2.25Cr-1Mo-0.25V鋼上國產(chǎn)焊材單層帶極堆焊工藝研究

王雪驕 范陽陽 晏君文 吳成林

(1．二重(德陽)重型裝備有限公司,四川 德陽 618000;2．四川西冶新材料股份有限公司,四川 成都 611730)

石化領(lǐng)域加氫反應(yīng)器設(shè)備通常工況為高溫、高壓、臨氫環(huán)境,因此對設(shè)備殼體不僅要求保證強(qiáng)度,而且對內(nèi)表面有耐蝕性能的要求,設(shè)備殼體通常采用基體保證強(qiáng)度、內(nèi)壁堆焊不銹鋼堆焊層保證耐蝕。在不銹鋼堆焊方法中,帶極堆焊憑借其極高的生產(chǎn)效率、良好的焊縫成形等特點(diǎn),成為容器制造行業(yè)不銹鋼堆焊的首選[1]。

以往國內(nèi)2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應(yīng)器均采用雙層帶極堆焊技術(shù),且絕大部分要求為進(jìn)口焊材,這種技術(shù)容易滿足設(shè)計(jì)和使用要求,但相應(yīng)的制造周期長、成本高[2]。而單層帶極堆焊因其顯著的優(yōu)勢(周期短、成本低),在國外廣泛應(yīng)用。隨著近年來國產(chǎn)焊接材料的發(fā)展,響應(yīng)國家國產(chǎn)化制造的號召,故對加釩鋼上國產(chǎn)焊材單層帶極堆焊技術(shù)進(jìn)行研究,以期實(shí)現(xiàn)在2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應(yīng)器上應(yīng)用單層帶極堆焊技術(shù),且堆焊材料國產(chǎn)化。

1 研究方案的確定

帶極堆焊技術(shù)分為電渣堆焊和埋弧堆焊兩種,而帶極電渣堆焊相對于帶極埋弧堆焊:熔敷效率高、熔深淺而均勻,易實(shí)現(xiàn)單層堆焊厚度(4.5 mm),焊道形狀平滑、表面質(zhì)量優(yōu)良、焊劑消耗量低。此外,電渣堆焊工藝熔合區(qū)稀釋率較低,減少了熔合區(qū)的元素遷移,有利于保證堆焊層的耐蝕性能[3-6]。因此,結(jié)合2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應(yīng)器設(shè)備制造要求及承壓設(shè)備焊接工藝評定NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)[7]的要求,確定試驗(yàn)方案如下:

(1)在2.25Cr-1Mo-0.25V鋼試板上采用國產(chǎn)TP.309LNb帶極堆焊材料進(jìn)行單層電渣堆焊試驗(yàn),堆焊厚度為4.5～5.0 mm。堆焊后對堆焊層按照NB/T 47013.5進(jìn)行100%滲透檢測,I級合格;按照NB/T 47013.3進(jìn)行100%超聲檢測,I級合格。無損檢測合格后,在焊態(tài)下進(jìn)行化學(xué)成分分析、鐵素體數(shù)計(jì)算和測量。堆焊試件模擬加釩鋼加氫反應(yīng)器焊后熱處理后,進(jìn)行剖面檢測、縱橫向彎曲試驗(yàn)、表面及斷面硬度檢驗(yàn)、微觀金相組織檢測、熔合面剪切強(qiáng)度試驗(yàn)、晶間腐蝕試驗(yàn)、抗氫致剝離試驗(yàn)等性能試驗(yàn),研究國產(chǎn)單層堆焊材料能否達(dá)到加釩鋼加氫反應(yīng)器設(shè)備制造的要求。

(2)將國產(chǎn)帶極電渣堆焊材料與同類進(jìn)口帶極電渣堆焊材料通過焊接工藝性、焊材消耗量、堆焊層化學(xué)成分分析和鐵素體數(shù)測量以及理化性能檢測進(jìn)行對比,檢驗(yàn)其是否達(dá)到同等水平。

2 主要研究內(nèi)容

2.1 國產(chǎn)焊材單層堆焊試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 焊道成形

采用國內(nèi)某焊材廠家TP.309LNb單層帶極電渣堆焊鋼帶及配套焊劑在2.25Cr-1Mo-0.25V鋼試板上進(jìn)行單層電渣堆焊,堆焊后焊道成形見圖1(a)。焊道單道寬度65 mm,厚度約4.5～5.0 mm。焊道搭接量約9 mm,沒有咬邊、側(cè)邊熔合不良等缺陷,成形良好。堆焊層的表面平整度見圖1(b)。

(a)堆焊焊道成型情況 (b)堆焊層表面平整度測量圖1 堆焊層外觀Figure 1 Appearance of the surfacing layer

2.1.2 堆焊層金屬化學(xué)成分均勻性分析

對于單層電渣堆焊,由于僅堆焊一層,在規(guī)范參數(shù)的影響下,稍微不注意就可能導(dǎo)致堆焊層成分的不均勻性。分析堆焊層熔敷金屬化學(xué)成分,可以從中了解堆焊層成分是否均勻,為此,在試驗(yàn)中對堆焊層進(jìn)行了分層取樣分析。

從堆焊層表面向下,每隔0.5 mm向下取化學(xué)成分分析,至堆焊層表面向下5 mm處,獲得沿厚度方向的階梯化學(xué)成分分布規(guī)律[1],分層取樣進(jìn)行化學(xué)分析結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出,堆焊層厚度在4.5～5.0 mm時,堆焊表面以下3 mm范圍內(nèi)堆焊層熔敷金屬化學(xué)成分比較均勻,Cr、Ni含量基本上達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài),波動范圍較小,各元素成分均滿足制造要求。

2.1.3 鐵素體數(shù)檢測

采用ANSI/AWS A4.2《測定奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼焊縫金屬中δ鐵素體含量和磁性測定儀器的標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)方法》中所規(guī)定的方法對鐵素體測量儀進(jìn)行標(biāo)定,然后在經(jīng)過打磨的焊態(tài)堆焊層表面上測量鐵素體讀數(shù)[8],測量10點(diǎn),平均值為4.7。根據(jù)表1中在堆焊層表面以下2.5～3.0 mm處測得的化學(xué)成分,利用WRC-1992圖法計(jì)算得到鐵素體為4.0。從鐵素體數(shù)測量值和計(jì)算值可以看出,兩者數(shù)值接近,偏差小,一致性較好。

2.1.4 性能檢測

堆焊層模擬2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應(yīng)器制造最小焊后熱處理(Min.PWHT):705℃×8 h;最大焊后熱處理(Max.PWHT):705℃×32 h[8]后進(jìn)行性能檢測。

(1)低倍截面檢查(Max.PWHT)

取堆焊試件截面,經(jīng)打磨、拋光、50%鹽酸水溶液腐蝕后,在5倍的放大鏡下觀察,試樣見圖2所示,未發(fā)現(xiàn)層下裂紋等缺陷。經(jīng)測量堆焊層熔深0.95 mm,堆焊層厚度為4.6 mm。

熔深滿足≥0.8 mm,堆焊厚度滿足要求。

(2)大、小側(cè)彎試驗(yàn)(Max.PWHT、Min.PWHT)

在堆焊試件上切取側(cè)彎試樣[7],包括4件大側(cè)彎試樣和4件小側(cè)彎試樣,4件試樣中的2件試樣的長度方向需與堆焊方向垂直,另外2件試樣的長度方向與堆焊方向平行。

彎曲后試樣表面沿任何方向測量,均無裂紋出現(xiàn)。

(3)晶間腐蝕試驗(yàn)(Max.PWHT)

按照GB/T 4334—2020《金屬和合金的腐蝕 奧氏體及鐵素體-奧氏體(雙相)不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》中所規(guī)定的方法E:銅-硫酸銅-16%硫酸腐蝕試驗(yàn)方法,在堆焊試件上制取試樣2件,置于銅-硫酸銅-16%硫酸溶液中經(jīng)煮沸試驗(yàn)后用彎曲法檢測晶間腐蝕傾向。2件試樣均無裂紋。

(4)金相組織(焊態(tài)、Max.PWHT、Min.PWHT)

在堆焊試件上取樣,在金相顯微鏡下觀察基材、熔合區(qū)、堆焊層的三區(qū)組織。從圖3(a)、(d)、(g)的對比可以看到,經(jīng)過模擬焊后熱處理后,基材的組織基本沒有改變,均為回火貝氏體組織。對比圖3(b)、(e)、(h),發(fā)現(xiàn)經(jīng)過模擬焊后熱處理,在堆焊層與母材之間熔合區(qū)位置出現(xiàn)了一條寬度約為10～30 μm的C元素遷移帶,使熔合區(qū)附近的母材出現(xiàn)了貧碳層,熔合線附近的堆焊層中出現(xiàn)了增碳層[9]。對比圖3(c)、(f)、(i),可以看到堆焊層中均為奧氏體+δ鐵素體組織,模擬焊后熱處理前后變化不大,滿足制造要求。

(d)Min.PWHT基材 (e)Min.PWHT熔合區(qū) (f)Min.PWHT堆焊層

(g)Max.PWHT基材 (h)Max.PWHT熔合區(qū) (i)Max.PWHT堆焊層圖3 微觀金相組織Figure 3 Microscopic metallographic structure

(5)硬度試驗(yàn)(Max.PWHT、Min.PWHT)

在堆焊試件上取樣,對堆焊層表面及斷面進(jìn)行硬度檢測,要求測量值≤248HV10。試驗(yàn)結(jié)果見表2。試驗(yàn)結(jié)果滿足要求。

表2 堆焊層硬度檢測數(shù)據(jù)Table 2 Hardness test of surfacing layer

(6)抗氫致剝離試驗(yàn)(Max.PWHT)

按照ASTM G146-01-2013《高壓、高溫?zé)捰蛷S臨氫設(shè)備用雙金屬不銹鋼合金/鋼板剝離評定的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程》要求在堆焊試件上制取試樣進(jìn)行抗氫致剝離試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為:試驗(yàn)溫度為475℃,試驗(yàn)充氫壓力20 MPa,冷卻速度250℃/h、300℃/h兩個循環(huán)。

試驗(yàn)結(jié)果均顯示不產(chǎn)生剝離。

(7)熔合面的剪切強(qiáng)度試驗(yàn)(Max.PWHT、Min.PWHT)

在堆焊試件上制取試樣2件,按GB/T 6396《復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)方法》對堆焊層熔合面進(jìn)行剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。要求檢測的剪切強(qiáng)度均≥200 MPa。從表3數(shù)據(jù)可以看出檢測結(jié)果遠(yuǎn)大于要求值。

表3 堆焊層剪切強(qiáng)度檢測結(jié)果Table 3 Test results of shear strength of surfacing layer

2.1.5 試驗(yàn)結(jié)果

堆焊層表面質(zhì)量優(yōu)良,各項(xiàng)理化性能均很好地達(dá)到2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應(yīng)器設(shè)備制造及NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.2 國內(nèi)外同類同規(guī)格單層堆焊焊材比對

2.2.1 焊材工藝性對比

采用上述國內(nèi)焊材和國外某知名品牌廠家TP.309LNb同規(guī)格單層電渣堆焊焊材進(jìn)行堆焊,堆焊過程對比見圖4、圖5所示。

(a)焊接完成后脫渣 (b)單道

(c)搭接 (d)堆焊面平度圖4 國外焊材單層堆焊Figure 4 Single-layered surfacing with the imported welding materials

(a)焊接完成后脫渣 (b)單道

(c)搭接 (d)堆焊面平度圖5 國內(nèi)焊材單層堆焊Figure 5 Single-layered surfacing with the domestic welding materials

將兩種焊材的工藝性特征歸納至表4。從表中各個工藝性特征對比結(jié)果來看,國內(nèi)堆焊焊材的工藝性水平與國外焊材相當(dāng),工藝性表現(xiàn)優(yōu)秀,脫渣性優(yōu)于國外產(chǎn)品。

表4 國內(nèi)、外焊材的工藝性特征對比表Table 4 Comparison of technological characteristics of the welding materials at home and abroad

2.2.2 焊材消耗量對比

試驗(yàn)過程中,對堆焊相同長度堆焊層使用的焊帶和焊劑消耗情況進(jìn)行了稱重統(tǒng)計(jì),要求每次試驗(yàn)開始前和結(jié)束后分別對焊劑、焊帶、渣殼的重量進(jìn)行稱重。國內(nèi)外焊材堆焊使用量對比見表5所示。

表5 國內(nèi)、外焊材堆焊使用量對比統(tǒng)計(jì)Table 5 Comparison of usage amount statistics of the welding materials at home and abroad

從表5可以看出,國內(nèi)焊劑的使用比為0.54,略優(yōu)于國外的焊劑,更節(jié)約焊材。

2.2.3 化學(xué)成分、鐵素體數(shù)及各項(xiàng)性能對比

采用國內(nèi)外同類同規(guī)格單層堆焊焊材,單層堆焊4.5～5.0 mm,堆焊層各項(xiàng)指標(biāo)對比見表6。

表6 國內(nèi)、外焊材堆焊層性能對比Table 6 Comparison of performance of the surfacing layer with the welding materials at home and abroad

從表6可以看出,國產(chǎn)焊材性能水平與國外同類焊材相當(dāng)。

2.3 單層堆焊與雙層堆焊制造效益的對比

以往承制的一臺加氫反應(yīng)器殼體(筒體和封頭)為例,對單層堆焊和雙層堆焊技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行對比。

(1)制造成本的比較

雙層堆焊6.5 mm,使用焊帶23.5 t,焊劑16.45 t;單層堆焊4.5～5 mm,使用焊帶15.1 t,焊劑10.57 t。不僅節(jié)約焊帶8.4 t,焊劑5.88 t,而且節(jié)約對過渡層的堆焊、打磨、無損檢測、清理等工序的費(fèi)用。

(2)生產(chǎn)效率的比較

由于節(jié)約一層過渡層的堆焊,不僅減少了堆焊的時間,而且相應(yīng)節(jié)約對過渡層的打磨、無損檢測、清理等工序的制造時間。

經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)效率明顯。

3 結(jié)論

通過在2.25Cr-1Mo-0.25V鋼母材上進(jìn)行國產(chǎn)焊材單層帶極堆焊試驗(yàn),并與國外不同焊材廠家同類同規(guī)格焊材的單層堆焊進(jìn)行對比,研究結(jié)果表明:

采用國產(chǎn)鋼帶及配套焊劑在2.25Cr-1Mo-0.25V鋼母材上單層電渣堆焊,一層堆焊厚度4.5～5.0 mm,能獲得有效厚度3 mm的堆焊層,堆焊層有效厚度內(nèi)的各化學(xué)元素成分波動范圍小。堆焊層的化學(xué)成分及各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應(yīng)器內(nèi)壁不銹鋼堆焊的技術(shù)要求。

國產(chǎn)單層堆焊焊材的焊接工藝性及各項(xiàng)性能指標(biāo)水平與進(jìn)口同類焊材相當(dāng),個別指標(biāo)甚至更優(yōu)。

鑒于單層帶極電渣堆焊較雙層堆焊具有制造成本低、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn),以及在同等質(zhì)量的前提下,國產(chǎn)焊接材料相較于進(jìn)口焊接材料價(jià)格及制造周期的優(yōu)勢,在2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應(yīng)器上推廣國產(chǎn)焊材單層帶極堆焊技術(shù),可明顯縮短制造周期、降低制造成本,實(shí)現(xiàn)綠色制造,也提高國產(chǎn)化加氫反應(yīng)器在國際市場上的競爭力。