加氫設(shè)備的異種鋼焊接和堆焊

柴祥東

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州510630)

1 異種鋼焊接的問(wèn)題

碳鋼或低合金鋼與18-8不銹鋼的焊接，可以選擇純鐵或奧氏體不銹鋼作為填充金屬。純鐵焊縫性能不穩(wěn)定，因此更多使用的是奧氏體焊縫。這種焊接需要考慮如下問(wèn)題：

1) 稀釋問(wèn)題：含合金很低的碳鋼或低合金鋼母材熔入焊縫或堆焊層，焊縫或堆焊層合金元素鉻(Cr)、鎳(Ni)及鉬(Mo)等含量降低，金相組織出現(xiàn)過(guò)量鐵素體或馬氏體，防腐性能和力學(xué)性能變差，或在焊接時(shí)產(chǎn)生開(kāi)裂等。

解決稀釋的辦法有：

a) 減小焊接或堆焊熔合比，降低母材熔入焊縫或堆焊層的比例。

b) 采用合金含量較高的金屬作為過(guò)渡層，如圖1所示。如果能避免熱裂紋的產(chǎn)生，也可直接采用較高合金含量的材料進(jìn)行焊接。

圖1 過(guò)渡層示意

2) 半混合區(qū)問(wèn)題：鄰近熔合線的一個(gè)窄小的焊縫區(qū)域，母材和熔敷金屬混合不徹底，Cr、Ni等合金元素含量由接近碳鋼或低合金鋼逐漸變化至焊縫金屬，如圖2所示。

雖然焊縫或堆焊層的稀釋可以通過(guò)各種措施得到控制，但半混合區(qū)化學(xué)成分變化范圍大，仍可能產(chǎn)生各種金相組織。半混合區(qū)厚度取決于焊接方法、焊接參數(shù)等。

圖2 焊縫和半混合區(qū)的Cr、Ni含量

3) 碳遷移問(wèn)題：碳鋼或低合金鋼母材合金含量很低，而焊縫或堆焊層富含Cr、Mo等強(qiáng)碳化物形成元素。溫度較高時(shí)，造成熔合線附近母材側(cè)的碳向焊縫或堆焊層一側(cè)遷移，導(dǎo)致熔合線附近母材側(cè)出現(xiàn)脫碳層，焊縫或堆焊層側(cè)出現(xiàn)增碳層。這種結(jié)構(gòu)造成熔合線兩側(cè)力學(xué)性能差異大，缺陷多，圖3為異種鋼接頭熔合線兩側(cè)的硬度。脫碳層強(qiáng)度和硬度低，增碳層強(qiáng)度和硬度高，極脆，有大量碳化物在晶界堆積。該區(qū)域成為異種鋼接頭的最薄弱部位。

焊縫中促進(jìn)石墨化的元素(如Ni)能抑制碳遷移，穩(wěn)定碳化物的元素則促進(jìn)碳遷移。而母材中促進(jìn)石墨化的元素能促進(jìn)碳遷移，穩(wěn)定碳化物的元素則抑制碳遷移。

圖3 堆焊層硬度

2 異種鋼焊接選材和控制原則

控制焊縫的稀釋，舍弗勒?qǐng)D是有用的工具，圖4 是改進(jìn)的舍弗勒?qǐng)D【1】。根據(jù)熔敷金屬和母材的化學(xué)成分以及熔合比，計(jì)算焊縫金屬的化學(xué)成分，確定其Cr當(dāng)量和Ni當(dāng)量，再利用舍弗勒?qǐng)D估計(jì)焊縫的金相組織，作為焊縫成分設(shè)計(jì)的依據(jù)。通常希望奧氏體焊縫中保留3%～10%的鐵素體。這些鐵素體對(duì)S、P、Si等雜質(zhì)元素的容納能力強(qiáng)，降低產(chǎn)生焊接熱裂紋的傾向，還能提高焊縫抗晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕的能力。一般選擇S309L(23Cr-13Ni)系列作為熔敷金屬，可以得到奧氏體加鐵素體焊縫(如圖C點(diǎn))。

圖4 焊縫組織

半混合區(qū)是異種鋼焊接中必然存在的區(qū)域，而該區(qū)中必然有一部分，在化學(xué)成分上與馬氏體組織相對(duì)應(yīng)。圖4中a點(diǎn)對(duì)應(yīng)于2.25Cr-1Mo的化學(xué)成分，b點(diǎn)對(duì)應(yīng)于S309L熔敷金屬的化學(xué)成分，c點(diǎn)對(duì)應(yīng)于焊縫金屬的化學(xué)成分，ac段則對(duì)應(yīng)于半混合區(qū)的化學(xué)成分。可見(jiàn)其金相組織跨越馬氏體、馬氏體加奧氏體和奧氏體加鐵素體幾個(gè)區(qū)域。提高焊縫合金含量，能減小半混合區(qū)厚度，減小馬氏體組織區(qū)的尺寸。承載的異種鋼接頭中，半混合區(qū)的馬氏體轉(zhuǎn)變是必須控制的。經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明，選擇S309L系列作為熔敷金屬，焊縫金屬Ni可到10%以上，半混合區(qū)的馬氏體區(qū)較小，使用中可以接受【2】。

承受載荷的焊接接頭，嚴(yán)重的碳遷移造成接頭失去承載力。通常使用溫度低于大致260 ℃時(shí)，焊接接頭在使用中碳遷移輕微，采用S309L作為過(guò)渡層或直接采用S309L焊接是可行的。這時(shí)，為了避免高溫?zé)崽幚碓斐傻奶歼w移影響接頭性能，不宜進(jìn)行焊后熱處理。如果使用溫度高于大致260 ℃，焊接接頭使用中碳遷移顯著，S309L過(guò)渡層或焊縫不能阻止碳遷移，需要采用高Ni合金作為過(guò)渡層。Ni是石墨化元素，高Ni焊縫能阻止碳化物的形成，降低焊縫對(duì)碳的親和力，抑制碳遷移。如果焊縫Ni達(dá)到80%，焊接接頭可以長(zhǎng)期在450～550 ℃下使用【2】，另外高Ni焊縫的半混合區(qū)中馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域的厚度和轉(zhuǎn)變量也能得到更好地控制。

3 加氫設(shè)備材料和焊接特點(diǎn)

加氫反應(yīng)系統(tǒng)介質(zhì)主要為高溫氫，主體材料按照納爾遜曲線可選耐高溫氫侵蝕的各種Cr-Mo鋼或18-8不銹鋼【3】。同時(shí)因?yàn)榻橘|(zhì)還含有硫化氫等腐蝕成分，為了控制高溫H2+H2S腐蝕，內(nèi)壁可采用高Cr鋼、Cr-Ni奧氏體不銹鋼或高Cr、Ni合金堆焊或復(fù)合【4】。綜合考慮耐腐蝕性、長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和制造可行性，設(shè)備材料一般采用1Cr-0.5Mo、1.25Cr-0.5Mo或2.25Cr-1Mo鋼內(nèi)壁堆焊18-8系列奧氏體不銹鋼。為了防止停工時(shí)連多硫酸腐蝕開(kāi)裂，堆焊層或復(fù)層18-8型奧氏體不銹鋼應(yīng)含穩(wěn)定化元素鈦(Ti)或鈮(Nb)，堆焊材料常選用TP.347(含Nb)。當(dāng)裝置原料含環(huán)烷酸時(shí)，可能需要堆焊含Mo的S316系列不銹鋼。Mo為鐵素體化元素，為保證基本的奧氏體，S316系列不銹鋼提高了Ni含量。為保證抗敏化性，堆焊材料常采用超低碳型TP.316L。但一般認(rèn)為TP.316L的抗敏化性仍劣于S321和TP.347。連多硫酸腐蝕為晶間型應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，除了提高堆焊層抗敏化性能，通常對(duì)堆焊層鐵素體含量有更嚴(yán)格的要求。一般國(guó)內(nèi)外都規(guī)定堆焊層鐵素體含量5%～8%。這給加氫設(shè)備異種鋼焊接帶來(lái)新的問(wèn)題，提出新的要求。

1) 操作中介質(zhì)的氫以原子形式滲透擴(kuò)散到設(shè)備材料內(nèi)，圖5是操作時(shí)器壁上含氫量的示意圖。停工時(shí)，內(nèi)壁H2壓力卸掉，鋼中氫向內(nèi)、外表面擴(kuò)散。而氫在奧氏體堆焊層中擴(kuò)散的速度較Cr-Mo鋼中慢很多(幾個(gè)數(shù)量級(jí))，導(dǎo)致氫在堆焊層與基層的界面處聚集。隨著停工溫度降低，材料溶氫能力下降，使界面處氫過(guò)飽和，成為堆焊層剝離的原因。操作中材料滲氫越多，停工冷卻速度越快，材料中的氫來(lái)不及擴(kuò)散逸出，界面氫含量越高，越易氫剝離。

2) 加氫設(shè)備操作溫度通常在350～450 ℃，異種鋼接頭或堆焊層在此條件下長(zhǎng)期使用，可能發(fā)生碳遷移。加氫反應(yīng)器殼體用鉻鉬(Cr-Mo)鋼含有穩(wěn)定碳化物的Cr、Mo等合金，特別是釩(V)改質(zhì)Cr-Mo鋼，含有對(duì)碳化物穩(wěn)定作用很強(qiáng)的V，抗碳遷移的能力有所提高。但一般認(rèn)為其含穩(wěn)定碳化物的合金元素量有限，不足以完全抑制碳遷移。堆焊層通常并不采用能抑制碳遷移的高Ni合金作為過(guò)渡層，實(shí)際中，堆焊層氫剝離常發(fā)生于使用一定周期后的反應(yīng)器上，這可能與高溫使用加劇堆焊層碳遷移有關(guān)。

圖5 操作中器壁上H濃度分布

3) Cr-Mo鋼焊接或堆焊后，必須進(jìn)行焊后熱處理，否則熱影響區(qū)硬度達(dá)到HB450以上，容易出現(xiàn)焊接缺陷。焊后熱處理溫度達(dá)到600～750 ℃，嚴(yán)重地促進(jìn)異種鋼焊接和堆焊的碳遷移，這是加氫設(shè)備必須面對(duì)的情況。而且研究證明，在熱處理溫度下，除了碳遷移外，甚至Cr、Mo也能短距離擴(kuò)散，向晶界移動(dòng)。這使增碳層晶界更加弱化，加劇了氫剝離傾向。

4) 堆焊層鐵素體含量的要求，也對(duì)堆焊工藝提出更加嚴(yán)格要求。要求在大面積的堆焊中材料質(zhì)量均勻穩(wěn)定，堆焊參數(shù)穩(wěn)定，熔合比穩(wěn)定，焊道搭接平緩。

4 加氫設(shè)備異種鋼焊接和堆焊

異種鋼焊接一般用于加氫高壓設(shè)備上的鉻鉬鋼接管與S321、S347或S316L管道之間的焊接。該焊接接頭為承載接頭。采用S309L過(guò)渡層或采用S309L焊接僅可以達(dá)到連接的目的，但加氫設(shè)備需要在高溫下長(zhǎng)期操作，且接頭必須進(jìn)行焊后熱處理，使得控制碳遷移成為關(guān)鍵。所以通常采用Inconel 625過(guò)渡，如圖6所示，在Cr-Mo鋼側(cè)的坡口先堆焊一層Inconel 625，再用合適的18-8系列不銹鋼進(jìn)行焊接。經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明，Inconel 625的Ni含量在65%左右，用于Cr-Mo鋼坡口焊接的過(guò)渡，可以保證接頭在設(shè)計(jì)溫度(450 ℃)下長(zhǎng)期使用，而且可以承受焊后熱處理。一般不宜采用Inconel 625直接進(jìn)行焊接，因?yàn)榇蠼孛娴睾附覫nconel 625，偏析嚴(yán)重，很容易產(chǎn)生熱裂紋。Inconel 625為高Ni-Cr-Mo合金，除了抑制碳遷移外，還能耐各種腐蝕。這是采用S309L過(guò)渡所不能達(dá)到的。

圖6 管道與設(shè)備焊接

采用S309L過(guò)渡的焊縫，只能使用在溫度不高于260 ℃的環(huán)境，且設(shè)備制造中不進(jìn)行焊后熱處理，這在加氫設(shè)備中是極少的。

加氫設(shè)備堆焊層不承受載荷，通常采用單層方案或雙層方案進(jìn)行堆焊。單層堆焊是在Cr-Mo鋼上直接堆焊耐蝕層TP.347或TP.316L。雙層堆焊是在Cr-Mo鋼上先堆焊TP.309L作為過(guò)渡，再堆耐蝕復(fù)層TP.347或TP.316L。加氫反應(yīng)器和換熱器通常采用高熔敷效率的帶極堆焊，雙層堆焊的每一層及單層堆焊均采用一道堆焊形成。

單層堆焊工作量少，成本低，但稀釋問(wèn)題突出。堆焊層鐵素體含量受熔合比影響大。為了得到滿意的堆焊層，需穩(wěn)定地將熔合比控制在一個(gè)較低的水平，有時(shí)需要提高熔敷金屬的合金含量(如采用309LNb進(jìn)行堆焊)，否則易造成堆焊層鐵素體含量過(guò)高。

雙層堆焊工作量較大，成本高，過(guò)渡層采用含Cr、Ni量高的TP.309L解決稀釋問(wèn)題。過(guò)渡層堆焊熔合比要求寬松，容易得到合格的奧氏體過(guò)渡層，堆焊工藝參數(shù)適應(yīng)性好。

雖然堆焊層不承載荷，但經(jīng)歷堆焊的熱過(guò)程，界面殘余應(yīng)力可能高達(dá)屈服極限。復(fù)合鋼板只存在平行于界面的應(yīng)力，而堆焊層與母材的界面可能還存在垂直于界面的應(yīng)力，焊后熱處理無(wú)法完全消除這種應(yīng)力。另外，在使用中，開(kāi)工、停工及操作的溫度波動(dòng)無(wú)法避免，由于堆焊層與母材之間的熱膨脹和收縮不一致，也能造成界面應(yīng)力。這些界面應(yīng)力和設(shè)備冷卻時(shí)聚集在界面處的H共同作用下，常常導(dǎo)致堆焊層剝離。即在一些部位出現(xiàn)堆焊層和基層沿界面開(kāi)裂脫離。堆焊層和基層材質(zhì)的熱膨脹差越大，界面應(yīng)力越大，越容易剝離。

對(duì)堆焊層氫剝離機(jī)理的認(rèn)識(shí)，學(xué)術(shù)界可能還未完全達(dá)成一致。一般認(rèn)為界面應(yīng)力、界面氫聚集和碳遷移與堆焊層剝離有密切關(guān)系。研究表明【5】：氫剝離常發(fā)源于半混合區(qū)的增碳層粗晶區(qū)，起裂于被碳化物堆積而弱化的晶界。焊接熱輸入作用下通常使界面附近晶粒粗大，在高氫濃度、高應(yīng)力作用下，晶界開(kāi)裂沿粗大晶界連成一體，形成宏觀上的氫剝離。

半混合區(qū)馬氏體層的出現(xiàn)，降低焊接接頭承載能力。但在堆焊層的半混合區(qū)，一般認(rèn)為馬氏體轉(zhuǎn)變有利于提高堆焊層抗氫剝離能力。原因在于半混合區(qū)和碳遷移形成的增碳層是部分重合的。該區(qū)域“馬氏體轉(zhuǎn)變打破了原有的粗大奧氏體晶?！?，起到了細(xì)化晶粒的效果，使增碳層碳化物分布較為分散。國(guó)內(nèi)對(duì)2.25Cr-1Mo堆焊TP.309L的一些研究也證明，堆焊層氫剝離不起源于馬氏體層也不向馬氏體層中延伸，而宏觀上位于半混合區(qū)中馬氏體和奧氏體的結(jié)合處【5】。馬氏體區(qū)的尺寸通常小于增碳層的尺寸，因此剝離處位于奧氏體粗晶區(qū)。一般認(rèn)為半混合區(qū)較多的馬氏體轉(zhuǎn)變可以減小剝離傾向。

一般認(rèn)為雙層堆焊抗氫剝離的性能較好，但也有例子說(shuō)明單層堆焊的抗氫剝離性能并不劣于雙層堆焊。實(shí)際上有多種因素影響堆焊層的氫剝離傾向，圖7顯示了單層堆焊和雙層堆焊影響氫剝離傾向的幾個(gè)因素及其對(duì)氫剝離傾向可能產(chǎn)生的影響，一般采用帶極埋弧自動(dòng)堆焊時(shí)，兩者都能達(dá)到設(shè)備的使用要求。

圖7 單層堆焊和雙層堆焊剝離傾向影響因素的對(duì)比

5 加氫設(shè)備帶極堆焊

帶極堆焊方法先進(jìn)，效率高，適合在加氫設(shè)備上大面積使用。高壓加氫反應(yīng)器和換熱器上常用帶極埋弧自動(dòng)堆焊(SAW)和帶極電渣自動(dòng)堆焊(ESW)。帶極埋弧自動(dòng)焊和帶極電渣自動(dòng)焊示意如圖8所示。

帶極埋弧自動(dòng)堆焊(SAW)是上世紀(jì)70年代發(fā)展成熟的高效堆焊技術(shù)。熱輸入(線能量)高，熔敷效率高，熔深大(熔合比高，即稀釋嚴(yán)重)，熱影響區(qū)厚。與帶極電渣自動(dòng)堆焊(ESW)相比，半混合區(qū)較厚，容易得到馬氏體轉(zhuǎn)變。不論在單層堆焊還是雙層堆焊上都得到廣泛應(yīng)用。

帶極電渣自動(dòng)堆焊(ESW)，被認(rèn)為是一種更先進(jìn)的堆焊方法【6】。線能量與SAW相當(dāng)或稍高，但焊速和電流遠(yuǎn)高于SAW，比SAW堆焊效率更高。表1是兩種焊接方法參數(shù)對(duì)比。因?yàn)槭欠请娀《押福珽SW飛濺少，熱輸入穩(wěn)定，焊道成型良好，其推廣使用提高了堆焊效率和堆焊質(zhì)量。

另一方面，ESW快速熱輸入使焊道熔深較淺(熔合比、稀釋率低)。這導(dǎo)致熔合線附近溫度較高，晶粒更為粗大。也造成堆焊層半混合區(qū)化學(xué)成分變化陡，熱膨脹造成的界面剪應(yīng)力大。這些導(dǎo)致采用ESW進(jìn)行單層焊或進(jìn)行雙層堆焊的過(guò)渡層堆焊時(shí)，抗氫剝離性能很差，目前并不大力推薦。從機(jī)理上，ESW的半混合區(qū)窄，馬氏體轉(zhuǎn)變被抑制，可能是其較SAW抗剝離性差的另一個(gè)原因。但這一說(shuō)法并未得到業(yè)內(nèi)的共同認(rèn)可。畢竟界面處的增碳層厚度和嚴(yán)重程度，馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的尺寸和類型，晶粒度的大小，對(duì)氫剝離傾向的綜合影響是復(fù)雜的。

圖8 帶極埋弧自動(dòng)焊和帶極電渣自動(dòng)焊

表2是某國(guó)際知名焊材公司針對(duì)SAW和ESW在2.25Cr-1Mo及V改質(zhì)3Cr-1Mo-VTiB鋼上單層堆焊TP.347和雙層堆焊TP.309L+TP.347的氫剝離實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)的焊接參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的氫剝離實(shí)驗(yàn)方法。結(jié)果發(fā)現(xiàn)V改質(zhì)鋼自身優(yōu)良的抗氫剝離性能，所有試樣均未出現(xiàn)剝離。而傳統(tǒng)2.25Cr-1Mo鋼，相同條件下對(duì)比時(shí)，SAW的抗氫剝離性優(yōu)于ESW。數(shù)據(jù)雖然差別不大，但趨勢(shì)很明顯。值得一提的是，該公司最終的報(bào)告認(rèn)為SAW和ESW在抗氫剝離方面并無(wú)根本差異，馬氏體轉(zhuǎn)變也不是影響堆焊層氫剝離傾向的關(guān)鍵。

表1 SAW和ESW對(duì)比

表2 氫剝離實(shí)驗(yàn)結(jié)果

除了帶極堆焊，加氫設(shè)備還常用到手工堆焊等方法，一般是用在接管、法蘭和其他臺(tái)面的小面積的局部堆焊。這些堆焊一般不能僅采用一道完成所要求的堆焊厚度，都需要多道堆焊，這樣先堆焊的焊道自然起到過(guò)渡層的作用。實(shí)踐中有較好的效果。

6 結(jié)語(yǔ)

加氫設(shè)備承載的異種鋼焊接采用Inconel 625進(jìn)行過(guò)渡，目前國(guó)內(nèi)外的做法大致相同。理論上合理，操作中可行。雖然高鎳合金非常昂貴，但僅過(guò)渡層消耗材料很少，一般不會(huì)影響設(shè)備成本。對(duì)于操作溫度很低，不進(jìn)行焊后熱處理的情況下，可以使用一般的S309L過(guò)渡或焊接。

堆焊層氫剝離問(wèn)題一直是業(yè)內(nèi)所關(guān)心的。雖然其理論有待于進(jìn)一步研究，但從經(jīng)驗(yàn)上，目前單層堆焊采用帶極埋弧自動(dòng)焊(SAW)，雙層堆焊采用帶極埋弧自動(dòng)焊(SAW)加帶極電渣自動(dòng)焊(ESW)依然是值得推薦的。

另一方面，帶極電渣自動(dòng)焊的高效率對(duì)工廠的吸引是巨大的。進(jìn)一步研究其在單層堆焊和雙層堆焊過(guò)渡層堆焊上使用也是必要的。單層堆焊省時(shí)間，成本低，值得推廣，但控制上要求較為嚴(yán)格，目前國(guó)內(nèi)使用還不多。許多人認(rèn)為，帶極電渣自動(dòng)焊在單層堆焊上應(yīng)用可能性較大，而且國(guó)內(nèi)已有在不很苛刻的設(shè)備上使用的報(bào)道【7-9】。

雙層堆焊方案國(guó)內(nèi)使用較多， 過(guò)渡層TP.309L一般采用SAW，復(fù)層可采用ESW或SAW。采用ESW堆焊過(guò)渡層TP.309L時(shí)， 抗氫剝離性能很差， 日本制鋼早期的淺熔深堆焊法(日本制鋼自己命名為PZ法)， 與此類似， 由于氫剝離問(wèn)題嚴(yán)重而被淘汰， 其問(wèn)題就出現(xiàn)在TP.309L過(guò)渡層的堆焊上。雖然其機(jī)理尚待研究， 但從使用經(jīng)驗(yàn)看， 采用ESW堆焊過(guò)渡層TP.309L時(shí)機(jī)并不成熟。不過(guò)理論上可以肯定， 任何焊接和堆焊方法， 只要解決好異種鋼焊接的幾個(gè)問(wèn)題都是可行的。