TP347單層堆焊技術(shù)及性能評價(jià)研究

劉希武崔新安段永鋒李 輝劉旭霞

(1.中石化煉化工程集團(tuán) 洛陽技術(shù)研發(fā)中心，河南洛陽 471003；2.中國石油化工集團(tuán) 石化設(shè)備防腐蝕研究中心，河南洛陽 471003)

0 引言

在煉油和煤化工裝置的高溫高壓臨氫環(huán)境中，鉻鉬鋼難以滿足高溫H2+H2S的耐蝕性能要求，目前多采用基層+過渡層+耐蝕層的雙層堆焊工藝來實(shí)現(xiàn)內(nèi)壁堆焊耐蝕不銹鋼[1-2]。其中的過渡層富含Cr,Ni等合金元素，可以有效降低堆焊熔合區(qū)的元素遷移和稀釋率，從而保證耐蝕層的理化及耐蝕性能。雙層堆焊工藝的特點(diǎn)是技術(shù)成熟、堆焊質(zhì)量穩(wěn)定，但堆焊周期長、成本較高[3-6]。隨著堆焊技術(shù)的發(fā)展，為節(jié)約成本、縮短制造周期，國外企業(yè)已經(jīng)開發(fā)了能夠適用于單層堆焊的材料和工藝，并得到了成功應(yīng)用[7]。目前，國內(nèi)尚未系統(tǒng)掌握單層堆焊技術(shù)，僅少量應(yīng)用在煉油裝置的臨氫設(shè)備上，未見有在煤化工壓力容器的應(yīng)用。由于煤化工設(shè)備普遍運(yùn)行在臨氫環(huán)境中，隨著我國新型煤化工技術(shù)的迅猛發(fā)展，內(nèi)壁堆焊耐蝕不銹鋼的需求也將越來越大。本文旨在開發(fā)針對煤化工臨氫壓力容器的單層堆焊技術(shù)，在降低設(shè)備制造成本的同時(shí)，加快設(shè)備制造進(jìn)度，進(jìn)而提高我國在煤化工臨氫設(shè)備加工制造領(lǐng)域的競爭力。

15CrMoR屬于中溫抗氫鋼，具有良好的高溫強(qiáng)度、韌性和可焊性，廣泛應(yīng)用于加工制造石油化工和煤化工壓力容器。本試驗(yàn)以15CrMoR鋼為基層、兩種焊帶(A,H)為堆焊層，采用稀釋率較低的電渣焊工藝制備單層堆焊試樣，并對試樣進(jìn)行理化及耐蝕性能評價(jià)。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選擇15CrMoR作為基層材料，其化學(xué)成分及各項(xiàng)力學(xué)性能分別見表1，2。試板尺寸450 mm×700 mm×50 mm，供貨狀態(tài)為正火+回火，金相組織為回火索氏體。TP347焊帶及焊劑分別購置于兩個(gè)公司，焊帶尺寸均為60 mm×0.5 mm，焊帶和焊劑代號分別為A+SHD202D和H+SJ15F，兩種焊帶化學(xué)成分如表3所示，均滿足NB/T 47018—2017《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件》的要求。為方便描述，下文中提到的A試樣即為15CrMoR+A焊帶單層堆焊試樣，H試樣即為15CrMoR+H焊帶單層堆焊試樣。

表1 基層材料15CrMoR鋼的化學(xué)成分 %

表2 基層材料15CrMoR鋼的力學(xué)性能

表3 不同焊帶化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器有：WDS-10E數(shù)顯式電子彎曲試驗(yàn)機(jī)、ZEISS Observer.Z1m金相顯微鏡、DJS-292雙顯恒電位儀、Parr 抗氫剝離試驗(yàn)測試系統(tǒng)、FEI Quanta650掃描電子顯微鏡、Genesis X-射線能譜儀。

1.3 堆焊工藝

帶極堆焊方法主要包括埋弧焊和電渣焊。相對于埋弧焊，電渣焊焊道形狀平滑、熔深淺且均勻，易實(shí)現(xiàn)單層堆焊厚度(4+0.5) mm。此外，電渣焊工藝熔合區(qū)稀釋率較低，減少了熔合區(qū)的元素遷移，有利于保證堆焊層的耐蝕性能[8-10]。因此，本試驗(yàn)選擇電渣焊單層堆焊工藝，工藝參數(shù)如表4所示。

表4 單層堆焊工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 無損檢測

參照NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》中的方法要求，堆焊完成后及焊后熱處理完成后都進(jìn)行100%滲透檢測(PT)和100%超聲檢測(UT)。檢測結(jié)果表明，堆焊層及熔合區(qū)未發(fā)現(xiàn)有裂紋等缺陷。圖1為兩種堆焊試樣熔合區(qū)宏觀形貌照片?？梢钥闯觯押溉酆蠀^(qū)無氣孔、砂眼、未熔合或熔合不良等明顯缺陷；10倍放大圖像顯示不存在任何形式的微裂紋，堆焊層與基層的熔合狀況良好。

(a)15CrMoR+A焊帶

(b)15CrMoR+H焊帶圖1 堆焊層熔合面宏觀照片 10×

2.2 力學(xué)性能

焊后熱處理完成后，參照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備用焊接工藝評定》中要求的試樣種類、數(shù)量、尺寸、取樣位置及試驗(yàn)方法參數(shù)，進(jìn)行單層堆焊試樣的彎曲性能評價(jià)。彎曲試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表5所示。側(cè)彎試樣彎曲到180°后堆焊層和熔合面上無任何開口缺陷和裂紋，表明試樣均合格。因而可以判定，堆焊試樣的基材熱影響區(qū)、熔合區(qū)和堆焊層均具有良好的力學(xué)性能，堆焊層與基材之間的結(jié)合強(qiáng)度滿足要求。

表5 單層堆焊試樣彎曲試驗(yàn)結(jié)果

焊后熱處理完成后，在堆焊層表面及截面進(jìn)行硬度測定。硬度測定結(jié)果顯示，兩種堆焊試板表面硬度值均小于22HRC，截面硬度值均小于248HV10，均滿足BCEQ-9301-A1《壓力容器內(nèi)部單層堆焊(E347型)技術(shù)條件》的要求。

2.3 化學(xué)成分和鐵素體含量測定

堆焊完成后、焊后熱處理前，在距離堆焊層表面0.5～1.5 mm范圍內(nèi)取樣，參照BCEQ-9301-A1進(jìn)行堆焊層化學(xué)成分分析和鐵素體含量(FN值)測定。鐵素體含量采用磁性法測定，使用鐵素體含量測定儀對經(jīng)過打磨的堆焊層進(jìn)行鐵素體含量測定，測定結(jié)果如表6所示?？梢钥闯觯瑑煞N堆焊層中的Cr,Ni,Nb含量相對于焊帶均略有降低，這說明堆焊層受到了基層材質(zhì)一定程度的稀釋，A試樣和H試樣的鐵素體含量FN值分別為3.95和3.30，介于3～8之間。由此說明，堆焊層的化學(xué)成分和鐵素體含量均滿足BCEQ-9301-A1中的要求。

表6 堆焊層化學(xué)成分分析及鐵素體含量測定結(jié)果

2.4 晶間腐蝕試驗(yàn)

焊后熱處理完成后，在兩種堆焊試板上分別切取3個(gè)試樣進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。依據(jù)GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》要求完成腐蝕試驗(yàn)后，進(jìn)行180°彎曲，試樣均未發(fā)現(xiàn)有晶間腐蝕裂紋，在10倍放大鏡下觀察也未發(fā)現(xiàn)有晶間腐蝕裂紋，由此可以認(rèn)為單層堆焊試樣具有良好的耐晶間腐蝕性能。

圖2為沿H試樣截面方向，對C,Cr,Ni,Fe四種元素進(jìn)行能譜儀線性掃描(EDS)的結(jié)果?？梢钥闯觯?種元素在堆焊熔合區(qū)附近的分布發(fā)生了突變：Cr,Ni兩種元素含量在熔合區(qū)快速下降，基體側(cè)含量并未有明顯的增加；由于局部碳遷移的原因，造成靠近堆焊層一側(cè)熔合區(qū)的C含量有明顯增大，但是堆焊層側(cè)的C含量并未明顯增大。綜上所述，單層堆焊工藝有效地避免了基層對堆焊層的稀釋作用，從而減少了母材成分對堆焊層耐蝕性能的影響。此外，堆焊層347不銹鋼中的Nb元素，優(yōu)先與遷移而來的C元素結(jié)合形成碳化物，從而大大降低晶界析出Cr23C6的可能性?？傮w來說，雖然在碳遷移過程中堆焊層側(cè)的Cr23C6形成使得Cr含量有所降低，但是不會造成堆焊層出現(xiàn)貧鉻現(xiàn)象。堆焊層中足量的鉻元素仍能滿足堆焊層的耐晶間腐蝕性能要求。

圖2 單層堆焊試樣熔合區(qū)截面EDS線掃描結(jié)果

2.5 氫剝離試驗(yàn)

采用高溫高壓試驗(yàn)和電解充氫兩種方法對單層堆焊試樣的抗氫剝離性能進(jìn)行評價(jià)。參照ASTM G146-01(2013)，確定高溫高壓氫剝離試驗(yàn)的試樣尺寸及試驗(yàn)方法。參照BCEQ-9301-A1確定試驗(yàn)參數(shù)，如表7所示。

表7 高溫高壓氫剝離試驗(yàn)參數(shù)

在電解充氫試驗(yàn)中，以表面積為1 cm2的堆焊試樣作為陰極、鉑片電極作為陽極、5%H2SO4作為電解質(zhì)溶液，采用恒電流模式進(jìn)行陰極充氫，電流密度0.2 A/cm2，充氫時(shí)間48 h[10-12]。充氫完成后，將試樣沿截面均分成厚度為1 mm的薄片，之后進(jìn)行金相制樣、拋光，觀察截面熔合區(qū)剝離情況[13-15]。

高溫高壓氫剝離試驗(yàn)的超聲檢測結(jié)果表明，經(jīng)過第1個(gè)循環(huán)后，兩種堆焊試樣均未發(fā)生剝離;而經(jīng)過第2個(gè)循環(huán)后，兩種堆焊試樣均發(fā)生剝離，剝離部位金相檢測結(jié)果如圖3(a),(b)所示。電解充氫試驗(yàn)后，金相觀察發(fā)現(xiàn)A試樣在堆焊熔合區(qū)出現(xiàn)剝離裂紋，而H試樣未發(fā)現(xiàn)有剝離裂紋，其結(jié)果如圖3(c),(d)所示。

圖3 單層堆焊氫剝離試樣熔合區(qū)微觀形貌

由高溫高壓氫剝離試驗(yàn)結(jié)果可知，在降溫速率200 ℃/h時(shí)，兩種堆焊試樣均未發(fā)生剝離；而在降溫速率300 ℃/h時(shí)，兩種試樣均發(fā)生了剝離，這說明過高的降溫速率會導(dǎo)致降溫過程中氫在堆焊熔合區(qū)迅速聚集并達(dá)到較高的濃度，從而加劇堆焊層的剝離。馬向峰[16]認(rèn)為，冷卻速度的快慢對堆焊層上所吸收的氫氣量有很大的影響，冷卻速度越快，會導(dǎo)致在堆焊熔合區(qū)附近快速聚集較高濃度的氫，引起局部應(yīng)力增大，越容易產(chǎn)生剝離。因此，在使用單層堆焊工藝加工制造臨氫壓力容器時(shí)，應(yīng)注意嚴(yán)格控制停工過程中的降溫速率，從而減小氫剝離發(fā)生的幾率。

電解充氫試驗(yàn)結(jié)果表明，相較于A試樣，H試樣具有更強(qiáng)的抗氫剝離性能。圖4示出兩種堆焊試板的熔合區(qū)微觀形貌。可以看出，熔合區(qū)有一條平行于界面方向的黑色馬氏體帶，該馬氏體帶主要由脆硬的馬氏體和碳化物組成；鄰近馬氏體帶的堆焊層一側(cè)有亮白的單相奧氏體區(qū)。從A試樣堆焊層觀察到了晶粒粗大且沿馬氏體帶連續(xù)分布的單相奧氏體區(qū)，而H試樣堆焊層的單相奧氏體區(qū)相對較窄。單相奧氏體區(qū)和馬氏體帶在熱膨脹系數(shù)等物理性能上存在著較大的差異，這是堆焊熔合區(qū)產(chǎn)生剝離裂紋的重要原因之一。綜上所述，A試樣堆焊熔合區(qū)存在較大區(qū)域的單相奧氏體區(qū)，且與H試樣相比，堆焊層熔合區(qū)抗氫剝離性能較差。

(a)A試樣

(b)H試樣圖4 單層堆焊熔合區(qū)微觀形貌

3 結(jié)論

(1)采用電渣焊工藝制備的A和H兩種單層堆焊試樣，其各項(xiàng)理化性能指標(biāo)均滿足要求，且具有良好的耐晶間腐蝕性能。

(2)兩種堆焊層在較低降溫速率的第1個(gè)循環(huán)中均未發(fā)生剝離，而在較高降溫速率的第2個(gè)循環(huán)中均發(fā)生了剝離。H試樣堆焊層相比于A試樣堆焊層具有更強(qiáng)的抗氫剝離性能。冷卻速率是加劇氫剝離的重要原因。臨氫壓力容器單層堆焊設(shè)備在停工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制降溫速率，從而減小氫剝離發(fā)生的幾率。

(3)A試樣堆焊熔合區(qū)存在較大區(qū)域的單相奧氏體區(qū)。電解充氫試驗(yàn)表明，H試樣堆焊層熔合區(qū)的抗氫剝離性能優(yōu)于A試樣。