加氫設(shè)備殼體內(nèi)壁單層帶極電渣堆焊技術(shù)

李凌,郭瀟瀟,忻紅波,虞世君

(鎮(zhèn)海石化建安工程股份有限公司，浙江 寧波 315200)

0 前言

單層帶極堆焊在高效率、低成本方面有著明顯的優(yōu)勢，運用前景廣闊，但單層帶極堆焊技術(shù)對堆焊材料和堆焊工藝都有著較高的要求[1]。目前，國外單層帶極堆焊技術(shù)已日趨成熟，逐漸成為加氫設(shè)備殼體內(nèi)壁堆焊的主流趨勢，國內(nèi)加氫設(shè)備內(nèi)壁堆焊運用并不多，通常單層堆焊厚度規(guī)定在4.0～4.5 mm范圍[2]。筆者公司承接的某項目要求單層堆焊厚度達5～7 mm范圍，難度較大。眾所周知，隨著堆焊厚度的增加，焊道搭接部位越易產(chǎn)生夾渣和未熔合等焊接缺陷；與此同時，堆焊厚度的增大，所需焊接電流較大，熔深加深，稀釋率也有所增加，堆焊層鐵素體含量會隨之提高，因此在保證堆焊層表面鐵素體數(shù)達5~10 FN前提下，提高堆焊層厚度，需要制定較優(yōu)的焊接工藝參數(shù)[3]。通過理論及試驗相結(jié)合的方法，在加氫設(shè)備常用的14Cr1MoR(H)和12Cr2Mo1R(H)兩種材料上進行堆焊試驗，并通過試件的試驗分析，確定焊接工藝參數(shù)[4]。

1 工藝試驗

1.1 帶極堆焊方法及材料選擇

綜合考慮電弧型與電渣型堆焊方法優(yōu)缺點，試驗選擇電渣堆焊[5]。堆焊試驗焊材選用德國伯合樂品牌，焊帶牌號為SOUDOTAPE21.11 LNB，焊劑牌號為RECORD EST122，化學成分分別見表1和表2。焊帶規(guī)格為0.5 mm × 60 mm。

表1 焊帶SOUDOTAPE21.11 LNB化學成分（質(zhì)量分數(shù),%）

表2 焊劑RECORD EST122化學成分（質(zhì)量分數(shù),%）

1.2 帶極堆焊設(shè)備選擇

設(shè)備試驗采用美國LINCOLIN焊接設(shè)備，DC-1500 A直流平特性電源。

1.3 焊接工藝確定

1.3.1 焊接工藝參數(shù)選擇

單層帶極堆焊焊接參數(shù)對堆焊質(zhì)量有較大影響，試驗焊接工藝參數(shù)通過焊接試驗確定，當焊接電流在1 100～1 400 A范圍內(nèi)，單層堆焊厚度可達到5 mm以上，焊縫成形質(zhì)量及堆焊層的鐵素體含量控制能得以保證。電弧電壓選擇在22～28 V范圍內(nèi)，焊道成形良好，堆焊時的渣池穩(wěn)定。焊接速度控制在140～180 cm/min時，能夠保證達到單層堆焊厚度的最低要求，同時也能保證相鄰焊道熔合良好[6]。

1.3.2 帶極伸出長度選擇

單層帶極堆焊工藝中，帶極伸出長度對堆焊層厚度及堆焊質(zhì)量有直接影響，隨著帶極伸出長度，電阻熱不斷增大，鋼帶熔化速度加快，堆焊層厚度相應增加，但帶極伸出長度并不是越長越好，較長的帶極伸出長度會導致引弧困難，電弧不穩(wěn)定等問題。試驗通過參考前人經(jīng)驗及試驗，決定選用帶極伸出長度為25～45 mm，為有效引弧，堆焊前將焊帶端部剪成110°～130°錐形或20°～30°尖角。

1.3.3 焊道搭接量選擇

焊道搭接量在單層帶極堆焊過程中，主要影響堆焊層平直度，當相鄰焊道搭接量偏小，可能導致咬邊，堆焊層平面度不符合要求等質(zhì)量問題，當該值偏大，易于產(chǎn)生夾渣缺陷且會造成材料浪費。試驗搭接量要求為6～10 mm。

1.3.4 焊劑覆蓋厚度選擇

焊劑覆蓋厚度選擇依據(jù)經(jīng)驗，長度約為35 mm左右，合適的覆蓋厚度可以有效降低堆焊過程中出現(xiàn)的氣孔、夾渣等質(zhì)量缺陷。

1.3.5 鐵素體含量的控制

國外加氫設(shè)備內(nèi)壁堆焊E347型耐蝕層表面的鐵素體要求達5～10 FN范圍，且規(guī)定耐蝕堆焊層的微觀組織為奧氏體 + 少量鐵素體雙相組織，其主要目的是為了防止熱裂紋和抗晶間腐蝕性能，當耐蝕層鐵素體含量過高時，在設(shè)備在制造過程中的焊后熱處理及后續(xù)長期服役于高溫工況下，會促使δ鐵素體向σ脆性相轉(zhuǎn)變[7]。堆焊層鐵素體含量的控制主要取決于化學成分，同時也受焊接工藝參數(shù)及堆焊層的厚度等影響，堆焊層越厚、層間溫度越高，堆焊層鐵素體比例越高，故堆焊過程中應嚴格控制層間溫度、焊接工藝參數(shù)等，確保堆焊層的鐵素體數(shù)達技術(shù)要求。

2 焊接工藝評定試驗

2.1 試驗過程

母材分別采用14Cr1MoR(H)和12Cr2Mo1R(H)耐熱鋼材料，化學成分見表3。14Cr1MoR(H)試板規(guī)格400 mm × 300 mm × 30 mm，12Cr2Mo1R(H) 試板規(guī)格400 mm × 300 mm × 40 mm，進行了2項單層帶極電渣堆焊工藝評定試驗。14Cr1MoR(H)預熱溫度Tp≥100 ℃，道間溫度100～150 ℃；12Cr2Mo1R(H) 預熱溫度Tp≥150 ℃，道間溫度150～180 ℃。堆焊工藝參數(shù)見表4。2件試板堆焊完畢后立即進行了消氫處理，14Cr1MoR(H)為(690 ± 14) ℃ × 20 h，12Cr2Mo1R(H)為(690 ± 14) ℃ × 32 h，消氫結(jié)束后，對2件試板堆焊層進行100%UT + 100%PT檢測，按NB/T 47013—2011《承壓設(shè)備無損檢測》Ⅰ級合格。分別對2塊試件在焊態(tài)下進行堆焊層的化學成分和鐵素體檢測試驗，再分別按表5熱處理工藝參數(shù)進行模擬最大焊后熱處理，熱處理完成后分別切取硬度試樣、金相分析試樣、大小側(cè)彎曲試樣、截面厚度測量試樣及晶間腐蝕試樣，并開展了相關(guān)性能試驗[8]。

表3 母材化學成分（質(zhì)量分數(shù),%）

表4 堆焊工藝參數(shù)

表5 熱處理工藝參數(shù)

2.2 試驗結(jié)果與分析

2.2.1 化學成分及鐵素體測算

在焊態(tài)下切取試樣，對試板堆焊層表面及表面以下3 mm的堆焊層，采用ARL-4460型號光譜分析儀進行化學成分分析，按WRC-1992圖進行鐵素體數(shù)測算[9]。試驗結(jié)果見表6，其中A1，B1為堆焊層表面取樣，A2，B2為堆焊層下3 mm位置處取樣。

表6 堆焊層表面及以下3 mm處化學成分（質(zhì)量分數(shù),%）及鐵素體數(shù)（FN）

2.2.2 鐵素體測定

在焊態(tài)下采用經(jīng)AWS 3.2校準的MP30型鐵素體測定儀對堆焊層表面進行檢測，檢測結(jié)果如圖1所示。通過對圖1數(shù)據(jù)進行分析，可以發(fā)現(xiàn)2項焊接工藝評定中3道堆焊層表面鐵素體數(shù)測量值均符合要求，在技術(shù)規(guī)定的5～10 FN。

圖1 堆焊層表面鐵素體含量

2.2.3 小側(cè)彎試驗

按標準要求，取垂直和平行于堆焊方向的大、小側(cè)彎試樣進行橫向和縱向彎曲試驗，14Cr1MoR(H) 試樣規(guī)格150 mm × 10 mm × (S + 堆焊) mm，12Cr2Mo1R(H)試樣規(guī)格80 mm × 13 mm × 3 mm，其目的是研究包括堆焊層及熱影響區(qū)在內(nèi)的受拉面是否存在缺陷，經(jīng)過彎曲試驗后發(fā)現(xiàn)，試樣均無任何裂紋或開口缺陷，試驗結(jié)果詳見表7。

表7 彎曲試驗結(jié)果

2.2.4 晶間腐蝕試驗

按ASTM A262《Standard practices for detecting susceptibility to intergranular attack in austenitic stainless steels》方法E中對堆焊層進行晶間腐蝕試驗，試樣經(jīng)180o彎曲法評定，受拉面無任何裂紋，堆焊層均無晶間腐蝕傾向。

2.2.5 硬度試驗

分別從經(jīng)終熱處理后的堆焊試件上截面試樣，按圖2所示的位置進行顯微硬度檢測。試驗結(jié)果詳見表8，硬度檢測值均在技術(shù)要求的范圍內(nèi)，其中堆焊層表面硬度HB≤234 HB，截面顯微硬度HV≤235 HV10。

圖2 試樣顯微硬度試驗位置示意圖

表8 熱處理后堆焊層硬度試驗結(jié)果

2.2.6 金相組織分析試驗

表9列出了上述焊接工藝評定的堆焊焊接接頭金相分析結(jié)果，可以看出金相組織符合相關(guān)技術(shù)要求。其中，14Cr1MoR(H)堆焊試樣的金相組織如圖3所示，12Cr2Mo1R(H)堆焊試樣的金相組織如圖4所示。

圖3 14Cr1MoR(H)堆焊試樣的金相組織

圖4 12Cr2Mo1R(H)堆焊試樣的金相組織

表9 金相組織分析試驗結(jié)果

14Cr1MoR(H)及12Cr2Mo1R(H)堆焊試樣的金相組織分布是極為相似的，堆焊層主要由枝晶狀鐵素體及奧氏體組成，同時伴有彌散分布的少量碳化物，枝晶狀鐵素體是在堆焊的過程中焊材快速冷卻后形成的，易于引發(fā)裂紋等缺陷，因此需要對試件進行進一步的解剖檢測；母材及過渡區(qū)主要由索氏體及粒狀貝氏體組成，二者的的形成都是在堆焊過程中母材經(jīng)過堆焊過程中的加熱及快速冷卻后形成的，提高了母材及熱影響區(qū)的強度。

2.2.7 解剖檢測及厚度測量

采用5倍放大鏡對試件橫截面進行剖面檢查，堆焊層、熱影響區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合及其它線性缺陷。采用帶刻度的游標卡尺對堆焊層進行厚度測量，結(jié)果見表10，堆焊層厚度均大于技術(shù)要求的最低值5 mm。

表10 堆焊層宏觀截面厚度檢測結(jié)果

2.3 氫剝離試驗

為了模擬堆焊層在服役條件下抗氫剝離的能力，按照ASME G146《Standard practice for evaluation ofdisbonding of bimetallic stainless alloy/steel plate for use in high-pressure, high-temperature refinery hydrogen service》標準對2件試樣分別進行了堆焊層的氫剝離試驗，試驗條件為試驗溫度：480 ℃；試驗壓力：18.0 MPa；循環(huán)次數(shù)：2次；每次循環(huán)充氫保壓時間：48 h；冷卻速度：第一循環(huán)vc≥150 ℃/h，第二循環(huán)vc≥300 ℃/h，充氫試驗完成后分別在出爐48 h和7 d后進行超聲波檢查，均未發(fā)現(xiàn)剝離現(xiàn)象，試驗結(jié)果表明：2件試樣的堆焊層抗氫剝離試驗滿足要求[10]。

3 結(jié)論

（1）通過制作堆焊試樣，對堆焊試樣進行相應的理化分析及理論驗證，確定了一種較優(yōu)的用于14Cr1MoR(H)和12Cr2Mo1R(H)材質(zhì)加氫設(shè)備內(nèi)壁單層帶極電渣堆焊工藝，且在該焊接工藝參數(shù)下堆焊厚度達5～7 mm，鐵素體含量為5～10 FN，化學成分、金相組織及微觀裂紋情況等都達到項目高標準預期，為后續(xù)相關(guān)方面的研究提供了一定的借鑒。

（2）以實際生產(chǎn)項目為研究基礎(chǔ)，通過理論與試驗相結(jié)合的方法，探究了加氫設(shè)備內(nèi)壁單層帶極電渣堆焊技術(shù)及工藝，掌握了符合國外高標準技術(shù)要求的單層帶極電渣堆焊工藝，填補了公司在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的空白，對提高生產(chǎn)效率及縮短設(shè)備的制造周期和降低成本有著重要的意義。