，采用單層帶極電渣堆焊EQ309LNb型焊材進(jìn)行單層帶極電渣堆焊技術(shù)的焊接工藝評定，并應(yīng)用于某加氫精制反應(yīng)器筒體內(nèi)壁堆焊，以下是具體的試驗及應(yīng)用情況介紹。

1 產(chǎn)品簡介及試驗條件

1.1 產(chǎn)品概況

加氫精制反應(yīng)器的主要設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 加氫精制反應(yīng)器設(shè)計條件

1.2 焊接工藝評定試驗材料

試驗?zāi)覆臑?2Cr2Mo1R鋼板，規(guī)格為600 mm×350 mm×50 mm，試件化學(xué)成分如表2所示。鋼帶和焊劑為：西冶鋼帶XY-309LNb，規(guī)格75 mm×0.4 mm；西冶焊劑XY-AF503；鋼帶化學(xué)成分如表3所示。

表2 12Cr2Mo1R鋼板化學(xué)成分 %

表3 鋼帶化學(xué)成分 %

1.3 焊接試驗方法及要求

(1)試驗設(shè)備為國產(chǎn)十字架帶極堆焊設(shè)備，通過預(yù)置焊接參數(shù)，進(jìn)行單層帶極電渣堆焊。

(2)焊接工藝規(guī)范見表4，堆焊前，清理待堆焊面至呈現(xiàn)金屬光澤，并按NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第4部分:磁粉檢測》進(jìn)行100%MT檢測，合格。

表4 單層帶極電渣堆焊工藝規(guī)范

(3)模擬焊后熱處理(PWHT)工藝：Min.PWHT(690±14) ℃ ×8 h和Max.PWHT(690±14) ℃×32 h，裝爐溫度≤400 ℃，升、降溫速度≤55 ℃/h，試件隨爐冷至400 ℃以下出爐空冷。

(4)測定堆焊層厚度(技術(shù)條件要求堆焊層厚度不小于5.0 mm)、熔深、稀釋率。

(5)焊態(tài)及Min.PWHT狀態(tài)下，根據(jù)技術(shù)條件，從堆焊層表面至距表面3.5 mm，每間隔0.5 mm進(jìn)行堆焊層的化學(xué)成分、鐵素體數(shù)(FN)檢測，檢測要求如表5。

表5 技術(shù)條件規(guī)定堆焊層化學(xué)成分(%)及鐵素體數(shù)

(6)在Max.PWHT狀態(tài)下，進(jìn)行堆焊層剪切強(qiáng)度、面彎、側(cè)彎和背彎、抗晶間腐蝕試驗、氫致剝離試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊接工藝性

單層帶極電渣堆焊焊接過程穩(wěn)定，飛濺小，渣殼整體能夠自動脫落；焊道表面無粘渣、壓坑、咬邊等工藝缺陷，堆焊層焊道之間搭接平整，焊道直線度較好，表面成形美觀，焊道寬度76～80 mm，表面不平度不超過0.3 mm，圖1為堆焊層外觀。

圖1 堆焊層外觀

2.2 無損檢測

在焊態(tài)和Max.PWHT狀態(tài)下，按NB/T 47013—2015第5部分對試件堆焊層表面進(jìn)行100%PT檢驗，合格；按NB/T 47013—2015第3部分對試件堆焊層與母材結(jié)合面進(jìn)行100%UT檢驗，合格。

2.3 堆焊層厚度及熔深檢測

采用UT測厚的方式檢測堆焊層厚度為5.0～6.0 mm;在堆焊層截面檢測堆焊層厚度為5.0～5.4 mm;在堆焊層截面檢測堆焊層熔深約為0.9 mm，圖2為堆焊層厚度及熔深檢測情況。

圖2 堆焊層厚度及熔深檢測

2.4 堆焊層化學(xué)成分及鐵素體檢測

在焊態(tài)及Min.PWHT下，堆焊層化學(xué)成分按GB/T 11170—2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》和GB/T 20124—2006《鋼鐵 氮含量的測定 惰性氣體熔融熱導(dǎo)法(常規(guī)方法)》檢測，具體檢測結(jié)果見表6,7；堆焊層鐵素體按GB/T 1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測量方法》采用磁性法檢測，依據(jù)表6,7數(shù)據(jù)按“WRC-1992(FN)圖”(見圖3)計算堆焊層鐵素體數(shù)FN[3]，結(jié)果見圖4。

表6 焊態(tài)下堆焊層化學(xué)成分 %

表7 Min.PWHT狀態(tài)下堆焊層化學(xué)成分 %

圖3 WRC-1992(FN)圖

圖4 磁性法檢測及WRC-1992法鐵素體數(shù)計算結(jié)果

由表5～7對比分析可看出，堆焊層化學(xué)成分滿足技術(shù)條件的要求；Min.PWHT熱處理工藝對堆焊層化學(xué)成分基本無影響；從堆焊層表面至距表面3.5 mm，C元素含量略微趨于增加，Cr,Ni元素含量略微趨于降低，其余元素含量基本無變化，說明堆焊過程中化學(xué)元素穩(wěn)定，有利于堆焊層元素含量的控制。

堆焊層中合金元素的含量因焊接稀釋作用和焊接過程中的氧化燒損，低于鋼帶中合金元素的含量。其中，Ni元素是活性小的合金元素，堆焊過程中基本不參與氧化反應(yīng)，因此，可通過Ni元素的含量計算堆焊層的稀釋率[4-5]。

根據(jù)表3、表6數(shù)據(jù)和以下公式[5]計算從堆焊層表面至距表面3.5 mm范圍內(nèi)的最大稀釋率為D=8.9%。

CO=DCb+(1-D)Cd

式中CO——元素在堆焊層中的實際質(zhì)量百分含量，%；

D——稀釋率，%；

Cb——元素在母材中的質(zhì)量百分含量，%；

Cd——元素在非稀釋熔敷金屬中的質(zhì)量百分含量，%，以Ni元素為標(biāo)準(zhǔn)計算時，Cd即為鋼帶中Ni元素的質(zhì)量百分含量)。

由圖4可看出，焊態(tài)及Min.PWHT下，從堆焊層表面至距表面3.5 mm，采用磁性法檢測和“WRC-1992(FN)圖”(見圖3)計算的堆焊層鐵素體均滿足技術(shù)條件FN值介于3～10的要求；從堆焊層表面至距表面2.5 mm，經(jīng)Min.PWHT熱處理，磁性法檢測堆焊層鐵素體數(shù)明顯降低。

2.5 堆焊層力學(xué)性能檢測

(1)Max.PWHT狀態(tài)下，在試件垂直于焊道方向和平行于焊道方向截取大側(cè)彎(試樣厚度a=10 mm)和小側(cè)彎試樣(試樣厚度a=3 mm)各2件；試件垂直于焊道方向截取面背彎試樣(試樣厚度a=14 mm)各2件，見圖5。按GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》進(jìn)行常溫彎曲180°試驗，試驗后試樣在堆焊層和熔合線上均無任何目視可見的開口缺陷。

(2)在Max.PWHT狀態(tài)下，按GB/T 4340—2012《金屬材料 維氏硬度試驗》進(jìn)行硬度檢測，檢測位置：堆焊層表面4點，在橫截面上距堆焊層與母材結(jié)合面0.5 mm處打第1點；在沿軌跡與結(jié)合面呈30°的直線上，每隔2 mm打1個點，直至上表面和母材，母材至少3個點。技術(shù)條件要求測量值應(yīng)滿足HV10≤248，具體檢測結(jié)果如表8所示。

(a)大側(cè)彎試樣 (b)小側(cè)彎試樣

(c)面彎試樣

(d)背彎試樣

圖5 彎曲試樣

表8 堆焊層硬度檢測結(jié)果

從表8可以看出，在Max.PWHT狀態(tài)下，堆焊層硬度值HV10<248，滿足技術(shù)要求。

(3)在Max.PWHT狀態(tài)下，按照GB/T 6396—2008《復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗方法》制取剪切試樣2件(見圖6)，進(jìn)行堆焊層與母材結(jié)合面的剪切強(qiáng)度檢測，檢測結(jié)果分別為400，450 MPa。

圖6 剪切試樣

2.6 金相分析

(1)在Max.PWHT狀態(tài)下，按照GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》對堆焊層橫截面進(jìn)行宏觀金相檢測，試樣經(jīng)冷酸腐蝕法腐蝕后宏觀檢查、在20倍放大鏡下觀察，橫向受檢面未出現(xiàn)裂紋、孔穴、夾雜、未熔合、未焊透等焊接缺欠。

(2)在Max.PWHT狀態(tài)下，按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》對堆焊層金相組織進(jìn)行分析。堆焊層及母材熔合良好，母材和熱影響區(qū)金相組織為貝氏體組織，堆焊層金相組織為奧氏體+少量鐵素體,圖7示出各區(qū)域金相組織。

2.7 晶間腐蝕試驗

在Max.PWHT狀態(tài)下，將試件堆焊層表面磨平，平行于焊道方向取出厚度3 mm 的試樣2件，按照GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》中硫酸-硫酸銅法試驗進(jìn)行晶間腐蝕試驗，試樣經(jīng)硫酸-硫酸銅腐蝕后，彎曲180°外表面均未出現(xiàn)晶間腐蝕產(chǎn)生的裂紋，均合格。

(a)堆焊層及母材熔合線 (b)母材

(c)熱影響區(qū)

(d)堆焊層

圖7 各區(qū)域金相組織

2.8 氫剝離試驗

在Max.PWHT狀態(tài)下，制備抗氫剝離試樣1件，試樣規(guī)格?73 mm×45 mm，氫剝離試驗按ASTM G146-01—2007[6]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。具體試驗要求如下。

(1)第1次循環(huán)：充氫壓力20 MPa；升溫速率50 ℃/h；保溫溫度(454±2) ℃；保溫時間48 h；降溫速率(250±5) ℃/h；氫氣純度99.86%；

(2)第2次循環(huán)：充氫壓力20 MPa；升溫速率50 ℃/h；保溫溫度(454±2) ℃；保溫時間48 h；降溫速率(300±5) ℃/h；氫氣純度99.86%；

試驗結(jié)果表明，在試樣充氫前、第1次循環(huán)結(jié)束、第2次循環(huán)結(jié)束、第2次循環(huán)結(jié)束后48 h和7天后，分別按照ASTM G146-01對堆焊層界面進(jìn)行超聲波檢測，試樣均未發(fā)現(xiàn)剝離，為合格。

2.9 小結(jié)

XY-Q309LNb+XY-AF503焊帶/焊劑組合的焊接工藝性優(yōu)良，表面成形較好；堆焊層厚度不低于5 mm；堆焊層厚度方向階梯化學(xué)成分穩(wěn)定，各項理化性能符合技術(shù)條件要求，氫剝離試驗合格。2018年8月，對焊接工藝評定進(jìn)行工作評審，確認(rèn)所有試驗結(jié)果符合技術(shù)條件的要求，同意該焊接工藝評定應(yīng)用于加氫精制反應(yīng)器筒體內(nèi)壁的堆焊。

3 產(chǎn)品堆焊及驗收

根據(jù)上述焊接工藝評定，編制加氫精制反應(yīng)器的焊接工藝規(guī)程，堆焊過程嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)范，堆焊時，帶極堆焊設(shè)備機(jī)頭前部的焊劑堆積高度控制在20～30 mm，機(jī)頭后部(即熔池)不可散布焊劑[7]。導(dǎo)電嘴與筒體中心線的距離A為40～60 mm(見圖8)[8]，每次起弧位置應(yīng)避開上一道焊縫的起弧位置，兩次的起弧位置至少錯開30 mm左右。圖9～13為加氫精制反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊層外觀及部分檢測現(xiàn)場圖。

圖8 堆焊時導(dǎo)電嘴的位置

圖9 筒體內(nèi)壁堆焊

加氫精制反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊層堆焊后按NB/T 47013—2015第5部分對堆焊層表面進(jìn)行100% PT檢驗，合格；堆焊層堆焊后及PWHT后按NB/T 47013—2015第3部分對堆焊層與母材結(jié)合面進(jìn)行100% UT檢驗，合格。

圖10 筒體內(nèi)壁焊道外觀

圖11 堆焊層PT檢測

加氫精制反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊層堆焊后按GB/T 1954—2008對堆焊層表面進(jìn)行鐵素體檢測，鐵素體數(shù)FN檢測結(jié)果介于3.0～8.0之間，主要集中在4.0～6.0范圍內(nèi)；加氫精制反應(yīng)器經(jīng)PWHT后，采用磁性法對堆焊層表面進(jìn)行鐵素體檢測，PWHT后鐵素體數(shù)FN檢測結(jié)果介于3.0～5.0之間，主要集中在3.0～4.5范圍內(nèi)；檢測結(jié)果均滿足技術(shù)條件要求，見圖14。

圖12 堆焊層鐵素體焊后檢測

圖13 堆焊層最終退火熱處理后鐵素體檢測

(a)堆焊后 (b)PWHT后

圖14 產(chǎn)品鐵素體檢測

采用專用取樣工具從加氫精制反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊層制取屑狀試樣進(jìn)行分析[9]，制取鐵屑位置應(yīng)在堆焊層表面至距離表面3.5 mm范圍內(nèi)，堆焊層化學(xué)成分按SN/T 2718—2010《不銹鋼化學(xué)成分測定 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》、GB/T 20123—2006《鋼鐵 總碳硫含量的測定 高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法(常規(guī)方法)》及GB/T 20124—2006《鋼鐵 氮含量的測定 惰性氣體熔融熱導(dǎo)法(常規(guī)方法)》檢測，按圖3計算堆焊層鐵素體數(shù)FN，檢測結(jié)果見表9。

表9 產(chǎn)品堆焊層化學(xué)成分(%)及鐵素體數(shù)

由表5、表9對比分析可知，產(chǎn)品堆焊層化學(xué)成分及鐵素體滿足技術(shù)條件要求。

采用UT測厚的方法，對加氫精制反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊層進(jìn)行厚度檢測，檢測結(jié)果為5.1～5.7 mm，滿足技術(shù)條件要求；按GB/T 17394—2014《金屬材料 里氏硬度試驗》對加氫精制反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊層進(jìn)行硬度檢測，檢測結(jié)果為170～185HV10，滿足技術(shù)條件要求。

2018年12月，經(jīng)評審各項質(zhì)量指標(biāo)，確認(rèn)加氫精制反應(yīng)器制造過程及各項質(zhì)量指標(biāo)均滿足設(shè)計技術(shù)要求，同意該加氫精制反應(yīng)器出廠。

4 結(jié)語

(1)采用國產(chǎn)單層帶極電渣堆焊焊材進(jìn)行單層帶極電渣堆焊工藝評定，焊接工藝性、堆焊層的力學(xué)性能、堆焊層厚度方向階梯化學(xué)成分及鐵素體數(shù)等均能夠滿足相關(guān)技術(shù)要求；

(2)加氫精制反應(yīng)器在制造過程中嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程的要求進(jìn)行焊接，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象；堆焊層的無損檢測結(jié)果說明產(chǎn)品堆焊層沒有出現(xiàn)焊接缺陷，堆焊焊材可焊性較好，鋼帶與焊劑的匹配性良好。

(3)采用國產(chǎn)單層帶極電渣堆焊焊材進(jìn)行加氫精制反應(yīng)器筒體內(nèi)壁堆焊層大面積堆焊過程中，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，表面成型平整、美觀、焊道直線度較好，單層堆焊厚度不低于5 mm；產(chǎn)品堆焊層的化學(xué)成分、硬度、PWHT前后鐵素體數(shù)FN、無損檢測，結(jié)果均滿足加氫精致反應(yīng)器堆焊技術(shù)條件的要求。

(4)國產(chǎn)單層帶極電渣堆焊工藝評定及在加氫精制反應(yīng)器制造中的應(yīng)用，通過了驗收，加氫精致反應(yīng)器達(dá)到出廠條件，推動了國產(chǎn)單層帶極電渣堆焊焊材在加氫等臨氫高壓容器上的應(yīng)用。

致謝：特別感謝中石化洛陽工程有限公司、四川西冶新材料股份有限公司給予該加氫精制反應(yīng)器制造的技術(shù)支持和指導(dǎo)。