加氫精制反應(yīng)器制造中的單層帶極電渣堆焊技術(shù)

劉 艷 馬小兵 王軍杰 李富富 安天佑 王喜平

（新疆蘭石重裝能源工程有限公司）

石油化工行業(yè)厚壁壓力容器內(nèi)部為了防腐蝕常在內(nèi)表面大面積堆焊不銹鋼或鎳基合金。 目前， 國內(nèi)的厚壁設(shè)備內(nèi)壁堆焊廣泛采用雙層堆焊，雖然雙層堆焊（TP309L+TP347）工藝成熟，堆焊質(zhì)量穩(wěn)定，但制造周期長、成本高。

隨著單層堆焊技術(shù)日趨成熟，堆焊一層就能達到臨氫壓力容器的成分、耐蝕及力學(xué)等性能要求，國外制造商在加氫精制反應(yīng)器制造中已成功使用單層帶極電渣堆焊技術(shù)， 且產(chǎn)品性能穩(wěn)定，滿足各項指標(biāo)要求。 基于此，為進一步提高制造效率、降低成本，筆者所在單位率先將單層帶極電渣堆焊技術(shù)用于加氫精制反應(yīng)器的制造。

1 焊接工藝評定試驗

正式堆焊前按照技術(shù)要求和NB/T 47014—2011［1］標(biāo)準(zhǔn)進行焊接工藝評定試驗。

1.1 試板的制作

焊接采用單層帶極電渣堆焊，焊材采用日本神鋼的WEL ESS 347SJ+WEL ESB F-7M，鋼帶規(guī)格為75mm×0.5mm，試板材料12Cr2Mo1R、規(guī)格為600mm×300mm×50mm，焊帶化學(xué)成分見表1。

表1 焊帶化學(xué)成分 %

1.2 試板的焊接

試板堆焊過程中焊接設(shè)備機頭采用外加磁控裝置， 為保證滿足堆焊層厚度工程技術(shù)要求，通過多次焊接試驗調(diào)整了焊接參數(shù)：焊接電流為1 150～1 250A、電壓24～28V、焊接速度9～11m/h。

試板堆焊前的預(yù)熱溫度按照NB/T 47015—2011［2］標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定并結(jié)合反應(yīng)器自身的特點確定：過渡層的預(yù)熱溫度不低于120℃、 層間溫度120～200℃、后熱300～350℃×2h。

1.3 試板的熱處理

試板的熱處理規(guī)范：裝爐溫度不高于400℃，加熱速度70℃/h 以下， 加熱溫度×?xí)r間為690℃×32h，冷卻速度80℃/h 以下，爐冷至400℃后出爐空冷。

1.4 試板評定結(jié)果

1.4.1 堆焊層厚度測量

焊接試板經(jīng)超聲測厚， 堆焊層厚度為5.0、5.0、4.9、4.9、5.0、4.9、4.8、5.0mm，均大于4.5mm。

1.4.2 熔深測量

按照技術(shù)要求測量堆焊實際熔深， 經(jīng)檢測，熔深均滿足技術(shù)要求（不小于0.8mm）。

1.4.3 彎曲試驗

堆焊試件經(jīng)熱處理后進行側(cè)彎試驗，大小側(cè)彎試樣各4 件，其中兩件垂直于堆焊方向，另兩件平行于堆焊方向。 按照GB/T 2653—2008［3］標(biāo)準(zhǔn)進行彎曲試驗，檢測受檢面未見缺陷，檢測結(jié)果合格。

1.4.4 硬度檢測

對堆焊試件進行硬度HV10 檢測： 表面5 點（193、194、200、196、197），堆焊層截面5 點（190、196、191、193、195）， 熔合線5 點（200、204、198、192、195），基層3 點（178、176、179）。 檢測結(jié)果均低于硬度極限值248，合格。

1.4.5 堆焊層成分

堆焊層成分取樣位置如圖1 所示，按照GB/T 11170—2008［4］標(biāo)準(zhǔn)進行檢驗，檢測結(jié)果見表2。

圖1 堆焊層成分取樣位置示意圖

表2 堆焊層的化學(xué)成分 %

1.4.6 焊態(tài)下鐵素體測量

在焊態(tài)下對堆焊層進行磁針法鐵素體數(shù)FN測量（FN 在3.0～10.0 之間為合格），檢測結(jié)果見表3。

表3 鐵素體的檢測結(jié)果

1.4.7 腐蝕試驗

按照GB/T 4334.E—2008［5］標(biāo)準(zhǔn)進行硫酸-硫酸銅腐蝕試驗，試驗結(jié)果為合格。

1.4.8 宏觀檢測

堆焊層經(jīng)酸蝕后，檢查受檢面，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、未融合等焊接缺陷。

1.5 氫剝離試驗

評定試樣的充氫壓力19.7MPa， 試驗溫度480℃，循環(huán)次數(shù)共2 次，每個循環(huán)中試樣在試驗條件下保持時間為48h，升溫速度50℃/h，冷卻速度為第1 個循環(huán)不小于200℃/h、 第2 個循環(huán)300℃/h，按ASTM G146 進行氫剝離試驗。

試樣經(jīng)兩次循環(huán)后，未見大于φ3mm 的剝離缺陷，試驗結(jié)果合格。

2 堆焊效果

新疆蘭石重裝能源工程有限公司承制某項目中的加氫精制反應(yīng)器， 反應(yīng)器主體材料為12Cr2Mo1R（H），反應(yīng)器長度接近27 800mm，內(nèi)徑2 200mm，壁厚140mm（最薄138mm），設(shè)計要求上、下封頭和筒體的內(nèi)壁均采用單層堆焊E347型，總厚為4.5mm。

封頭內(nèi)壁、筒體內(nèi)壁分別采用50mm×0.5mm、75mm×0.5mm 的焊帶進行堆焊， 堆焊后厚度比較均勻，表面平滑，兩相鄰焊道之間的凹下量小于1mm，焊接接頭的不平度小于1.5mm。堆焊情形如圖2、3 所示。

圖3 筒體內(nèi)壁堆焊成品

堆焊完畢后， 對堆焊表層進行100%PT 檢測，堆焊層及其結(jié)合面進行100%UT 檢測，檢測合格；經(jīng)測量，封頭堆焊層厚度最大值5.0mm、最小值4.5mm，筒體堆焊層厚度最大值5.1mm、最小值4.9mm，均滿足要求。 另外，鐵素體測量和化學(xué)成分分析結(jié)果列于表4、5，結(jié)果均滿足要求。

表4 內(nèi)壁堆焊層鐵素體測量

表5 內(nèi)壁堆焊層化學(xué)成分 %

焊接工藝評定試驗得出，按照焊接工藝規(guī)范控制單層堆焊厚度在4.8～5.0mm 之間，堆焊層的化學(xué)成分、硬度、鐵素體數(shù)FN 和無損檢測結(jié)果均滿足加氫精制反應(yīng)器耐蝕層堆焊的技術(shù)要求。

3 結(jié)束語

2019 年8 月，中國石化科技部牽頭組織的專家組聽取了新疆蘭石重裝能源工程有限公司“大面積單層帶極堆焊加氫精制反應(yīng)器研制”的制造匯報，經(jīng)過與會專家現(xiàn)場審查、質(zhì)詢與討論，評審組一致認為： 提供的評審資料符合評審要求；堆焊厚度、化學(xué)成分、鐵素體數(shù)FN、稀釋率及熔深等方面的各項指標(biāo)均滿足設(shè)計技術(shù)要求。 用戶現(xiàn)已安裝調(diào)試完畢，加氫精制反應(yīng)器運行良好。