寬帶極單層高速電渣堆焊應(yīng)用性的研究

(青島蘭石重型機械設(shè)備有限公司，山東青島 266426)

0 引言

高壓、高溫、臨氫條件下運行的加氫反應(yīng)器，表面堆焊不銹鋼是最常用、最有效提高其耐腐蝕性能的技術(shù)。對于大型厚壁加氫反應(yīng)器的筒體，帶極埋弧焊+電渣堆焊(SAW+ESW)是目前常用的堆焊技術(shù)，但這種堆焊技術(shù)存在生產(chǎn)成本高、熔敷速率慢、焊劑消耗較高等局限。隨著堆焊材料和堆焊技術(shù)的發(fā)展，單層堆焊技術(shù)可大大減少焊帶和焊劑的消耗量，具有較好的經(jīng)濟效益，在國外已得到廣泛應(yīng)用；而高速帶極電渣堆焊具有極高的熔敷速率，可極大提高生產(chǎn)效率，細化堆焊層的奧氏體晶粒，改善堆焊區(qū)的抗剝離能力。因此，單層高速電渣堆焊技術(shù)在加氫反應(yīng)器內(nèi)壁防護措施中受到越來越多的關(guān)注和廣泛的研究[1-2]。

本文依據(jù)某公司的“大面積單層帶極堆焊加氫反應(yīng)器研制”項目技術(shù)條件(簡稱技術(shù)條件)，分別對90 mm×0.5 mm鋼帶單層電渣堆焊、75 mm×0.4 mm鋼帶單層高速電渣堆焊和90 mm×0.5 mm鋼帶單層高速電渣堆焊的堆焊層進行試驗，研究寬帶極單層高速電渣堆焊技術(shù)應(yīng)用于加氫反應(yīng)器的可行性。

1 焊接設(shè)備及材料

試驗設(shè)備為國產(chǎn)十字架帶極堆焊設(shè)備，通過預(yù)置焊接參數(shù)，進行單層電渣堆焊。試驗?zāi)覆?2Cr2Mo1R鋼板，規(guī)格為600 mm×350 mm×30 mm，共3件，試件化學(xué)成分如表1所示。

表1 12Cr2Mo1R鋼板化學(xué)成分 %

鋼帶和焊劑選擇：單層電渣堆焊的90 mm×0.5 mm鋼帶選擇21.11LNb，焊劑為EST122；單層高速電渣堆焊的75 mm×0.4 mm和90 mm×0.5 mm鋼帶選擇24.12LNb，焊劑為EST129。鋼帶化學(xué)成分如表2所示。

表2 鋼帶化學(xué)成分 %

2 焊接試驗條件及方法

采用90 mm×0.5 mm鋼帶單層電渣堆焊、75 mm×0.4 mm鋼帶單層高速電渣堆焊和90 mm×0.5 mm鋼帶單層高速電渣堆焊工藝各堆焊1個試件，試件分別編號S1～S3，焊接工藝規(guī)范如表3所示；堆焊前，清理待堆焊面至呈金屬光澤，并按NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》進行100%MT檢測合格。

模擬最終焊后熱處理(PWHT)工藝：S1模擬Max.PWHT(690±14) ℃×32 h，裝爐溫度≤400 ℃，升、降溫速度≤55 ℃/h，試件隨爐冷至400 ℃以下出爐空冷;S2/S3各模擬Min.PWHT(690±14) ℃ ×8 h和Max.PWHT(690±14) ℃×32 h，裝爐溫度≤400 ℃，升、降溫速度≤55 ℃/h，試件隨爐冷至400 ℃以下出爐空冷。

表3 試件S1～S3單層電渣焊接規(guī)范

按照技術(shù)條件，對S1～S3進行如下試驗：堆焊層的厚度測量；在堆焊層表面下2.5～3 mm處進行化學(xué)成分檢測，并按化學(xué)成分測算堆焊層鐵素體數(shù)FN；在焊態(tài)下，采用磁性法測量堆焊層表面鐵素體數(shù)FN；在Max.PWHT狀態(tài)下對S1～S3進行側(cè)彎試驗、硬度試驗、金相試驗、晶間腐蝕試驗，S2，S3氫剝離試驗；在Min.PWHT狀態(tài)下對S2，S3進行側(cè)彎試驗、硬度試驗。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 焊接工藝性

試件S2堆焊4條焊道，S1，S3均堆焊3條焊道，S1～S3焊縫成型較美觀，表面光滑，無氣孔、裂紋、夾渣等明顯缺陷產(chǎn)生。圖1為堆焊層焊道及道間溫度。

圖1 堆焊層焊道及道間溫度

3.2 堆焊層鐵素體檢測

焊態(tài)下，采用磁性法，按GB/T 1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測量方法》檢測S1～S3堆焊層表面鐵素體數(shù)FN，具體檢測結(jié)果如表4所示。

表4 堆焊層表面鐵素體數(shù)

從表4中可以看出，焊態(tài)下，試件S1～S3堆焊層表面鐵素體均滿足技術(shù)要求:FN值介于3～8之間。

3.3 無損檢測

焊態(tài)下，按NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》分別對試件S1～S3堆焊層表面進行100% PT檢驗，均合格；分別在焊態(tài)和PWHT狀態(tài)下，按NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》對試件S1～S3堆焊層與基層結(jié)合面進行100%UT檢驗，均合格。

3.4 堆焊層厚度及熔深檢測

采用UT測厚的方式檢測S1～S3堆焊層厚度，采用游標卡尺測量堆焊層縱向剖面的方式檢測S1～S3堆焊層厚度和熔深，其中縱向剖面檢測位置如圖2,3所示，測量結(jié)果見表5。

圖2 剖面位置示意

圖3 縱向剖面測厚示意

表5 堆焊層厚度、熔深檢測方式及檢測結(jié)果

由表5可看出，試件堆焊層厚度S1>S3>S2。這是因為堆焊層厚度主要取決于焊接電流和焊接速度：一般來說，焊接電流增加，堆焊層厚度增加；焊接速度增加，堆焊層厚度降低[3-5]。

焊接電流和焊接速度也是影響焊接熱輸入量的重要因素，根據(jù)熱輸入量的計算公式：Q=ηIU/v,可知：當(dāng)電壓一定時，電流增大，焊接速度降低，熱輸入量增加。

因此，電壓一定時，熱輸入量增加，堆焊層厚度增加。根據(jù)表3，試件S1～S3的焊接電壓相同，計算熱輸入量可知QS1>QS3>QS2，因此試件堆焊層厚度S1>S3>S2，與表5檢測數(shù)據(jù)吻合。

根據(jù)劉玉華等[4-6]的研究結(jié)果：焊接電流和焊接速度增加，均會導(dǎo)致堆焊層熔深增加。由表3可知：試件焊接電流IS3>IS2=IS1,試件焊接速度vS3>vS2>vS1，因此試件熔深S3>S2>S1，與表5檢測數(shù)據(jù)吻合。

3.5 堆焊層化學(xué)成分檢測

堆焊層化學(xué)成分檢測位置為堆焊層表面下2.5 mm，按GB/T 11170—2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》和GB/T 20124—2006《鋼鐵 氮含量的測定 惰性氣體熔融熱導(dǎo)法(常規(guī)方法)》檢測S1～S3堆焊層化學(xué)成分。按“WRC-1992(FN)圖”計算堆焊層鐵素體數(shù)FN[7]。

因焊接稀釋作用和焊接過程中的氧化燒損，堆焊層中合金元素的含量低于鋼帶中合金元素。其中，Ni元素是活性小的合金元素，堆焊過程中基本不參與氧化反應(yīng)，因此，可通過Ni元素的含量計算堆焊層的稀釋率[7-8]。稀釋率D根據(jù)下式計算：

CO=DCb+(1-D)Cd

式中CO——元素在堆焊層中的實際質(zhì)量百分含量，%；

D——稀釋率，%；

Cb——元素在母材中的質(zhì)量百分含量，%；

Cd——元素在非稀釋熔敷金屬中的質(zhì)量百分含量，%。

以Ni元素為標準計算時，Cd即為鋼帶中的質(zhì)量百分含量[8]。

化學(xué)成分、鐵素體數(shù)FN及稀釋率D檢測結(jié)果見表6。

表6 耐蝕層化學(xué)成分、鐵素體和稀釋率檢測結(jié)果

1)技術(shù)條件驗收標準；2)“8C%”表示C元素檢測值的8倍

由表2，6中數(shù)據(jù)可知，Cr，Ni元素在S3鋼帶中含量高于S1鋼帶中含量，但試件堆焊層中Cr，Ni元素相近，這是因為隨電流和焊接速度的增加，鋼帶中合金元素?zé)龘p增加，母材中化學(xué)成分熔入堆焊層量增加，導(dǎo)致堆焊層金屬稀釋率增大[6]；堆焊層表面下2.5 mm處，S2堆焊層的稀釋率最大，因此S2堆焊層中Cr，Ni元素明顯低于S1和S3。

由表4，6中數(shù)據(jù)可知，按“WRC-1992(FN)圖”計算堆焊層鐵素體數(shù)FN[7]和采用磁性法在堆焊層表面上測量鐵素體數(shù),FN值均介于3～8，滿足技術(shù)要求；對比S2和S3鐵素體數(shù)和稀釋率的結(jié)果說明，在鋼帶及母材中元素相同時，稀釋率越大，鐵素體數(shù)越低。

3.6 堆焊層力學(xué)性能檢測

在Max.PWHT狀態(tài)下，試件S1～S3分別垂直于焊道方向和平行于焊道方向截取大側(cè)彎(試樣厚度a=10 mm)和小側(cè)彎(試樣厚度a=3 mm)側(cè)彎試樣各2件，按GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》進行常溫彎曲180°試驗，試驗后試樣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缺陷；在Min.PWHT狀態(tài)下，試件S2，S3分別垂直于焊道方向和平行于焊道方向截取大側(cè)彎(試樣厚度a=10 mm)和小側(cè)彎(試樣厚度a=3 mm)側(cè)彎試樣各2件，按GB/T 2653—2008進行常溫彎曲180°試驗，試驗后試樣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缺陷。

在Max.PWHT狀態(tài)下，對試件S1～S3橫截面進行硬度HV10檢測，在Min.PWHT狀態(tài)下，對試件S2，S3橫截面進行硬度HV10 檢測，試驗方法按照GB/T 4340—2012《金屬材料 維氏硬度試驗》執(zhí)行，測量值應(yīng)HV10 ≤248。其檢測結(jié)果如表7所示。

表7 堆焊層橫截面硬度檢測結(jié)果

由表7可以看出，Max.PWHT狀態(tài)下，試件S1～S3橫截面硬度值HV10<248；Min.PWHT狀態(tài)下，試件S2，S3橫截面硬度值HV10<248，均滿足技術(shù)要求。

3.7 金相分析

在Max.PWHT狀態(tài)下，按照GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》對S1～S3堆焊層縱向截面進行宏觀金相檢測，檢測位置如圖2所示。檢測結(jié)果：試樣經(jīng)冷酸酸蝕法腐蝕后宏觀檢查，在10倍放大鏡下觀察，橫向受檢面未出現(xiàn)裂紋、孔穴、夾雜、未熔合、未焊透等焊接缺陷，宏觀金相圖如圖4所示。

在Max.PWHT狀態(tài)下，按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》對堆焊層金相組織進行分析。母材和熱影響區(qū)金相組織為貝氏體組織，試件S1～S3堆焊層金相組織均為奧氏體+少量鐵素體,未出現(xiàn)σ相或馬氏體組織，S2，S3比S1堆焊層奧氏體晶粒度更加細小，該金相組織有利于提高堆焊層的抗腐蝕能力[9]。檢測位置及金相組織如圖5所示。

(a)S1

(b)S2

(c)S3圖4 宏觀金相檢測

(a)金相觀察位置

(b)母材

(c)試件S1熱影響區(qū)

(d)試件S1堆焊層

(e)試件S2熱影響區(qū)

(g)試件S3熱影響區(qū)

(h)試件S3堆焊層圖5 檢測位置及母材和S1～S3金相組織

3.8 晶間腐蝕試驗

在Max.PWHT狀態(tài)下，將試件S1～S3堆焊層表面磨平，分別平行于焊道方向取出厚度3 mm 的試樣各2件，按照GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》中硫酸-硫酸銅法試驗進行晶間腐蝕試驗，結(jié)果表明，6件試樣經(jīng)硫酸-硫酸銅腐蝕后，彎曲180°，外表面均未出現(xiàn)晶間腐蝕產(chǎn)生的裂紋，均合格。

3.9 氫剝離試驗

將S2，S3分別制備抗氫剝離試樣各2件，試樣規(guī)格?73 mm×35 mm，按照ASTM G146-01—2007[10]進行氫剝離試驗，試驗條件：充氫壓力19 MPa，充氫純度99.89%，保溫溫度及時間：454 ℃×48 h，升溫速率50 ℃/h，第1次循環(huán)降溫速率200 ℃/h，第2次循環(huán)降溫速率300 ℃/h。

試驗結(jié)果：在試樣充氫前、第1次循環(huán)結(jié)束、第2次循環(huán)結(jié)束、第3次循環(huán)結(jié)束后48 h和7天后，分別按照ASTM G146-01—2007對堆焊層界面進行超聲波檢測，試樣均未發(fā)現(xiàn)剝離，合格。

4 結(jié)語

(1)按文中焊接工藝規(guī)范，90 mm×0.5 mm鋼帶單層電渣堆焊、75 mm×0.4 mm鋼帶單層高速電渣堆焊和90 mm×0.5 mm鋼帶單層高速電渣堆焊獲得堆焊層均滿足“大面積單層帶極堆焊加氫反應(yīng)器研制”項目的技術(shù)要求。

(2)通過試驗表明，75 mm×0.4 mm鋼帶單層高速電渣堆焊和90 mm×0.5 mm鋼帶單層高速電渣堆焊技術(shù)可用于加氫反應(yīng)器筒體內(nèi)壁不銹鋼層堆焊。

(3)采用單層高速電渣堆焊技術(shù)進行內(nèi)壁堆焊時，應(yīng)嚴格執(zhí)行焊接工藝規(guī)范，控制焊接電流及焊接速度，避免堆焊層中化學(xué)元素、鐵素體、晶間腐蝕等檢測指標達不到技術(shù)要求。