800H合金大型壓力容器制造關(guān)鍵技術(shù)研究

張忠政 業(yè) 成 支有冉 夏志敏 南京金創(chuàng)有色金屬科技發(fā)展有限公司

氫氯化反應(yīng)器是多晶硅生產(chǎn)裝置中核心設(shè)備，盛裝易燃易爆長期服役于高溫、高壓惡劣工況下，對(duì)設(shè)備的材料要求較高。800H高溫鎳基合金由于其優(yōu)異高溫力學(xué)性能和耐蝕性能而被選為該反應(yīng)器制造材料。當(dāng)前800H材料廣泛應(yīng)用于國內(nèi)工業(yè)爐和石化行業(yè)各類冷氫化反應(yīng)器典型設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，對(duì)該類高參化大型壓力容器，國內(nèi)很多制造企業(yè)缺乏相關(guān)制造經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)常出現(xiàn)制造問題，產(chǎn)品安全質(zhì)量無法得到保證。因此，有必要對(duì)該類材料大型設(shè)備關(guān)鍵制造技術(shù)進(jìn)行研究，優(yōu)化和改進(jìn)制造工藝，提高產(chǎn)品安全質(zhì)量。

表1 冷氫化反應(yīng)器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表

1800H合金裂紋形成機(jī)理分析

800H材料在焊接過程中容易產(chǎn)生裂紋，由于其擴(kuò)展特性而成為承壓設(shè)備中最危險(xiǎn)缺陷。因此，如何避免產(chǎn)生裂紋成為很多制造企業(yè)的難題，也是該類材料大型壓力容器制造過程中質(zhì)量控制的重要內(nèi)容。

很多學(xué)者研究了800H材料焊接特性，認(rèn)為該材料在焊接過程中產(chǎn)生的裂紋類型為熱裂紋[1,2]。一般認(rèn)為主要是800H材料線膨脹系數(shù)較大，導(dǎo)熱系數(shù)低，熔池流動(dòng)性差，而鎳極易被硫及磷脆化，焊接時(shí)焊縫中的一些雜質(zhì)元素和低熔點(diǎn)物質(zhì)容易在晶界偏析和聚集，形成了熱裂紋。國內(nèi)多家壓力容器制造企業(yè)曾發(fā)生過壓力容器基本制造完成，水壓試驗(yàn)工序中發(fā)現(xiàn)主體焊縫存在著貫穿性裂紋，返修多次仍無法解決裂紋問題而被迫切割主體焊縫進(jìn)行重新焊接的失效案例。圖1和圖2即為800H材料壓力容器制造中在接管角焊縫和主體對(duì)接焊縫裂紋缺陷情況。這主要由于制造企業(yè)對(duì)800H材料焊接特性了解不足，焊接工藝控制不嚴(yán)，導(dǎo)致制造質(zhì)量失控所致。

圖1 設(shè)備接管角焊縫裂紋

圖2 主體環(huán)焊縫貫穿性裂紋

2 焊接質(zhì)量工藝控制

針對(duì)焊接裂紋產(chǎn)生機(jī)理，采取相應(yīng)焊接工藝措施，優(yōu)化焊接工藝，控制焊接裂紋。在產(chǎn)品施焊前，應(yīng)做好焊接工藝評(píng)定，在焊接工藝評(píng)定合格基礎(chǔ)上進(jìn)行焊接。

2.1 坡口準(zhǔn)備

防止過熱裂紋產(chǎn)生不能采取增大焊接電流來提高液態(tài)金屬流動(dòng)性，為保證接頭熔合性良好，需增大坡口角度，減小根部鈍邊厚度。對(duì)厚板產(chǎn)品焊縫應(yīng)選為雙U型坡口形式，如圖3所示。坡口加工采用機(jī)械加工或用熱影響較小的等離子切割，打磨采用專用的不銹鋼砂輪片。在坡口及其周圍20mm范圍內(nèi)表面用丙酮清洗揮發(fā)后進(jìn)行焊接。

圖3 對(duì)接焊接接頭

2.2 焊接材料

焊接材料選擇ERNiCr-3和ERNiCr-2焊絲和焊條，由于熔敷金屬Ni含量高，其耐熱性和耐腐蝕性更好，應(yīng)嚴(yán)格控制焊材中硫磷等元素含量，減少焊接中冷卻時(shí)焊縫中雜質(zhì)含量，減少其在晶界析出，降低熱裂紋傾向。焊條使用必須按說明書要求進(jìn)行烘烤。

2.3 焊接方法

焊接方法應(yīng)綜合考慮到焊接質(zhì)量控制和工作效率。產(chǎn)品施焊中可采用氬弧焊、手工焊和埋弧焊組合方式。先用氬弧焊打底，手工焊覆蓋，最后應(yīng)用埋弧焊蓋面。對(duì)于接管角焊縫焊接，由于其散熱難，拘束度大，應(yīng)力集中，整個(gè)接管角焊縫焊接采取電流較小的鎢極氬弧焊方法。

2.4 施焊措施

在施焊過程中，為了加快冷卻速度，應(yīng)用水管在器壁上進(jìn)行冷卻方法進(jìn)行降溫；嚴(yán)格控制層間溫度小于100℃，焊接過程中應(yīng)用手持式紅外測溫儀進(jìn)行層間測溫；施焊時(shí)盡量采用較小線能量（低電壓、小電流、高焊速、多層焊），短電弧，適當(dāng)擺動(dòng)焊條，擺幅不超過焊條直徑的2.5倍；焊接過程中盡量采取平焊位置焊接。

2.5 缺陷返修

缺陷返修也是800H大型壓力容器制造中重點(diǎn)。返修時(shí)應(yīng)用專用的不銹鋼砂輪片進(jìn)行打磨，表面無損檢測確認(rèn)缺陷完全消除后再進(jìn)行補(bǔ)焊。由于材料已經(jīng)歷焊接金屬冶金過程，再次施焊材料可焊性降低，為避免熱裂紋產(chǎn)生，返修補(bǔ)焊采用氬弧焊方法進(jìn)行。

3 制造過程的無損檢測

針對(duì)該類產(chǎn)品焊接過程容易產(chǎn)生熱裂紋特點(diǎn)，應(yīng)用針對(duì)性無損檢測策略。

3.1 焊接過程無損檢測控制

該類設(shè)備一般要求AB類焊縫進(jìn)行100%射線檢測，CD類焊縫100%滲透檢測。這些無損檢測方法一般在設(shè)備焊接完成后進(jìn)行。鑒于該類材料易產(chǎn)生裂紋缺陷，而且對(duì)厚板設(shè)備焊接完成后再檢測到裂紋時(shí)深度定位困難、返修量較大、返修困難等狀況，采取焊接過程中應(yīng)用無損檢測方法進(jìn)行質(zhì)量控制。例如，對(duì)AB類雙U型對(duì)接焊縫，每焊完一道焊縫應(yīng)進(jìn)行滲透檢測，發(fā)現(xiàn)表面缺陷及時(shí)打磨消除。氬弧焊打底焊接完成后，應(yīng)用射線檢測方法對(duì)部分焊縫進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)返修。手工焊和埋弧自動(dòng)焊焊接過程無損檢測過程相同。采取焊接過程無損檢測質(zhì)量控制的好處是可及時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接過程中缺陷，方便裂紋缺陷定位和返修量小。

由于厚度差異等原因，焊接過程射線檢測時(shí)部分底片質(zhì)量可能不會(huì)完全滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但作為質(zhì)量過程控制參考具有重要工程意義：可大大減少了返修量，避免大范圍、大面積、多次返修造成材料性能劣化裂紋無法修復(fù)導(dǎo)致制造失敗。

3.2 提高無損檢測靈敏度

為了提高缺陷檢出率，應(yīng)考慮影響檢測靈敏度因素，提高檢測靈敏度。根據(jù)射線檢測成像特點(diǎn)，對(duì)射線照相方法和檢驗(yàn)器材等方面進(jìn)行改進(jìn)，提高檢測靈敏度。例如射線底片采用T2類膠片；射線源應(yīng)優(yōu)先使用X射線機(jī)，當(dāng)X射線無法透照器壁厚度時(shí)，則優(yōu)先選用放射源IR-192而不是Co60，以提高射線檢測靈敏度。在觀察射線底片時(shí)采用更亮觀片燈等措施。這些改進(jìn)措施可能會(huì)導(dǎo)致射線檢測成本增加，檢測時(shí)間延長，檢驗(yàn)效率降低。但結(jié)果卻是檢測靈敏度提高，最小缺陷識(shí)別率提高，避免微小裂紋等危險(xiǎn)性缺陷發(fā)生遺漏，確保了容器安全質(zhì)量。

3.3 增加無損檢測方法和次數(shù)

為提高缺陷檢出率，在容器制造工序中增加無損檢測次數(shù)和綜合應(yīng)用多種無損檢測方法。例如，在產(chǎn)品熱處理完成后為避免熱處理對(duì)裂紋影響應(yīng)選取部分焊縫進(jìn)行檢測，耐壓試驗(yàn)結(jié)束后應(yīng)選取部分比例進(jìn)行檢測。對(duì)于接管等角焊縫，盡管相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)未作要求，但鑒于該類材料裂紋多發(fā)性，角焊縫在焊接過程中除了應(yīng)用滲透檢測方法進(jìn)行表面質(zhì)量控制外，焊接結(jié)束后可增加超聲檢測方法對(duì)焊縫進(jìn)行檢測。除應(yīng)用傳統(tǒng)無損檢測方法外，當(dāng)前一些先進(jìn)無損檢測方法，如TOFT、相控陣、聲發(fā)射檢測等也可應(yīng)用于該類設(shè)備裂紋缺陷檢測。

4 熱處理質(zhì)量控制

JB4756-2006《鎳及鎳合金制壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了該類材料壓力容器焊后應(yīng)進(jìn)行固溶處理或穩(wěn)定化熱處理。通過熱處理可使合金中因焊接析出的Cr23C6充分溶解，使鈦和鈮充分形成非常穩(wěn)定的碳化鈦和碳化鈮，抑制在敏化溫度區(qū)Cr23C6沿晶界析出，提高了800H合金抗晶間腐蝕能力[3]。

壓力容器熱處理可分為整體熱處理和局部熱處理，由于爐內(nèi)整體熱處理效果好，在具備條件情況下應(yīng)優(yōu)先選用爐內(nèi)整體熱處理方法。熱處理相關(guān)工藝參數(shù)可按GB150和JB4756-2006標(biāo)準(zhǔn)中要求制定并嚴(yán)格執(zhí)行。在整體爐內(nèi)熱處理時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用電加熱爐，不能選用燃煤爐。應(yīng)用燃?xì)鉅t熱處理時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制燃?xì)庵辛蚝繎?yīng)低于0.57g/m3；當(dāng)采用燃油爐加熱時(shí)，燃油中的硫含量應(yīng)低于0.5%，避免有害雜質(zhì)對(duì)設(shè)備損害。加熱爐應(yīng)能有自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，配備自動(dòng)溫度記錄儀等相關(guān)儀器設(shè)備應(yīng)經(jīng)過檢定。局部熱處理一般采用電阻絲加熱方式，同樣應(yīng)配置自動(dòng)溫度記錄儀器，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。盡管未見800H再熱裂紋報(bào)道，但熱處理，特別是局部熱處理不當(dāng)產(chǎn)生裂紋的案例確有發(fā)生，因此，熱處理結(jié)束后應(yīng)對(duì)設(shè)備焊縫進(jìn)行局部無損檢測抽查。

5 熱加工質(zhì)量控制

大型厚板容器封頭常用熱沖壓成型方式制造。封頭熱加工過程中質(zhì)量控制要點(diǎn)為沖壓初始溫度和終止溫度以及變形速率控制。曹宇[4]等研究了800H合金熱變形行為及熱加工性能，認(rèn)為在溫度為975-1100℃時(shí)，應(yīng)變速率為(0.01～0.3)/s的區(qū)域內(nèi)，800H合金發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，熱變形后組織細(xì)小且均勻，為最佳熱加工區(qū)間。在熱沖壓成形時(shí)，毛坯料加熱溫度不應(yīng)破壞材料供貨狀態(tài)，加熱溫度應(yīng)低于固溶溫度1050℃，終止溫度不應(yīng)低于870℃，避免在奧氏體不銹鋼敏化區(qū)間（450～850℃）停留時(shí)間過長出現(xiàn)晶間Cr23C6析出。應(yīng)由經(jīng)驗(yàn)豐富封頭制造企業(yè)進(jìn)行沖壓，沖壓過程應(yīng)用紅外測溫儀器進(jìn)行測溫，確保溫度不低于870℃。一般兩次沖壓，成型后應(yīng)立即置于附近冷水池中進(jìn)行水冷。由于熱壓成型變形較大，為防止封頭拼焊縫出現(xiàn)裂紋，水冷后應(yīng)對(duì)焊縫再次進(jìn)行無損檢測確認(rèn)。

6 結(jié)束語

800H合金大型壓力容器制造難點(diǎn)在于熱裂紋控制。在基于容器制造工序材料特性和裂紋產(chǎn)生機(jī)理基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求提出了該類材料壓力容器制造過程中質(zhì)量控制措施，在多臺(tái)800H材料大型壓力容器制造中已成功得到應(yīng)用。

1 程曉農(nóng),邱宇,李冬升,等.800H合金焊接性能研究.熱加工工藝, 2013,42(7):154－160

2 陳卉妍,周立忠.Incoloy800H合金鋼的焊接.現(xiàn)代焊接,2009,7:49－50

3 高軍松.高溫?zé)煹繧ncoloy800H波紋管失效分析.壓力容器,22(4):36－40.

4 曹宇,邸洪雙,張潔,張敬奇. 800H合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為研究.金屬學(xué)報(bào),2012, 48(10): 1175－1185