加釩Cr-Mo臨氫鋼復(fù)合板的爆炸焊接實(shí)驗(yàn)研究

馮 健，劉富國，侯國亭

1.舞鋼神州重工金屬復(fù)合材料有限公司，河南 平頂山 462500

2.洛陽雙瑞金屬復(fù)合材料有限公司，河南 洛陽 471800

近年來，重質(zhì)油裂化和媒化工等新工藝不斷涌現(xiàn)，要求加氫設(shè)備材料能夠耐受高溫高壓等苛刻條件下的臨氫環(huán)境。因此，國外技術(shù)人員早在20世紀(jì)80年代就研發(fā)了具有更高強(qiáng)度，且滿足高溫、高壓等苛刻條件下的臨氫環(huán)境中使用的新材料，如加釩Cr-Mo臨氫鋼2.25Cr-1Mo-0.25V[1]。我國技術(shù)人員在研發(fā)加釩Cr-Mo臨氫鋼的過程中也取得了一定的成果，梅麗華等[2]取得了2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應(yīng)器的研制成果，宋昆晟等[3]總結(jié)了2.25Cr-1Mo-0.25V鋼產(chǎn)生焊縫回火脆化的原因和預(yù)防措施；馬喜龍等[4-5]分別探討了熱處理工藝對(duì)2.25Cr-1Mo-0.25V加釩Cr-Mo臨氫鋼低溫韌性和相變溫度的影響，取得了積極的成果，并成功運(yùn)用到生產(chǎn)實(shí)踐中。但是，到目前為止，我國對(duì)加釩Cr-Mo臨氫鋼復(fù)合板的研發(fā)還處于空白階段,尚未發(fā)現(xiàn)任何關(guān)于釩Cr-Mo臨氫鋼復(fù)合板的研究成果或文獻(xiàn)。我國大型加氫設(shè)備所使用的加釩Cr-Mo臨氫鋼復(fù)合板主要依賴進(jìn)口或使用堆焊工藝生產(chǎn)，極大增加了設(shè)備制造成本和制造工期。因此開發(fā)研究高效、快捷的爆炸焊接加釩Cr-Mo臨氫鋼復(fù)合板生產(chǎn)工藝技術(shù)，積極促進(jìn)了我國加釩Cr-Mo臨氫鋼復(fù)合板的國產(chǎn)化，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。文章實(shí)驗(yàn)研究的側(cè)重點(diǎn)為加釩Cr-Mo臨氫鋼復(fù)合板的爆炸焊接工藝技術(shù)，對(duì)于這種材料的進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)如臨氫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的可靠性，氫致剝離實(shí)驗(yàn)，高溫持久及蠕變?cè)囼?yàn)，回火脆化傾向性評(píng)定實(shí)驗(yàn)等基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，還有待相關(guān)領(lǐng)域科研人員繼續(xù)深入研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料及過程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)基板選用國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的2.25Cr-1Mo-0.25V鋼板，規(guī)格尺寸為100mm×1000mm×1800mm；實(shí)驗(yàn)復(fù)板選用太鋼生產(chǎn)的S32168，規(guī)格尺寸為3mm×1040mm×1840mm。兩種金屬材料的物理化學(xué)性能如表1～表4所示。

表1 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）單位：%

表2 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼板的室溫力學(xué)性能

表3 S32168鋼板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 單位：%

表4 S32168鋼板的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)過程

（1）爆炸焊接。目前國內(nèi)外爆炸焊接工藝都是采用平行式爆炸焊接裝置，即基板和復(fù)板均平行放置在爆炸基礎(chǔ)上，炸藥經(jīng)雷管引爆后，爆轟波以炸藥爆炸速度Vd向四周傳播，復(fù)板在爆轟波作用下以速度Vp碰撞基板，從而達(dá)到基復(fù)板焊接的目的[6]。為爆炸焊接平行安裝法與參數(shù)關(guān)系分解示意如圖1所示，一般假設(shè)爆炸焊接的碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度Vc與炸藥的爆炸速度Vd相等，這樣炸藥爆轟波驅(qū)動(dòng)復(fù)板沖擊基板的速度Vp可用式（1）表示[7]：

圖1 爆炸焊接平行安裝法與參數(shù)關(guān)系分解示意

式中：Vp為復(fù)板沖擊基板的下落速度，m/s；Vd為炸藥爆炸速度，m/s；β為復(fù)板動(dòng)態(tài)彎折角，一般為2°～25°。

式（1）中的三個(gè)參數(shù)Vp、Vd、β呈線性函數(shù)關(guān)系，除了炸藥爆速可以根據(jù)要求預(yù)先調(diào)配，其他兩個(gè)參數(shù)Vp和β都和兩板之間的間距、裝藥厚度有關(guān)。在爆炸焊接生產(chǎn)過程中，其工藝參數(shù)一般通過經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。單位面積裝藥量和裝藥厚度的經(jīng)驗(yàn)公式如下[8]：

式中：Wg為單位面積裝藥量，g/cm2；Kg為裝藥系數(shù)，取值1.5；δ0、δ1分別為裝藥厚度和復(fù)板厚度，cm；ρ0、ρ1分別為炸藥密度和復(fù)板密度，g/cm3。

計(jì)算兩板之間的間距經(jīng)驗(yàn)公式如下：

在已知復(fù)板密度ρ1=7.93g/cm3、厚度δ1=3mm，預(yù)先配置的炸藥爆速Vd=2300m/s、密度ρ0=0.65的情況下，可以計(jì)算出爆炸焊接理論裝藥厚度δ0=3.55cm，兩板間距參數(shù)h=0.77cm。關(guān)于板間距h、炸藥爆速Vd和復(fù)板動(dòng)態(tài)彎折角β之間的關(guān)系，戴九洲[9]整理得出了它們之間的關(guān)系式如下：

根據(jù)式（5）和式（1），可以計(jì)算出爆炸焊接的兩個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)：Vp=670.74m/s；β=16.77°。

從理論計(jì)算結(jié)果中可以看出，復(fù)板動(dòng)態(tài)彎折角為16.77°，符合理論上動(dòng)態(tài)彎折角為2°～25°的要求；復(fù)板沖擊基板的下落速度為670.74m/s，也符合汪旭光[10]所提出的復(fù)板沖擊基板的最小速度應(yīng)大于304m/s的要求，因此經(jīng)修訂后爆炸焊接實(shí)驗(yàn)采用的爆炸焊接參數(shù)如下：Vd=2300m/s；δ0=35mm；h=7mm；Vp=638m/s；β=16°。

采用修訂后的參數(shù)對(duì)選材的復(fù)合板進(jìn)行爆炸焊接，爆炸焊接前后的金屬復(fù)合板S32168/2.25Cr-1Mo-0.25V如圖2、圖3所示，爆炸焊接后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)UT超聲無損檢測(cè)，除了起爆點(diǎn)有Φ20mm區(qū)域未復(fù)合，其余部分全部實(shí)現(xiàn)冶金復(fù)合。

圖2 爆炸焊接前的S32168/2.25Cr-1Mo-0.25V金屬復(fù)合板

圖3 爆炸焊接后的S32168/2.25Cr-1Mo-0.25V金屬復(fù)合板

（2）熱處理。爆炸焊接金屬復(fù)合板由于存在爆炸焊接應(yīng)力，需要進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。因?yàn)楸ê附拥牟牧鲜怯蓛煞N不同物理化學(xué)性質(zhì)的板材組合而成，所以在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和壓力容器設(shè)備設(shè)計(jì)中，要求這種新型復(fù)合板材在熱處理后既要保證基層材料的力學(xué)性能，又要保證復(fù)層材料的耐腐蝕性能，即要兼具兩種板材的原有熱處理狀態(tài)，《壓力容器用復(fù)合板第1部分:不銹鋼-鋼復(fù)合板》（NB/T 47002.1-2019）[11]中對(duì)此就給出了明確說明。文章用于爆炸焊接實(shí)驗(yàn)所使用的板材為2.25Cr-1Mo-0.25V容器板和S32168不銹鋼板，根據(jù)《鍋爐和壓力容器用鋼板》（GB 713—2014）和《壓力容器》（GB 150.1～150.4—2011）[12-13]規(guī)定，2.25Cr-1Mo-0.25V容器板交貨狀態(tài)為正火加回火；復(fù)層不銹鋼板S32168的交貨狀態(tài)為固溶。兩種板材經(jīng)爆炸焊接后，組合成了一種新型的層狀復(fù)合板材，但很難對(duì)這種新型復(fù)合板材進(jìn)行熱處理，多年來相關(guān)領(lǐng)域科研人員一直試圖尋找一種合適的熱處理工藝，可是由于兩種板材的熱處理狀態(tài)差別很大，遵循一種板材的熱處理狀態(tài)，則會(huì)破壞另一種板材的原始熱處理狀態(tài)。對(duì)于爆炸焊接復(fù)合板材的熱處理，相關(guān)設(shè)計(jì)單位在技術(shù)要求條款中一般要求熱處理后需要保證兩種組合板材之前的交貨狀態(tài)，從理論上講，這樣的要求是矛盾的，也是不可能實(shí)現(xiàn)的。為了解決爆炸焊接復(fù)合板材熱處理工藝的混亂和模糊狀態(tài)，應(yīng)用《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》（GB/T 30583—2014）[14]的熱處理標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)定復(fù)合板消除應(yīng)力熱處理工藝和設(shè)備參考此標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，并且注明采用低于基材回火溫度所進(jìn)行的復(fù)合板消除應(yīng)力熱處理，應(yīng)視為不會(huì)改變基材的原有熱處理狀態(tài)。這樣就統(tǒng)一了對(duì)復(fù)合板熱處理的認(rèn)識(shí)，消除了檢查、監(jiān)管等部門對(duì)復(fù)合板熱處理后是否已經(jīng)改變?cè)M合板材熱處理狀態(tài)的誤解或爭(zhēng)議。綜上所述，該實(shí)驗(yàn)采用《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》（GB/T 30583—2014）給出的熱處理規(guī)范參數(shù)，熱處理保溫溫度為650℃；保溫時(shí)間為4.12h，溫度從80℃升至120℃。熱處理曲線如圖4所示。

圖4 熱處理曲線

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)消除應(yīng)力熱處理后的S32168/2.25Cr-1Mo-0.25V金屬復(fù)合板進(jìn)行取樣，分別進(jìn)行晶間腐蝕（E法）和力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，復(fù)層晶間腐蝕符合標(biāo)準(zhǔn)要求，力學(xué)性能參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求且性能優(yōu)良。力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表5所示。晶間腐蝕和力學(xué)性能試樣分別如圖5、圖6所示。

表5 S32168/2.25Cr-1Mo-0.25V金屬復(fù)合板的力學(xué)性能

圖5 晶間腐蝕（E法）彎曲試樣

圖6 力學(xué)性能檢測(cè)試樣

3 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)證明，通過簡(jiǎn)潔明了的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)爆炸焊接參數(shù)進(jìn)行估算，然后再驗(yàn)證優(yōu)化，是設(shè)計(jì)爆炸焊接參數(shù)的一個(gè)有效途徑。文章利用該方法計(jì)算的爆炸焊接技術(shù)參數(shù)，經(jīng)優(yōu)化后成功運(yùn)用于爆炸焊接S32168/2.25Cr-1Mo-0.25V金屬復(fù)合板生產(chǎn)工藝中，經(jīng)UT檢測(cè)表明，該金屬復(fù)合板產(chǎn)品的結(jié)合狀態(tài)和結(jié)合率達(dá)到或超過了相關(guān)行業(yè)或國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）經(jīng)消應(yīng)力熱處理后的S32168/2.25Cr-1Mo-0.25V金屬復(fù)合板，其理化性能指標(biāo)完全滿足《壓力容器用復(fù)合板第1部分：不銹鋼-鋼復(fù)合板》（NB/T 47002.1—2019）中對(duì)壓力容器用金屬復(fù)合板的技術(shù)要求，因此該實(shí)驗(yàn)制訂的熱處理工藝也是正確而有效的。

（3）該爆炸焊接參數(shù)計(jì)算方法和消除應(yīng)力熱處理生產(chǎn)工藝可以推廣應(yīng)用到其他鋼種如S31603、S30403；1Cr-0.5Mo；1Cr-0.5Mo-V等復(fù)合板的爆炸焊接生產(chǎn)實(shí)踐中。