氣化爐SA387Gr11Cl2與316L異種鋼的焊接工藝研究

王志剛

(中石化 南京化工機(jī)械有限公司，南京 210048)

0 引言

某公司產(chǎn)業(yè)升級項(xiàng)目有3臺氣化爐設(shè)備，氣化爐爐體由燃燒室、頂部預(yù)熱燒嘴口、側(cè)壁對稱布置4個工藝燒嘴口、托磚盤、洗滌冷卻室及內(nèi)件、下錐體等組成，設(shè)備總長25.55 m，空質(zhì)量360 t，氣化室工作溫度1 300 ℃，材料SA387Gr11Cl2，壁厚115 mm,洗滌冷卻室溫度251 ℃，筒體材料SA387Gr11Cl2+堆焊S31603，壁厚(115+6) mm。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 氣化爐結(jié)構(gòu)示意

其中就地液位計(jì)口接管(a～d)公稱尺寸僅有2英寸(約50 mm)，超出了小管內(nèi)壁堆焊機(jī)堆焊范圍而無法進(jìn)行內(nèi)壁堆焊，只能采用316L不銹鋼鍛管，而此類接管與洗滌冷卻室殼體焊接時，屬于耐熱鋼與奧氏體不銹鋼焊接，這兩類材料物理性能相差甚遠(yuǎn)，焊接難度非常大，因此，就地液位計(jì)口接管與洗滌冷卻室殼體的焊接是氣化爐設(shè)備焊接的主要難點(diǎn)之一。研究 SA387Gr11Cl2與316L異種鋼焊接工藝對確保氣化爐設(shè)備安全運(yùn)行意義十分重大。

1 材料焊接性分析

SA387Gr11Cl2鋼是Cr-Mo鋼，屬于珠光體耐熱鋼，具有很高的熱強(qiáng)性和抗氫能力，回火脆性也較低[1]。SA387Gr11Cl2鋼Cr,Mo含量較高，焊接接頭有明顯的淬硬傾向，特別是厚壁容器，設(shè)備的拘束應(yīng)力較大，在快速冷卻的情況下，易產(chǎn)生氫致裂紋[2]。

316L奧氏體不銹鋼材料導(dǎo)熱系數(shù)較小，熱膨脹系數(shù)較大，焊接后容易發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生焊接應(yīng)力[3-5]。同時，316L不銹鋼焊接時可能會出現(xiàn)凝固裂紋和液化裂紋，這取決于母材和填充金屬成分及雜質(zhì)含量，特別是S,P含量[6]。

SA387Gr11Cl2耐熱鋼與316L奧氏體不銹鋼在化學(xué)成分、組織狀態(tài)、物理性能等方面存在很大差異，這兩類鋼焊接時，在SA387Gr11Cl2側(cè)熔合區(qū)易形成脫碳過渡層，316L奧氏體側(cè)熔合區(qū)易形成增碳過渡層；又由于SA387Gr11Cl2耐熱鋼與316L奧氏體不銹鋼在組織性能、導(dǎo)熱性和線膨脹性等方面也存在很大差異，會導(dǎo)致焊接接頭存在較大的焊接應(yīng)力，他們都對焊接質(zhì)量有重大影響，因此選擇合適的焊接工藝和焊接材料成為保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

2 焊接工藝試驗(yàn)

2.1 試板選用

試驗(yàn)分為兩組，考慮到設(shè)備和接管均較厚，為了使焊接接頭具有代表性，選用厚度為60 mm的SA387Gr11Cl2鋼與316L鋼作為試驗(yàn)用板，兩種母材化學(xué)成分分析實(shí)測值和ASME BPVC.Ⅱ.A—2019中要求的標(biāo)準(zhǔn)值如表1所示。

表1 試板材料化學(xué)成分

2.2 坡口制作

焊接坡口采用機(jī)械冷加工成型，坡口形式如圖2所示。

圖2 試板焊接坡口結(jié)構(gòu)示意

2.3 焊接方法選用

焊接方法采用熔合比小、稀釋率低的手工電弧焊，焊接過程中，采用小電流、快速焊，以限制線能量，控制熔合比。

2.4 焊材選用

焊縫金屬在焊接過程中處于一種攪拌過程，由于SA387Gr11Cl2與316L在化學(xué)成分上差異較大，在SA387Gr11Cl2側(cè)熔合區(qū)會形成硬度較高的低塑性過渡帶，尤其在熔合區(qū)邊緣部位，由于攪拌作用不充分，母材稀釋作用更為明顯，Cr,Ni含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于焊縫值。因此，在選材時應(yīng)盡量選用奧氏體化能力更強(qiáng)的焊材，如提高Ni元素含量,同時Ni元素可以抑制C的遷移，防止焊縫析出碳化物。另外，由于SA387Gr11Cl2與316L兩種材質(zhì)的鋼材線膨脹系數(shù)不同，并且316L不銹鋼的導(dǎo)熱性能差，焊縫冷卻過程中，收縮量的差異會在異種鋼界面形成殘余應(yīng)力，而這部分殘余應(yīng)力通過熱處理等方法是無法消除的[7-10]。因此，在選用焊材時，應(yīng)盡量選擇膨脹系數(shù)更接近SA387Gr11Cl2且塑性更好的材料作為填充金屬，這樣，可以使該部分殘余應(yīng)力集中于焊縫與316L母材一側(cè)，而316L又具備較好的塑性變形能力，能夠承受較大的應(yīng)變。

綜上原因，選擇常規(guī)異種鋼過渡焊材E309LMo-16和含Ni量更高的E310Mo-15兩種焊材進(jìn)行試驗(yàn)，規(guī)格均為?3.2 mm,?4.0 mm，分別對應(yīng)試樣編號為試樣1、試樣2。ASME BPVC.Ⅱ.C—2019 SFA-5.4要求E310Mo-15中C含量不大于0.12%，Mn的含量為1.00%～2.50%(見表2)，為了提高耐腐蝕性及控制碳遷移現(xiàn)象，此次試驗(yàn)，對E310Mo-15焊材化學(xué)成分進(jìn)行改良，要求焊材廠家對標(biāo)E309LMo-16,降低E310Mo-15中C含量至不大于0.04%，實(shí)際值為0.031%，由于C含量降低，為了保證焊縫強(qiáng)度滿足要求，同時考慮E310Mo-15焊條為全奧氏體材料，防止焊接過程中出現(xiàn)熱裂紋，要求提高M(jìn)n含量至3.0%～5.0%，實(shí)際值為4.9%，具體焊材化學(xué)成分如表2所示。

表2 焊接材料化學(xué)成分

2.5 焊接過程

(1)焊前清理坡口及周邊100 mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹等有害雜質(zhì)。

(2)對SA387Gr11Cl2側(cè)母材坡口表面按照NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》進(jìn)行100%磁粉檢測，達(dá)到Ⅰ級合格。

(3)坡口表面檢查合格后，焊前對SA387Gr11Cl2側(cè)母材坡口及周邊150 mm范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度不低于100 ℃，焊接時道間溫度控制在150 ℃以下，控制道間溫度主要考慮316L側(cè)，防止熱影響區(qū)晶粒長大及碳化物析出。

(4)采用?3.2 mm焊條在U型坡口側(cè)進(jìn)行打底焊接，然后采用?4.0 mm焊條將U型坡口側(cè)焊滿，反面V型坡口側(cè)采用碳弧氣刨進(jìn)行清根，并采用砂輪機(jī)進(jìn)行打磨，然后用?4.0 mm焊條焊滿，具體工藝參數(shù)如表3所示。

表3 焊接工藝參數(shù)

(5)焊后根據(jù)產(chǎn)品要求進(jìn)行(690±14) ℃/6 h熱處理，按照GB/T 30583—2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》4.4.9條要求，試板進(jìn)爐時，爐內(nèi)溫度不得高于400 ℃，當(dāng)溫度大于400 ℃后升溫速率控制在80 ℃/h，保溫6 h后降溫，溫度降至400 ℃前，降溫速率為100 ℃/h，低于400 ℃后，試板出爐空冷。

3 試驗(yàn)及結(jié)果

3.1 試樣制備

根據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》和NB/T 47016—2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)》，采用MM7120A緊密磨床和型號為GB4250金屬帶鋸床制備標(biāo)準(zhǔn)的微觀晶相試樣和力學(xué)性能試驗(yàn)試樣。

3.2 顯微組織

兩組焊接接頭試樣經(jīng)過打磨、拋光后，采用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液侵蝕。使用Vert.A1蔡司光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察[11]。由圖3(a)可以看出，SA387Gr11Cl2鋼板母材的顯微組織為珠光體和少量鐵素體，為典型的珠光體耐熱鋼組織。圖3(b)為試樣1的SA387Gr11Cl2鋼板側(cè)熱影響區(qū)和熔合線形貌，圖3(c)為試樣2的SA387Gr11Cl2鋼板側(cè)熱影響區(qū)和熔合線形貌；對比可見，兩組試樣的熱影響區(qū)組織均為珠光體和少量鐵素體，熔合線處均有碳遷移現(xiàn)象，形成擴(kuò)散層，但試樣1的鐵素體組織含量比試樣2多，且碳遷移現(xiàn)象較試樣2明顯。圖3(d)為試樣1焊縫的顯微組織，圖3(e)為試樣2焊縫的顯微組織，對比可見，試樣1的焊縫組織為奧氏體、鐵素體，晶間有明顯的碳化物析出，試樣2的焊縫組織為均勻的柱狀奧氏體組織。

(a)SA387Gr11Cl2母材顯微組織 (b)試樣1母材側(cè)熱影響區(qū)及熔合線 (c)試樣2母材側(cè)熱影響區(qū)及熔合線

3.3 硬度試驗(yàn)

使用型號為W1052841的維氏硬度計(jì)分別在距表面1.5 mm和T/2處進(jìn)行硬度測試，測量位置如圖4所示，其中A為母材，B為熱影響區(qū)，C為焊縫金屬，兩組試樣測量結(jié)果如表4所示。

圖4 硬度試驗(yàn)測點(diǎn)位置示意

由表4可以看出，SA387Gr11Cl2鋼板母材的硬度均值為187.5HV，316L鋼板母材的硬度均值為137HV，試樣1的316L側(cè)熱影響區(qū)硬度均值為174HV，焊縫硬度均值為222HV，SA387Gr11Cl2側(cè)熱影響區(qū)硬度均值為202HV，試樣2的316L側(cè)熱影響區(qū)硬度均值為143HV，焊縫硬度均值為178HV，SA387Gr11Cl2側(cè)熱影響區(qū)硬度均值為189HV。

表4 硬度(HV10)檢測結(jié)果

試樣1由于出現(xiàn)了明顯的碳遷移現(xiàn)象，兩側(cè)熱影響區(qū)硬度較對應(yīng)側(cè)母材出現(xiàn)了明顯提升，而焊縫處由于碳化物析出或是固溶碳，硬度達(dá)到最大值。試樣2采用E310Mo-15焊接，其Ni含量更高，而Ni元素為奧氏體形成元素，同時其石墨化作用能對碳遷移及碳化物形成起到一定的阻礙作用，結(jié)合微觀金相組織，試樣1的焊縫組織為奧氏體加鐵素體，試樣2焊縫組織為全奧氏體，所以試樣2的焊縫硬度整體比試樣1焊縫硬度偏低。兩件試樣硬度均值曲線如圖5所示。

(a)距表面1.5 mm處

3.4 彎曲試驗(yàn)

兩組試樣分別進(jìn)行4組側(cè)彎、2組面彎、2組背彎試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得知，采用E309LMo-16焊接的試樣1出現(xiàn)了側(cè)彎與面彎斷裂，無法滿足彎曲要求，而采用E310Mo-15焊接的試樣2未出現(xiàn)斷裂，焊縫具備更優(yōu)異的塑性，滿足彎曲要求。觀察試樣1的斷裂圖片，4件側(cè)彎試樣均在靠近側(cè)焊縫斷裂。母材成分上，SA387Gr11Cl2的C含量明顯高于316L，這使得前者強(qiáng)度優(yōu)于后者，而塑性和韌性則不如后者；同時，通過微觀金相可以看到，試樣1中由SA387Gr11Cl2側(cè)向316L側(cè)進(jìn)行的C遷移現(xiàn)象比試樣2更明顯，這就導(dǎo)致了試樣1中出現(xiàn)了大量的碳化物，這大大降低了焊縫組織的塑性，從而導(dǎo)致試樣1中6件彎曲均出現(xiàn)了斷裂，見圖6。而在試樣2中，由于采用了含Ni量更高的E310Mo-15焊條，在焊縫中Ni元素對C的遷移起到了一定的阻礙作用，同時也細(xì)化了焊縫金屬晶粒，使焊縫具備更優(yōu)異的塑性。

圖6 試樣1彎曲試樣

3.5 沖擊試驗(yàn)

按標(biāo)準(zhǔn)尺寸，試樣1與試樣2分別制備3組10 mm×10 mm×55 mm沖擊試樣，并使用WAW-500C萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)所測數(shù)據(jù)，試樣2的沖擊吸收能量均值為115 J，比試樣1均值(304 J)低62.17%，即試樣1焊縫的沖擊韌性明顯優(yōu)于試樣2。有研究表明[12]，Ni對轉(zhuǎn)變溫度的影響，在低Mn時有益，但在高M(jìn)n時是有害的，焊縫沖擊韌性的峰值會隨著含Ni量的增加逐漸向低含Mn量的方向移動。因此，一般為了得到?jīng)_擊韌性優(yōu)良的焊縫，在高Ni的焊縫中會適當(dāng)降低Mn含量，在高M(jìn)n的焊縫中適當(dāng)減少Ni含量。此次試驗(yàn)過程中，為了防止焊接過程中出現(xiàn)熱裂紋，試樣2所用的E310Mo-15焊材在采購時，要求提高M(jìn)n含量至3%～5%，實(shí)測值為4.9%，而E310Mo-15焊材中Ni含量實(shí)測為22%，高于試樣1焊材E309LMo-16的13.28%，得出的沖擊試驗(yàn)結(jié)果符合研究結(jié)論。

4 產(chǎn)品焊接及注意事項(xiàng)

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，最終決定選用E310Mo-15作為該項(xiàng)目用焊材，并依據(jù)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》要求進(jìn)行相應(yīng)焊接工藝評定來支撐產(chǎn)品焊接，試板的拉伸、彎曲、沖擊、硬度試驗(yàn)均合格。

4.1 產(chǎn)品焊接

(1)采用鏜床加工筒節(jié)單V型坡口，加工完成后進(jìn)行100%MT檢測。

(2)對筒節(jié)基層進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為100～120 ℃，到溫后，按圖紙方位組對接管，并采用規(guī)格為?3.2 mm的E310Mo-15焊條進(jìn)行點(diǎn)焊。

(3)外口采用手工電弧焊焊滿，規(guī)格?3.2 mm的焊條，焊接電流100～120 A，焊速1～2 mm/s;規(guī)格?4.0 mm的焊條，焊接電流120～140 A，焊速2～3 mm/s。

(4)里口采用碳弧氣刨進(jìn)行清根，并采用砂輪機(jī)進(jìn)行打磨，完成后進(jìn)行100%PT檢測。

(5)采用手工電弧焊焊滿里口，焊接規(guī)范如外口焊接，完成后進(jìn)行100%PT檢測。

(6)焊接完成后，立即采用天然氣加溫，進(jìn)行消氫處理，加溫溫度為250～300 ℃，時間約2 h。

4.2 注意事項(xiàng)

(1)焊接過程中，應(yīng)嚴(yán)格做好預(yù)熱及后熱處理，由于接管焊接完成后，設(shè)備無法及時進(jìn)行焊后熱處理，因此應(yīng)立即進(jìn)行焊后消氫處理。

(2)由于采用Ni含量更高的E310Mo-15焊材形成了單一奧氏體焊縫組織，同時焊縫接頭在高溫受力，容易引起應(yīng)變集中，因此，焊接過程中應(yīng)嚴(yán)格控制焊接規(guī)范，采用多道快速焊，縮短高溫停留時間，防止熱裂紋的產(chǎn)生。

5 結(jié)語

通過合格的焊接試驗(yàn)、工藝評定試驗(yàn)及設(shè)備制造過程中的成功應(yīng)用，證明經(jīng)過局部改良后的E310Mo-15焊條，可以應(yīng)用于氣化爐中SA387Gr11Cl2與316L異種鋼的焊接，能夠滿足要求，相比于異種鋼焊接常用的Ni基焊材，焊接性更好，同時也節(jié)約了生產(chǎn)成本。