2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應(yīng)器制造特點

白崇暉, 白崇陽，張正棠

（1. 中國石化銷售股份有限公司甘肅石油分公司，甘肅 蘭州 730030；2. 甘肅省城鄉(xiāng)發(fā)展投資集團有限公司，甘肅 蘭州 730000；3. 甘肅省特種設(shè)備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730050）

目前，隨著市場需求的擴大和石油化工生產(chǎn)技術(shù)的提高，對加氫反應(yīng)器的要求也越來越高。加氫反應(yīng)器按照結(jié)構(gòu)分為鍛焊和板焊結(jié)構(gòu)，主體材料為高強度、高韌性、具有優(yōu)良抗氫能力的CrMoV 低合金高強度鋼[1]。近年來在CrMo 鋼中添加V 元素進行鋼種的改進，改良后的鋼具有更高的強度、韌性和抗氫能力[2-3]。經(jīng)過多方研究和改良之后的2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼鍛件更是具有很多優(yōu)良特性，其鍛件的焊接接頭在焊態(tài)下的硬度可達(dá)HV400，這一數(shù)值是生產(chǎn)大型壓力容器輕量化的保證，通過實驗發(fā)現(xiàn)2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼的沖擊吸收能量極低[4-5]，所以用此材料生產(chǎn)加氫反應(yīng)器一般都是壁厚很厚的重型容器，焊后不可避免地會出現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力，所以必須進行焊后熱處理來消除殘余應(yīng)力[6-9]。

文章以2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼鍛焊精制反應(yīng)器為例，從各方面來介紹它的制造特點。

1 2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼反應(yīng)器介紹

1.1 設(shè)備規(guī)格介紹

設(shè)備立式安裝總高為29 068 mm，規(guī)格：Φ 3 213 mm×18 783 mm×(150+6.5) mm(筒體)/（114+6.5）mm（封頭），體積為169 m3，金屬質(zhì)量為325 393 kg。該設(shè)備的運行條件要滿足高壓、高溫條件，其設(shè)計壓力、工作壓力都比較高分別為17.5、15.85 MPa，其服役溫度也很高，設(shè)計溫度、工作溫度分別為420、390 ℃。

2 材料的焊接性能

2.1 化學(xué)成分分析

2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼鍛件的化學(xué)成分（爐煉分析）如表1，并與ASME SA-336、SA-182 標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)數(shù)值作對比。

表1 2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼鍛件的化學(xué)成分 %

回火脆化敏感性系數(shù)計算如下：

X系數(shù)=（10P+5Sb+4Sn+As）×10-2≤12×10-6

式中各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)都以×10-6進行計算。J系數(shù)=（Si+Mn）（P+Sn）×104≤100（目標(biāo)值≤80）式中所有元素都以百分?jǐn)?shù)計算。

從表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛件的化學(xué)成分符合ASME SA-336、SA-182 標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)數(shù)值。

3 2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼焊接特點

2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼與其他鋼材的區(qū)別就在于加入了Cr、Mo 合金元素，提高了本身的強度，但同時也增加了鋼本身的脆性，在焊接過程中反復(fù)加熱，一旦預(yù)熱、加熱溫度控制不好就會沿焊縫形成冷、熱裂紋。

2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼中除了Cr、Mo、V、Sb、P、S、Si 等元素外還有雜質(zhì)元素，這些元素中有一部分極易形成碳化物產(chǎn)生再熱裂紋，由于熱應(yīng)力的存在還有可能導(dǎo)致其他方向上的裂紋。一些元素在加熱過程中就會向奧氏體晶界偏析，降低強度。一般來說，焊接接頭的溫度在235～600 ℃范圍內(nèi)長時間加熱會產(chǎn)生回火脆性。

焊接材料的選用主要是根據(jù)基層和堆焊層材料的性能來選擇，在焊接之前要嚴(yán)格進行評定選擇合適的焊接方法，本設(shè)備的焊接方法主要采用埋弧焊和手工自動焊。

首先，為了使材料融合性好，基層焊材采用與2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼焊接性能相匹配的焊材。為了提高材料的抗氫蝕能力，手工電弧焊采用低氫型耐熱鋼焊條，這樣焊后強度與母材匹配。埋弧自動焊采用帶氟堿型焊劑，二氧化硅含量極少，可以減少硅的滲入，提高焊縫金屬韌性，降低回火脆性。

4 2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼反應(yīng)器焊接過程

4.1 接管法蘭與殼體對接接頭焊接

該部位焊接方式嚴(yán)格按照焊接工藝執(zhí)行，電源直流反接，焊接電流、焊接電壓、焊接速度控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。焊材過渡層采用E309L、表層焊材采用E347L，電源直流反接，焊接電流、焊接電壓、焊接速度控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。外部采用手工電弧焊，焊材選用CM-A106HD，焊條直徑為Φ5.0 mm，電源直流反接，焊接電流、焊接電壓、焊接速度控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。埋弧焊，焊材、焊條焊接之前都應(yīng)進行嚴(yán)格的評定，電源直流反接，焊接電流、焊接電壓、焊接速度控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。殼體壁厚較厚在接管與殼體焊接時首先進行預(yù)熱，基層預(yù)熱溫度在180 ℃以上，過渡層≥150 ℃，表層≥15 ℃，并且預(yù)熱的范圍在坡口兩邊寬度≥150 mm 處，焊后做好后熱處理及探傷。

4.2 環(huán)向焊縫焊接

筒體與封頭及過渡段間的焊縫都是環(huán)縫，焊接工作量大，故在該部位內(nèi)部基層采用埋弧焊，電源采用交流電，焊接電流、焊接電壓、焊接速度控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。其中過渡層焊材采用E309L、表層焊材采用E347L，電源直流反接，焊接電流、焊接電壓、焊接速度控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。外部采用埋弧焊，電源采用交流電，焊接電流、焊接電壓、焊接速度控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。殼體、封頭、過渡段在焊接時首先進行預(yù)熱，基層預(yù)熱溫度大于180 ℃，過渡層大于150 ℃，表層大于15 ℃，并且預(yù)熱的范圍在坡口兩邊寬度≥150 mm 處，并不小于母材的厚度，預(yù)熱要均勻。焊后做好后熱處理及無損檢測。

4.3 凸臺堆焊

凸臺堆焊基本上是用焊劑一層一層往上堆，達(dá)到堆焊層的高度要求。凸臺堆焊工作量是整臺設(shè)備焊接中工作量最大的一步，基本使用埋弧焊進行堆焊，埋弧焊電源采用交流電，焊接電流、焊接電壓、焊接速度控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。為了保證凸臺堆焊層與基體融合性好，在堆焊之前進行預(yù)熱，控制預(yù)熱溫度為≥180 ℃，并且預(yù)熱要均勻，在焊接過程中一直處在加熱狀態(tài)，焊接過程嚴(yán)格控制層間溫度，凸臺堆焊至1/2 堆焊層時，進行中間消氫退火處理及MT 檢測。

5 2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼焊接質(zhì)量控制

5.1 焊前準(zhǔn)備及檢查

5.1.1 焊前焊接材料和人員檢查

焊接操作之前應(yīng)對本設(shè)備焊接人員資格進行檢查，要求焊工資格在有效期內(nèi)，并且具備一定的實際操作水平和經(jīng)驗，對所使用的焊材牌號及規(guī)格與焊接工藝相匹配，Cr-Mo 鋼焊條采用的是低氫堿性焊材，使用之前必須按照工藝規(guī)定將焊材進行烘干和預(yù)熱。

在焊接之前根據(jù)不同的坡口設(shè)計來選擇焊接方法及不同材質(zhì)選擇焊材牌號，經(jīng)過數(shù)控等離子切割設(shè)備切割過的坡口必須在焊接之前采用冷加工的方法將坡口表面的過熱層和氧化層去除干凈。

5.1.2 坡口檢查

坡口在機加工完成后要進行除銹、除油，坡口表面進行無損檢測，對兩側(cè)邊緣進行清理，直至露出金屬光澤。

檢查坡口尺寸與對口錯邊量滿足工藝要求，由于該設(shè)備運行壓力較大，壁厚較厚，每次焊接之前須經(jīng)預(yù)熱，預(yù)熱范圍盡可能在坡口兩側(cè)各150 mm，且不小于母材厚度。

對坡口基層、過渡層、表層每焊完一層后進行相應(yīng)的檢測，檢測合格后方可進入下一步焊接工作。

5.2 焊接過程中檢查

設(shè)備所有的焊接接頭都要進行預(yù)熱處理，根據(jù)不同部位和坡口型式采用焊接工藝評定的預(yù)熱溫度。根據(jù)焊接評定試驗結(jié)果及生產(chǎn)實際情況，嚴(yán)格控制基層、過渡層、表層的預(yù)熱及焊接溫度。焊接過程中層間溫度，基層（180～250）℃、過渡層（180～250）℃、表層（15～100）℃。后熱消氫溫度及時間：基層（300～350）℃×2 h、過渡層（250～300）℃×1 h。在焊接及預(yù)熱是采用我單位技術(shù)人員發(fā)明的環(huán)形預(yù)熱工裝，對坡口進行均勻加熱，如圖1 預(yù)熱及加熱工裝。

圖1 筒體環(huán)縫預(yù)熱工裝

5.3 焊后檢查

2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼加氫反應(yīng)器焊后焊接接頭表面質(zhì)量應(yīng)符合下列要求：

焊接接頭不得有影響焊接質(zhì)量的缺陷，且焊接結(jié)束后存留在焊縫周圍的熔渣和飛濺須徹底清除，且復(fù)層焊縫不得有咬邊。

復(fù)層焊縫應(yīng)與母材保持平齊，嚴(yán)格控制焊縫表面余高，基層焊縫與母材應(yīng)圓滑過渡。

5.4 不合格焊縫返修要求

對于焊后不符合要求的焊縫應(yīng)進行返修或者重焊。

經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)焊縫表面有缺陷，如缺陷在表面，可用砂輪機打磨掉。打磨部位應(yīng)與周圍圓滑過渡，并在打磨部位進行PT/MT 檢測。

對于檢測不合格焊縫，應(yīng)采用清根處理，鏟除內(nèi)部缺陷，重新補焊，再補焊之前在缺陷部位進行MT/PT 檢測。

對所有的補焊工藝都要做詳細(xì)的記錄，并且補焊應(yīng)采用經(jīng)過評定合格的焊接工藝。

6 結(jié)論

2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼壓力容器筒體壁厚一般都比較厚，在鋼材中加入的Cr、Mo、V 元素雖然可以提高鋼材硬度，但空淬傾向較大，焊接過程中易產(chǎn)生裂紋，所以預(yù)防焊接過程中焊接裂紋的出現(xiàn)將是今后考慮的一個主要問題。

影響2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼加氫反應(yīng)器焊接的因素很多，必須對焊接工藝進行優(yōu)化。

焊接工藝規(guī)范及熱處理工藝規(guī)范對提高焊接接頭的綜合性能非常關(guān)鍵。