分離器筒體鎳基C276帶極埋弧堆焊工藝研究及應(yīng)用

劉鴻彥，孫修圣，杜永勤，李衛(wèi)華

(南京寶色股份公司 技術(shù)中心，南京 211178)

0 引言

隨著我國石化工程行業(yè)的迅速發(fā)展，高壓、高溫、腐蝕條件下服役的容器設(shè)備越來越多，為降低容器的原材料成本，通常采用強(qiáng)度型低合金鋼或耐熱型低合金鋼作為基層，保證容器的耐壓強(qiáng)度；采用不銹鋼、鎳、鈦、鋯等作為復(fù)層，保證容器的耐腐蝕性能。目前，業(yè)內(nèi)主要采用兩種方式進(jìn)行設(shè)計，一種是采用復(fù)合板[1-3]，工程上常見復(fù)層厚度為2.5～5 mm；另一種則是采用堆焊的形式，將鎳、銅或不銹鋼焊材堆焊熔敷到基層材料上，常見于堆焊層厚度≥6 mm、且不適宜通過爆炸復(fù)合進(jìn)行制備的情況[4-5]。本文研究的是承制的某三聚氰胺節(jié)能改造項目中的分離器設(shè)備，該設(shè)備主體部件采用堆焊的形式制作。

分離器的主筒體材料為SA302 Gr.B，筒體長度為2 920 mm，直徑為?1 224 mm，厚度為52 mm，圖樣要求整個筒體內(nèi)壁堆焊至少12 mm與C276材料性能相當(dāng)?shù)膹?fù)層。因堆焊量較大，采用焊條電弧焊或自動氬弧焊堆焊的方式，制造成本太高，故采用帶極堆焊的形式進(jìn)行整個內(nèi)壁的堆焊，以提高焊接效率、降低焊工勞動強(qiáng)度。受筒體直徑限制，如果采用環(huán)向連續(xù)堆焊，焊工較難在筒體內(nèi)部進(jìn)行渣殼的清理，本文對筒體縱向帶極堆焊的堆焊工藝進(jìn)行研究，以保證大熔覆鎳基縱向堆焊筒體變形及堆焊質(zhì)量，為產(chǎn)品的制造提供參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

SA302 Gr.B屬于壓力容器用錳鉬合金鋼板，常用于鍋爐、電站、石化等行業(yè)相關(guān)容器及部件的制作，在高溫服役溫度條件下，具有較好的力學(xué)性能，450 ℃時的抗拉強(qiáng)度仍能達(dá)500 MPa。試驗用堆焊試板的供貨狀態(tài)為正火+回火，試板的化學(xué)成分如表1所示。

表1 母材的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of base metal %

鎳基合金具有出色的耐點腐蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂性能，在氧化和還原狀態(tài)下，對大多數(shù)腐蝕介質(zhì)都具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。本文需堆焊的C276復(fù)層尤其適合在高溫、混有雜質(zhì)的無機(jī)酸和有機(jī)酸、海水腐蝕環(huán)境中使用。試板堆焊過渡層采用EQNiCrMo-3/NSAS3-50BS焊帶/焊劑組合，耐蝕層采用EQNiCrMo-4/ES A-FB 2B焊帶/焊劑組合，焊帶規(guī)格0.5 mm×60 mm，符合ASME BPVC Ⅱ，SFA-5.14標(biāo)準(zhǔn)要求；NSAS3-50BS為埋弧型焊劑，符合EN 760標(biāo)準(zhǔn)要求，ES A-FB 2B為電渣型焊劑，符合EN ISO 14174要求。具體焊材質(zhì)量證明書成分見表2～4。

表2 過渡層焊帶化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of transition layer welding strip %

表3 耐蝕層焊帶化學(xué)成分Tab.3 Chemical composition of corrosion resistant layer welding strip %

表4 耐蝕層焊劑化學(xué)成分Tab.4 Chemical composition of corrosion resistant layer welding flux %

1.2 焊接方法及設(shè)備

本項目采用帶極埋弧堆焊方法進(jìn)行，堆焊方式為縱向壓道堆焊。此套帶極堆焊裝置經(jīng)改進(jìn)后同時集成了帶極埋弧堆焊和帶極電渣堆焊的功能，可以根據(jù)工藝需要進(jìn)行堆焊方式的切換，系統(tǒng)中弧焊電源采用DC1500型，焊接系統(tǒng)如圖1所示，試板堆焊時機(jī)頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 帶極堆焊弧焊系統(tǒng)Fig.1 Strip surfacing arc welding system

圖2 帶極堆焊機(jī)頭結(jié)構(gòu)Fig.2 Machine head of strip surfacing equipment

1.3 焊接工藝評定

1.3.1 焊前準(zhǔn)備

SA302 Gr.B焊接試板的尺寸為600 mm×300 mm×25 mm。堆焊前，將試板表面的鐵銹拋磨去除，露出金屬光澤，并按NB/T 47013.4—2015對待堆焊表面進(jìn)行100%MT(磁粉)檢測，確認(rèn)Ⅰ級合格。

1.3.2 預(yù)熱及層溫

根據(jù)表1中母材化學(xué)成分可知，SA302 Gr.B錳鉬鋼屬于低合金鋼，參考國際焊接學(xué)會推薦適用于碳鋼和低合金高強(qiáng)鋼的碳當(dāng)量計算公式[6]，SA302 Gr.B的碳當(dāng)量CE=0.52%，通常低合金高強(qiáng)鋼在CE>0.5%時，材料易淬硬，焊接性變差。根據(jù)計算可知，SA302 Gr.B錳鉬鋼的焊接具有一定的淬硬傾向，NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》中對抗拉強(qiáng)度大于490 MPa的錳鉬鋼類材料的焊接也推薦進(jìn)行預(yù)熱處理。為保證過渡層熔敷金屬與錳鉬鋼基層的堆焊結(jié)合強(qiáng)度及質(zhì)量，堆焊前對試板進(jìn)行≥80 ℃的預(yù)熱，以減緩冷卻速度，減小出現(xiàn)淬硬傾向。對鎳基合金而言，在材料焊接過程中，熔敷金屬的粗晶傾向和熱裂紋傾向相對較大，帶極埋弧施焊時，焊接電流及熔覆率比絲極埋弧更大，為保證熔敷金屬的組織性能，控制過渡層堆焊的道間溫度≤200 ℃，耐蝕層堆焊的層、道間溫度≤120 ℃，以獲得高耐蝕性能的堆焊層。

1.3.3 堆焊工藝

堆焊前，對焊劑進(jìn)行350 ℃烘干2 h，調(diào)整機(jī)頭的方向，使帶寬方向與十字架前進(jìn)方向垂直，實現(xiàn)對工藝評定試板進(jìn)行縱向壓道堆焊，堆焊的焊層/焊道如圖3所示，堆焊工藝參數(shù)如表5所示。

圖3 試板堆焊層次示意Fig.3 Schematic diagram of surfacing layer of test plate

表5 帶極堆焊焊接工藝參數(shù)Tab.5 Welding process parameters of strip surfacing

根據(jù)前期試驗情況，因機(jī)頭未加裝磁控裝置，在過渡層縱向堆焊時，熔池流動性差，在壓道的邊緣容易產(chǎn)出輕微咬邊情況，為改善成型，在過渡層堆焊時，將試板進(jìn)行輕微傾斜，使熔池在重力作用下適當(dāng)增加熔池流動，以補(bǔ)償壓道邊緣熔覆金屬補(bǔ)充不足出現(xiàn)的咬邊問題。根據(jù)經(jīng)驗，傾斜角度宜控制在5°以內(nèi)，角度過大會出現(xiàn)稀釋增大、壓道根部產(chǎn)生夾渣、焊道平整性差等問題[7-9]。

過渡層堆焊完成后，立即將試板放入電加熱爐中進(jìn)行過渡層的焊后熱處理，熱處理溫度為620 ℃，熱處理保溫時間為5 h。熱處理完成后，對過渡層表面進(jìn)行清理后，再進(jìn)行耐蝕層堆焊，耐蝕層堆焊時，無需預(yù)熱，在室溫下堆焊即可。圖4示出過渡層熱處理后堆焊層表面形貌，圖5示出耐蝕層堆焊后堆焊層表面形貌，焊道表面均出現(xiàn)不同程度藍(lán)色的回火色。圖4的過渡層表面發(fā)藍(lán)主要是在經(jīng)過熱處理過程中，過渡層發(fā)生了熱處理氧化，使焊道表面出現(xiàn)回火色；圖5主要是在焊接過程中焊劑脫渣性良好，熔池凝固后渣殼自行翻起，氧化性氣氛與焊道表面接觸，因焊道表面溫度較高，而發(fā)生氧化，出現(xiàn)氧化色。

圖4 試板過渡層熱處理后外觀Fig.4 Transition layer of test plate after heat treatment

圖5 試板耐蝕層堆焊后實物Fig.5 Corrosion resistant layer of test plate after surfacing

2 試驗結(jié)果

2.1 無損檢測

對堆焊層進(jìn)行外觀檢測，在表面未發(fā)現(xiàn)肉眼可見缺陷，焊縫成型較好，壓道邊緣過渡圓滑。按NB/T 47013.5—2015對堆焊層表面進(jìn)行100%滲透檢測(PT)，Ⅰ級合格，按NB/T 47013.3—2015對堆焊層缺陷和不貼合度進(jìn)行100%超聲(UT)檢測，結(jié)果Ⅰ級合格。

2.2 彎曲性能檢測

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)協(xié)議要求對試板進(jìn)行彎曲性能檢測，檢測結(jié)果見表6。圖6示出試板彎曲后的試樣。

表6 堆焊試板彎曲試驗結(jié)果Tab.6 Bending test results of surfacing test plate

圖6 試驗后的彎曲試樣Fig.6 Picture of specimens after bending test

側(cè)彎試樣在保留基層及堆焊層的全厚度尺寸下進(jìn)行，即基層δ25 mm+堆焊層δ12 mm，橫向和縱向試樣各2件，圖6(a)中上面2件為橫向試樣，下面2件為縱向試樣，其中僅有1件橫向彎曲試樣中堆焊層受彎面出現(xiàn)一處約0.5 mm的開口缺陷；大側(cè)彎試樣以堆焊層表面為基準(zhǔn)，加工基層使總厚度尺寸為δ30 mm(即基層δ18 mm+堆焊層δ12 mm)，橫向和縱向試樣各2件，圖6(b)中上面2件為橫向試樣，下面2件為縱向試樣，其中也有1件橫向彎曲試樣中堆焊層受彎面出現(xiàn)一處約1.0 mm的開口缺陷；小側(cè)彎試樣是同時加工基層和堆焊層，使總厚度尺寸為δ13 mm(即基層δ8 mm+堆焊層δ5 mm)，4件小側(cè)彎試樣均為橫向，試樣未出現(xiàn)開口缺陷。按焊接工藝評定準(zhǔn)則及客戶技術(shù)協(xié)議要求，堆焊層彎曲檢測結(jié)果判定為合格，堆焊層具有較好的塑、韌性。

2.3 硬度檢測

按圖7所示的堆焊硬度檢測壓痕導(dǎo)線對堆焊試樣進(jìn)行硬度測試，堆焊截面按15°斜角線進(jìn)行維氏硬度(HV10)檢測。基層檢測3個點，分別在距離結(jié)合面下方4,3,2 mm處進(jìn)行；過渡層檢測3個點，分別在距離結(jié)合面上方1,2,3 mm處進(jìn)行；耐蝕層堆焊2層，每一層分別檢測3個點，且3個點之間垂直間隔1 mm。堆焊表面加工見平后同樣按15°斜角線進(jìn)行洛氏硬度(HRC)檢測，檢測結(jié)果見表7，滿足技術(shù)協(xié)議HRC不大于22的要求。

圖7 堆焊硬度檢測位置Fig.7 Hardness test location of surfacing specimen

表7 硬度檢測結(jié)果Tab.7 Hardness test results of surfacing plate

2.4 金相檢測

對堆焊試板進(jìn)行金相解剖檢查，剖切試樣沿焊道縱向進(jìn)行，剖切面取在焊道壓道的搭接處，試樣保留全厚度的堆焊層，沿縱向切取長度200 mm，檢測的宏觀金相如圖8所示。可以清晰地觀察到基層、過渡層及耐蝕層之間的熔合線，焊層厚度均勻，無氣孔、夾渣、未熔合等缺陷，10倍放大鏡觀察未發(fā)現(xiàn)層下裂紋。對橫截面進(jìn)行微觀金相檢測，結(jié)果如圖9所示。基層微觀組織為珠光體及鐵素體，有少量析出的碳化物；過渡層右上角為熔合區(qū)，過渡層呈柱狀晶特征，在過渡層熱處理作用下，大量碳化物析出在熔合線附近形成寬窄不一的聚集區(qū)；面層及中間層均呈現(xiàn)典型的鎳基合金焊態(tài)組織形貌，為奧氏體柱狀樹枝晶及顆粒狀碳化物，碳化物分布彌散，因堆焊過程中的碳遷移及擴(kuò)散，中間層的碳化物稍多。微觀金相檢測未發(fā)現(xiàn)顯微缺陷，組織正常。

圖8 堆焊截面宏觀形貌Fig.8 Macroscopic morphology of surfacing section

圖9 堆焊截面顯微組織形貌Fig.9 Microscopic morphology of surfacing section

2.5 化學(xué)成分檢測

對堆焊的耐蝕層取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測，取樣位置以堆焊層表面為基準(zhǔn)，向下2.5 mm處取樣檢測標(biāo)記為H1，向下3.5 mm處取樣檢測標(biāo)記為H2，檢測結(jié)果見表8，H1，H2處合金元素成分均符合ASME BPVC Ⅱ，SFA-5.14中對EQNiCrMo-4焊帶化學(xué)成分的要求，但Si含量比焊帶中稍有增加，主要原因為焊帶/焊劑組合后的堆焊焊接時，焊劑中的SiO2在熔池內(nèi)發(fā)生冶金反應(yīng)過渡至堆焊層金屬中。

表8 堆焊層化學(xué)成分Tab.8 Chemical composition of surfacing layer %

2.6 耐蝕性能檢測

根據(jù)技術(shù)協(xié)議要求，對堆焊層的耐蝕性能進(jìn)行晶間腐蝕敏感性檢驗。按ASTM G28A要求制備檢測試樣2件，標(biāo)記為F1和F2，試樣尺寸為30 mm×20 mm×4 mm，其中F2試樣在試驗前先經(jīng)實驗室進(jìn)行固溶處理。將F1,F2試樣置于盛有硫酸鐵-50%硫酸試劑的器皿中，加熱試劑并保持微沸騰狀態(tài)，試樣進(jìn)行24 h連續(xù)腐蝕，檢測的腐蝕率結(jié)果見表9。可以看出，F(xiàn)1試樣與F2試樣的比值為1.29，滿足技術(shù)協(xié)議對腐蝕率比值≤1.5的要求，F(xiàn)1,F2試樣的腐蝕率分別為9.76，7.55 mm/a，滿足標(biāo)準(zhǔn)對腐蝕率≤12 mm/a的要求。

表9 耐蝕性能檢測結(jié)果Tab.9 Test results of corrosion resistance

3 分離器筒體堆焊要點

上文的帶極堆焊工藝評定為分離器筒體內(nèi)壁EQNiCrMo-3+EQNiCrMo-4的堆焊提供了工藝指導(dǎo)。根據(jù)分離器筒體尺寸，對內(nèi)壁采用縱向堆焊方式，可在筒體外部操作清理渣殼，減輕勞動強(qiáng)度。由于縱向堆焊與環(huán)形堆焊不同，環(huán)形堆焊方式在圓周方向螺旋進(jìn)行，變形均勻，可以更好地控制橢圓度[10-11]，而縱向堆焊時，周向上非連續(xù)性施焊，焊接變形情況不一致，需按堆焊角度方位，在直徑方向做到交替對稱施焊，從而控制焊接變形。

為保證筒體堆焊質(zhì)量，制定如下縱向堆焊控制要點：(1)提前清理內(nèi)部的油污鐵銹，并確認(rèn)表面狀態(tài)無母材缺陷；(2)過渡層堆焊時，將筒體置于電加熱爐內(nèi)進(jìn)行整體預(yù)熱，保證預(yù)熱溫度≥120 ℃，并保證在工位堆焊前溫度≥80 ℃；(3)在筒體兩端焊接固定工裝圈，控制焊接變形，并在筒體下方設(shè)置火焰加熱工裝，防止堆焊過程中預(yù)熱溫度降低；(4)按圖10對筒體進(jìn)行角度標(biāo)記分區(qū)，堆焊時，將每個堆焊角度轉(zhuǎn)動至最低點，每個角度堆焊4道，然后在該角度的對稱角度上依次堆焊4道，劃分堆焊區(qū)域的角度順序為270°→90°→0°→180°→45°→225°→135°→315°→……，按此順序?qū)ΨQ交替壓道施焊；(5)過渡層堆焊后立即進(jìn)行熱處理，考慮到筒體SA302 Gr.B的厚度，制定熱處理工藝為(620±10) ℃/2.1 h；(6)耐蝕層堆焊順序與過渡層一致，且保證后一層焊道與前一層交錯1/2焊道寬度。按照以上控制要點完成分離器筒體的內(nèi)壁堆焊工作，堆焊質(zhì)量合格，滿足驗收要求，圖11示出過渡層堆焊時過程，圖12示出耐蝕層堆焊完成后筒體內(nèi)壁整體形貌。目前該整套分離器裝置已在現(xiàn)場服役近三年，運(yùn)行過程穩(wěn)定，質(zhì)量可靠。

圖10 堆焊順序角度Fig.10 Angle diagram of surfacing sequence

圖11 過渡層堆焊過程Fig.11 Process diagram of transition layer surfacing

圖12 耐蝕層堆焊后筒體內(nèi)壁形貌Fig.12 Morphology of cylinder inner wall after surfacing of corrosion resistant layer

4 結(jié)論

(1)以厚度25 mm的SA302 Gr.B錳鉬鋼作為基板，選用EQNiCrMo-3/NSAS3-50BS作為過渡層，EQNiCrMo-4/ES A-FB 2B作為耐蝕層，進(jìn)行0.5 mm×60 mm鎳基帶極埋弧堆焊工藝研究，依據(jù)NB/T 47014—2011承壓設(shè)備焊接工藝評定準(zhǔn)則及技術(shù)協(xié)議要求對試板進(jìn)行取樣檢測，堆焊層焊道成型平整，堆焊層的塑、韌性能較好，耐蝕層化學(xué)成分及腐蝕性能滿足要求。

(2)對分離器筒體進(jìn)行縱向堆焊，通過防變形工裝約束及分區(qū)角度堆焊順序的合理設(shè)置，結(jié)合對稱壓道施焊，控制了筒體縱向堆焊的變形量，制定預(yù)熱、道間溫度及熱處理制度要求，保證了堆焊質(zhì)量。

(3)按文中擬定的工藝規(guī)范及技術(shù)要點完成了分離器筒體內(nèi)壁的堆焊，產(chǎn)品順利制造完成，目前在現(xiàn)場已穩(wěn)定運(yùn)行近三年。