加氫反應器用309LMo型單層帶極電渣堆焊材料的研制

鄒力維 馮偉 陳波 徐鍇 戴紅

摘要： ?研制出加氫反應器用309LMo型單層帶極電渣堆焊材料，其牌號為H316LF焊帶和SJ15F焊劑，研究了堆焊層厚度控制技術，找出了符合項目技術要求的堆焊層厚度范圍。采用該套材料進行堆焊試驗，結果表明，堆焊層各元素化學成分范圍控制合理，S，P雜質(zhì)元素含量低，鐵素體數(shù)穩(wěn)定在3～8 FN，堆焊層側彎無裂紋，具有優(yōu)異的耐晶間腐蝕性能和抗氫剝離性能，同時堆焊過程穩(wěn)定，整體堆焊工藝性能優(yōu)良。

關鍵詞： ?單層堆焊;堆焊層厚度;加氫反應器

中圖分類號： TG 423

Development of 309LMo single-layer electroslag strip cladding material for hydrogenation reactor

Zou Liwei 1， Feng Wei 1， Chen Bo 1， Xu Kai 2， Dai Hong 2

（1.Harbin Well Welding Co. ，Ltd. ， Harbin 150028，China;2.Harbin Welding Institute Limited Company， Harbin 150028，China）

Abstract： ??The 309LMo single-layer electrodeposited slag cladding material for hydrogenation reactors， H316LF welding strip and SJ15F agglomerated flux was developed. The thickness control technology of the cladding layer was studied and it was found that the thickness range of the cladding layer met the technical requirements of the project. Using this set of materials for the overlay test， the results show that? the chemical composition of the overlay layer is reasonably controlled， the content of S and P impurities is low， the ferrite number is stable at 3-8 FN， and there is no crack in the side bend of the overlay layer， which has excellent resistant to intergranular corrosion and hydrogen-induced disbonding， stable surfacing process， excellent overall cladding process performance.

Key words： ?single-layer cladding; cladding layer thickness; hydrogenation reactor

基金項目：? 國家重點研發(fā)計劃重點專項（2017YFB0305303）

0 前言

目前，在煉油、石油化工生產(chǎn)中的裂化、精制、脫硫等各種加氫工藝裝置中，許多關鍵設備內(nèi)壁廣泛使用耐蝕襯里 [1-2]。隨著加氫工藝裝置的大型化，設備內(nèi)壁需要堆焊的面積加大，傳統(tǒng)工藝選用EQ309LMo焊帶作為過渡層，EQ316L焊帶作為耐蝕層的雙層帶極堆焊技術。但該技術制造周期長，制造成本高，嚴重影響容器制造廠的效益，制約制造廠發(fā)展。從20世紀90年代起，蘭州蘭石重型裝備股份有限公司、中國第一重型機械股份公司和中國石化集團南化有限公司等大型企業(yè)開始對單層電渣堆焊技術進行攻關，因為單層帶極堆焊技術對工藝要求高，堆焊層各元素化學成分和鐵素體含量難以控制，技術難度較大，同時還有堆焊層的氫剝離問題，這些都是單層帶極堆焊技術尚未攻克的難題。經(jīng)過近二十多年的發(fā)展，單層帶極電渣堆焊材料在換熱器、冷高壓分離器、熱高壓分離器等部件上取得應用 [3-7]，但國產(chǎn)單層帶極堆焊材料從未應用在加氫反應器上，因此急需研制開發(fā)國產(chǎn)的加氫反應器用單層帶極電渣堆焊材料。

文中通過對焊帶成分和焊劑的優(yōu)化設計，研制出加氫反應器用309LMo型單層帶極電渣堆焊材料，牌號為H316LF焊帶及SJ15F焊劑。在此基礎上，進行了單層帶極堆焊工藝研究，主要研究了堆焊層厚度控制技術，找出了符合技術要求的堆焊層厚度范圍。309LMo型單層帶極堆焊材料的研制和工藝的研究，解決了堆焊層化學成分和鐵素體含量難以控制的難題，以及堆焊層的氫剝離問題，推動了加氫反應器用單層帶極堆焊材料的國產(chǎn)化進程。

1 單層帶極電渣堆焊材料的研制

1.1 焊帶的研制

309LMo型單層帶極電渣堆焊材料焊帶采用符合ASME第II卷C篇SFA-5.9《不銹鋼光焊絲和填充絲標準》中的EQ309LMo焊帶，EQ309LMo焊帶通常用于多層焊中過渡層的堆焊，若要用于單層堆焊中需要對EQ309LMo的合金體系進行適當調(diào)整。

為保證堆焊層鐵素體數(shù)滿足3～8 FN的技術要求，必須嚴格控制焊帶中Cr，Ni和N元素含量的波動范圍。Cr元素是鐵素體主要形成元素，主要提高堆焊層的δ-鐵素體含量和耐腐蝕性能;Ni和N元素是奧氏體主要形成元素，主要是保證堆焊層的δ-鐵素體含量 和耐腐蝕性能。Cr元素含量應控制在21.0%～22.0%， Ni元素含量應控制在13.0%～14.0%，N元素含量應控制在0.05%～0.10%。

為得到堆焊層合格的化學成分和優(yōu)異的組織性能，對不銹鋼堆焊金屬晶間腐蝕影響很大的C元素、顯著提高不銹鋼堆焊金屬耐點蝕的Mo元素、降低堆焊金屬對熱裂紋的敏感性S，P等有害元素和平衡堆焊金屬組織的Si，Mn元素進行嚴格控制，控制C含量≤0.020%， Mo含量2.3%～3.0%，S含量≤0.010%，P含量≤0.020%，Si含量0.30%～0.50%，Mn含量1.50%～2.50%。

根據(jù)以上分析，對焊帶進行成分優(yōu)化設計、冶煉試制，并進行試驗驗證，最終確定了309LMo型焊帶的化學成分范圍并冶煉了焊帶成品。 焊帶牌號為H316LF，其化學成分見表1。

1.2 焊劑的研制

電渣堆焊對焊劑的基本要求是：①在焊接開始時能夠迅速建立起電渣熔池 [8];②在焊接過程中，當渣池深度、寬度以及電流、電壓變化時，能保持穩(wěn)定的電渣過程;③焊后脫渣容易，焊縫成形性好?；谝陨先矫娴男枨?，確定采用氟堿型渣系。

經(jīng)過配方調(diào)整，最終渣系為CaF2-MgO-SiO2-Al2O3。其中CaF2是電渣堆焊焊劑中不可缺少的組分，是決定電渣過程能否順利進行的關鍵。MgO是良好的造渣材料，可提高熔渣的堿度，增加熔渣的透氣性和表面張力，改善焊縫成形。SiO2為強酸性氧化物，是焊劑中一種主要的造渣成分，含量較多時由于SiO2從高溫冷卻到低溫共有4個相變過程，當晶格改變時伴隨有體積的變化，對脫渣有良好的作用。加入適量的中性氧化物Al2O3，可使堆焊層表面魚鱗紋細膩，焊劑的成形性能也相應提高 [9]。新研制電渣焊劑牌號為SJ15F，焊劑主要化學成分見表2。

1.3 試驗方法

單層帶極電渣堆焊材料選用新研制的H316LF焊帶和SJ15F焊劑，焊帶規(guī)格為0.4 mm×50 mm，焊劑規(guī)格為10～80目，試驗母材為2.25Cr-1Mo。

焊接設備選用林肯DC-1500電源和林肯NA-3N控制系統(tǒng)，堆焊參數(shù)見表3，試板整體預熱150～200 ℃，堆焊層厚度約4.8 mm。

試板堆焊后進行熱處理，熱處理工藝分兩種，分別是Min.PWHT（690 ℃×8 h）、Max.PWHT（690 ℃×32 h）。

2 單層帶極電渣堆焊試驗結果與分析

2.1 化學成分

2.25Cr-1Mo母材化學成分見表4，H316LF焊帶及? 堆焊層化學成分見表5。

從表5可以看出，新研制的H316LF焊帶化學成分，焊帶匹配SJ15F電渣焊劑堆焊后堆焊層化學成分均滿足項目技術要求，S和P雜質(zhì)元素含量較低。

2.2 堆焊層鐵素體數(shù)測定

堆焊層鐵素體數(shù)測定采用化學分析法和磁性法進行?；瘜W分析法測定參照WRC-92圖，磁性法測定采用ANSI/AWS A4.2M-2006 Standard Procedures for Calibrating Magnetic Instruments to Measure the Delta Ferrite Content of Austenitic and Duplex Ferritic-Austenitic Stainless Steel Weld Metal 所標定過的測量儀器進行測定，堆焊層鐵素體數(shù)需滿足3～8 FN的技術要求，結果見表6。

從表6可以看出，新研制的H316LF/SJ15F單層帶極電渣堆焊材料的鐵素體數(shù)滿足項目技術要求，并且化學分析法和磁性法有很好的一致性。 2.3 彎曲性能

堆焊試件經(jīng)Max.PWHT熱處理工藝后進行側彎試驗，試驗標準為GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》，在堆焊層和熔合線上均無任何目視可見的開口缺陷和裂紋，側彎試件的試驗結果合格，如圖1所示。

2.4 晶間腐蝕性能

堆焊試件經(jīng)Max.PWHT熱處理工藝后進行晶間腐蝕試驗，試驗標準為GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》中E法，試驗后彎曲未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕傾向，如圖2所示。

2.5 抗氫剝離性能

焊試件依據(jù)ASTM G146-01（2013） Standard Practice for Evaluation of Disbonding of Bimetallic Stainless Alloy/Steel Plate for Use in High-Pressure， High-Temperature Refinery Hydrogen Service 進行氫剝離試驗，堆焊試件降溫速率≥250 ℃/h，保溫機制為485 ℃保溫48 h，經(jīng)2個循環(huán)及7天后，采用超聲波跟蹤檢查未發(fā)現(xiàn)氫剝離現(xiàn)象。

2.6 工藝性能

新研制的堆焊材料H316LF焊帶和SJ15F焊劑采用表3工藝參數(shù)進行單層帶極電渣堆焊。堆焊后脫渣和焊道搭接熔合情況，如圖3～4所示。

由圖3～4可以看出，H316LF焊帶配合SJ15F電渣焊劑堆焊時，電渣堆焊過程穩(wěn)定，能整體脫渣，飛濺小，焊道表面平整光潔，焊道間搭接熔合良好、無咬邊，整體工藝性能優(yōu)良。

2.7 金相檢驗

堆焊試板熱處理后進行宏觀和微觀檢驗，宏觀檢驗采用5倍放大鏡觀察，宏觀形貌如圖5所示。從圖5可以看出，堆焊層未見裂紋、夾渣、未熔合等焊接缺陷。

圖6為H316LF/SJ15F堆焊層微觀形貌。由圖6可以看出，耐熱鋼母材及熱影響區(qū)組織為塊狀鐵素體和少量貝氏體。不銹鋼堆焊層金屬與耐熱鋼母材的熔合線處存在明顯的馬氏體帶，堆焊層組織為奧氏體和少量δ-鐵素體，隨著熱處理時間的延長，δ-鐵素體組織分解，數(shù)量變少。

3 堆焊層厚度控制技術

單層帶極電渣堆焊材料至今在國內(nèi)未全面推廣，除了焊接材料的原因外，更為重要的是焊接工藝。因為單層帶極電渣堆焊工藝的小變動直接能導致堆焊產(chǎn)品的不合格。通過大量試驗發(fā)現(xiàn)，單層帶極電渣堆焊工藝中最為關鍵的是堆焊層的厚度，堆焊層厚度的變化對化學成分、側彎性能、鐵素體數(shù)影響非常大。因此研究H316LF/SJ15F堆焊層厚度控制技術，找到各項性能符合技術要求的堆焊層厚度范圍，是研究單層帶極電渣堆焊工藝的關鍵。