加氫反應(yīng)器產(chǎn)品制造焊接質(zhì)量的控制

張瑤，盧俊文，王肖逸，周璐璐，陳敏

（河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院唐山分院，河北唐山063000）

加氫反應(yīng)器作為煉化加氫工藝中的核心設(shè)備，其工作環(huán)境極為苛刻，一般在高溫、高壓且臨氫介質(zhì)狀態(tài)下工作，對(duì)設(shè)備的制造工藝、原材料、焊接技術(shù)的要求很高［1］。隨著制造材料的更新，目前大部分加氫反應(yīng)器都采用2.25Cr-1Mo-0.25V材料制造，此種材料焊接主要問題是易產(chǎn)生冷裂紋及再熱裂紋，控制焊接質(zhì)量是設(shè)備制造的關(guān)鍵技術(shù)，稍有不慎就會(huì)產(chǎn)生焊接缺陷［2］。文中以從制造原材料及焊接材料的控制、焊接工藝參數(shù)的研究、熱處理工藝技術(shù)的運(yùn)用等方面進(jìn)行分析探討，總結(jié)出產(chǎn)品制造焊接質(zhì)量控制措施。

1 加氫反應(yīng)器概述

加氫反應(yīng)器的工作壓力為10～30 MPa，工作溫度為400～480℃，屬于Ⅲ類壓力容器，以往常采用2.25Cr1Mo鋼制造，隨著石油煉化裝置大型化對(duì)加氫反應(yīng)器工藝要求的提高，2.25Cr1Mo鋼已不能完全滿足使用要求，經(jīng)常添加一定量的V元素來提高鋼材的力學(xué)性能，即3Cr-1MoV和2.25Cr-1Mo-0.25V鋼2種材料［3］。

實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)2.25Cr-1Mo-0.25V鋼制造的反應(yīng)器性能更優(yōu)，且隨著煤液化技術(shù)的發(fā)展對(duì)反應(yīng)器使用溫度要求提高到了482℃，使3Cr1MoV鋼材已不能滿足設(shè)計(jì)要求，目前大部分加氫反應(yīng)器均采用2.25Cr-1Mo-0.25V鋼制造。

由于添加了合金元素V和其它易產(chǎn)生強(qiáng)碳化物的合金元素，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度提高、韌性下降，可焊接性能降低，容易產(chǎn)生焊接冷裂紋及熱處理后的再熱裂紋［4］，加大了制造工藝的難度，需要控制焊縫的熱處理溫度及保溫時(shí)間來解決焊接接頭回火脆性問題。

2 制造及焊接材料的控制

2.25Cr-1Mo-0.25V鋼是美國ASME標(biāo)準(zhǔn)推薦的加氫反應(yīng)器用鋼，一般供貨狀態(tài)為正火+回火，回火溫度一般不低于675℃，其常溫下抗拉強(qiáng)度為585～760 MPa、屈服強(qiáng)度為415～620 MPa、延伸率≥18%，材料進(jìn)場后參照ASME SA-182標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行材質(zhì)驗(yàn)收，并做好材質(zhì)驗(yàn)收標(biāo)志，2.25Cr-1Mo-0.25材質(zhì)驗(yàn)收化學(xué)成分見表1。

表1 2.25Cr-1Mo-0.25V材質(zhì)驗(yàn)收化學(xué)成分/%

選擇焊接材料時(shí)其力學(xué)性能應(yīng)與母材相匹配，為降低焊縫金屬出現(xiàn)再熱裂紋可能性，焊接材料的含碳量應(yīng)比母材略低，控制在0.08%～0.12%之間為宜，焊材的回火脆化敏感系數(shù)X≤15×10-6。在此優(yōu)先選用US-521H焊絲和PF-500焊劑，埋弧焊焊材金屬化學(xué)成分見表2。

表2 埋弧焊焊材金屬化學(xué)成分/%

由于焊接過程中坡口處母材金屬受熱熔化，與焊材金屬一起構(gòu)成了焊縫金屬的化學(xué)成分，而焊縫金屬化學(xué)成分直接影響其力學(xué)性能，為提高焊縫合格率并保證其力學(xué)性能滿足要求，所選焊材的化學(xué)成分應(yīng)與母材相近。從表1及表2母材及焊材驗(yàn)收數(shù)據(jù)可看出，US-521H焊絲和PF-500焊劑的化學(xué)成分與母材接近，且實(shí)測指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，可用于2.25Cr-1Mo-0.25V母材的焊接。

3 焊接工藝評(píng)定的制定

由于加氫反應(yīng)器的壁厚均在100 mm以上，為了減少焊材用量并縮短焊接時(shí)間，在保證焊接質(zhì)量的前提下盡量采用窄坡口焊接。采用埋弧自動(dòng)焊方法可使焊接坡口在20～30 mm范圍內(nèi)，有效降低焊縫金屬填充量，且焊接應(yīng)力及收縮變形量均比其它焊接方法較小。

焊接前應(yīng)采用機(jī)械加工方法并按圖紙要求加工坡口，并清除坡口2側(cè)100 mm范圍內(nèi)的金屬氧化物等雜質(zhì)［5］，然后用磁粉或著色探傷方法檢查坡口表面，焊接坡口型式見圖1。

圖1 焊接坡口形式

按圖1坡口形式制備6組焊接試件，焊接速度控制在370～420 mm/min，3組試件用于3種不同層間溫度的焊接操作，確定合理的層間溫度后，3組試件用于相同層間溫度不同焊接電流及電壓的焊接操作。

焊接電流490～550 A、電壓30～33 V為宜，焊接速度控制在330～380 mm/min，焊絲直徑Φ4.0 mm，焊劑使用前進(jìn)行300～350℃保溫烘干處理2～4 h，采用多層焊接，每層焊縫金屬厚度4.0～5.0 mm為宜，預(yù)熱溫度≥180℃，層間溫度為170～230℃，焊后在300～350℃下恒溫4 h消氫并冷卻至常溫。

4 焊后熱處理工藝

4.1 回火脆性的要求

焊接完畢后應(yīng)當(dāng)進(jìn)行熱處理以便消除焊接殘余應(yīng)力［6］，在熱處理過程中焊接接頭將受熱變形，當(dāng)變形量超過金屬本身在該溫度下的塑性變形能力就會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋，尤其是熱處理溫度加熱到600℃左右時(shí)易產(chǎn)生再熱裂紋，一般起始于焊縫與母材的熔合線處，沿母材表面呈晶間開裂狀向細(xì)晶區(qū)擴(kuò)展。由于Cr、Mo、V等微量元素在焊接時(shí)極易生成碳化物，當(dāng)焊后冷卻速度過快時(shí)無法析出，導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生再熱裂紋。

由于P、Sb、As等金屬元素在熔化后的焊接金屬重新結(jié)晶時(shí)，出現(xiàn)晶界偏聚現(xiàn)象導(dǎo)致Fe原子在晶界處凝聚力下降，此時(shí)受到外力沖擊就容易沿晶界開裂，從而降低了焊接接頭的回火脆性。

4.2 熱處理工藝的制定

按照焊接工藝施焊完畢并消氫處理后，制備3組焊接試件并對(duì)其進(jìn)行100%射線及表面磁粉探傷，然后分別在720℃、695℃、705℃下恒溫8 h進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，再對(duì)熱處理后的試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)［7］。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在720℃下試件的抗拉強(qiáng)度為575 MPa，屈服強(qiáng)度為410 MPa，均不能滿足強(qiáng)度要求，-30℃的焊縫沖擊功為11 J，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值54 J；在695℃下試件的抗拉強(qiáng)度為810 MPa，屈服強(qiáng)度為695 MPa，高于標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值；在705℃下的試件抗拉強(qiáng)度為656 MPa，454℃高溫屈服強(qiáng)度為525 MPa，-30℃的焊縫沖擊功為153 J，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，因此最終焊后熱處理選擇705℃×8 h。并對(duì)最終熱處理后的合格試件進(jìn)行100%射線探傷檢查及100%磁粉探傷檢查，未見裂紋缺陷存在。

5 焊接接頭性能試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 沖擊試驗(yàn)

分別從焊縫厚度的3個(gè)位置各取1個(gè)焊接試件，試件1取自焊縫厚度的1/4處，試件2取自焊縫厚度的1/2處，試件3取自焊縫厚度的3/4處。分別進(jìn)行焊縫以及熱影響區(qū)的沖擊試驗(yàn)，試件的夏比缺口沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 試件夏比缺口沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)（試驗(yàn)溫度-30℃）

5.2 拉伸試驗(yàn)

為驗(yàn)證焊接接頭整體熱處理后的韌性，分別從焊縫厚度的3個(gè)位置各取1個(gè)焊接試件，進(jìn)行常溫和設(shè)計(jì)溫度（454℃）下的拉伸試驗(yàn)，取樣的位置及試件編號(hào)與沖擊試驗(yàn)試件相同。

2.25 Cr-1Mo-0.25V鋼其常溫下抗拉強(qiáng)度應(yīng)為585～760 MPa、屈服強(qiáng)度為415～620 MPa、454℃下的高溫屈服強(qiáng)度≥350 MPa，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足上述要求，說明焊縫的力學(xué)性能沿厚度方向分布均勻。

6 結(jié)束語

加氫反應(yīng)器產(chǎn)品材料進(jìn)廠時(shí)應(yīng)驗(yàn)收分析其化學(xué)成分，焊接材料應(yīng)選用與母材化學(xué)成分相近的材料，其力學(xué)性能與母材相匹配，才能保證焊縫力學(xué)性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求?？刂圃囼?yàn)獲得的焊接電流、電壓、焊接速度及預(yù)熱溫等參數(shù)，可阻止焊接冷裂紋缺陷和再熱裂紋的產(chǎn)生。