林桂賢 朱曉燕 馬小兵 溫宇航 王志剛

摘要：為滿足對苯二甲酸加氫精制反應(yīng)器抗腐蝕要求，在殼體內(nèi)壁堆焊鎳基合金，確定了內(nèi)壁堆焊時采用國產(chǎn)鎳基合金EQNiCrMo-3焊帶進行過渡，采用EQNiCrMo-4焊帶進行表層電渣堆焊的工藝方案，進行了焊接工藝評定，得到最佳的焊接工藝參數(shù)。試驗結(jié)果表明，國產(chǎn)鎳基合金焊帶堆焊工藝性良好，各項性能指標滿足產(chǎn)品制造技術(shù)要求，并完成產(chǎn)品制造。

關(guān)鍵詞：焊帶;鎳基合金;電渣堆焊

中圖分類號：TG 454

Abstract： To meet the corrosion resistance requirements of the terephthalic acid hydrotreating reactor， a nickel-base alloy was deposited on the inner wall of the shell. A domestic nickel-base alloy EQNiCrMo-3 welding strip was used for the transition layer and an EQNiCrMo-4 welding strip was employed for the surface layer during inner wall surfacing. Welding procedures were evaluated to obtain optimized welding parameters. The test results showed that surfacting process performance of the domestic nickel-based alloy welding strip was good， and the performance indicators met the technical requirements of product manufacturing. Terephthalic acid hydrotreating reactor was manufactured by domestic nickel-base alloy.

Key words： welding belt; nickel-based alloy; electroslag surfacing welding

0 前言

精對苯二甲酸（PTA）是關(guān)系到國民生計的衣用滌綸化纖聚酯產(chǎn)品的原料，目前滌綸化纖因其品質(zhì)優(yōu)良，是化學(xué)纖維中的首選品種，已占整個化纖產(chǎn)品的76%以上。對苯二甲酸加氫精制反應(yīng)器是生產(chǎn)PTA的關(guān)鍵設(shè)備，其內(nèi)部為復(fù)雜的強氧化性條件腐蝕介質(zhì)。而EQNiCrMo-4焊帶在濕氯、各種氧化性氯化物、氯化鹽溶液、硫酸與氧化性鹽及中低溫鹽酸等介質(zhì)中均具有很好的耐蝕性能。因此，采用EQNiCrMo-4焊帶對精對苯二甲酸精制反應(yīng)器內(nèi)壁進行堆焊達到耐腐蝕性能的要求[1-3]。

受國內(nèi)冶煉水平及焊帶生產(chǎn)水平等因素限制，國內(nèi)EQNiCrMo-4焊帶堆焊材料生產(chǎn)困難，耐腐蝕性差，因此長期主要依賴國外進口。進口焊接材料不但價格昂貴，而且供貨周期長。近年來，隨著國內(nèi)工業(yè)水平提升，鎳基合金的冶煉水平和耐腐蝕性能得到大幅提高，為打破EQNiCrMo-4焊帶的國外壟斷，提高國內(nèi)石化行業(yè)EQNiCrMo-4焊接材料研究水平。依托新疆某項目中的精對苯二甲酸精制反應(yīng)器，開展內(nèi)壁堆焊EQNiCrMo-4焊帶的技術(shù)工作。經(jīng)過研究后，與用戶和設(shè)計方等代表協(xié)商，確定選用哈爾濱威爾焊接有限公司研制的EQNiCrMo-4和EQNiCrMo-3焊帶進行電渣堆焊，以達到共同推進國產(chǎn)鎳基焊帶材料在大型反應(yīng)器等設(shè)備上應(yīng)用的目的。

1 焊接工藝試驗方案的確定

1.1 設(shè)備情況

該加氫精對苯二甲酸精制反應(yīng)器，設(shè)備總長25 000 mm，規(guī)格：4 000 mm×166 mm×16 870 mm（筒體長度），封頭厚度102 mm，容器類別為Ⅲ類，容積242.8 m3。主殼體材料為SA387GrCL2型耐熱鋼，其主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 焊接方案

內(nèi)壁堆焊工作量較大，形狀規(guī)則，焊接位置以平焊為主，因此選擇效率高的焊帶電渣焊方法進行堆焊。設(shè)備內(nèi)表面堆焊兩層，與殼體母材先接觸的堆焊層為過渡層，材質(zhì)選用EQNiCrMo-3焊帶，表層堆焊層為覆蓋層，材質(zhì)選用EQNiCrMo-4焊帶。焊接方法兩層均選電渣焊，雙層堆焊總厚為6.5 mm，其中表層最小有效厚度為3 mm。電源均采用直流正接，過渡層和表層焊帶的化學(xué)成分見表2，焊接工藝參數(shù)見表3。

2 焊接工藝評定

2.1 工藝評定要求

按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》中耐蝕堆焊工藝評定的要求，結(jié)合設(shè)計技術(shù)要求進行評定。堆焊的表層化學(xué)成分合格指標見表4。

晶間腐蝕試驗按照ASTM G28 A法進行，堆焊層的腐蝕速率不大于12 mm/年。對堆焊試板熱處理后進行解剖檢查，剖面取在焊道搭接處，剖面應(yīng)經(jīng)拋光、侵蝕，以便能清晰地分清熔合區(qū)和基體金屬，并用5倍放大鏡觀察是否有層下裂紋出現(xiàn)。硬度試驗依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度》進行，熱處理后在每塊試板的堆焊層表面上，任取4點測量表面硬度，測量斷面顯微硬度，記錄測量值。

2.2 試板焊接和后處理

根據(jù)產(chǎn)品的堆焊特點，筒體內(nèi)壁堆焊采用大規(guī)格焊帶60 mm×0.5 mm，封頭內(nèi)壁采用小規(guī)格焊帶50 mm×0.4 mm。故制作兩對堆焊試板，試板母材為SA387Gr11CL2鋼，厚度為46 mm，過渡層采用EQNiCrMo-3，表層采用EQNiCrMo-4，兩層均采用電渣堆焊。

試板的焊接按照表3中的工藝參數(shù)執(zhí)行。試板堆焊過渡層的預(yù)熱溫度≥150 ℃，層間溫度150～250 ℃，后熱（250～300） ℃×2 h，表層的預(yù)熱溫度≥15 ℃，層間溫度15～100 ℃，不需要后熱。試板焊接堆焊過程中外加磁控裝置，焊接成形美觀，搭接無咬邊，顏色較好。

試板的熱處理工藝為，裝爐溫度小于400 ℃，400 ℃以上加熱速度不高于70 ℃/h，保溫溫度690+15-10 ??℃，保溫時間26 h，400 ℃以上冷卻速度不高于80 ℃/h，爐冷至400 ℃后出爐空冷。

2.3 試板評定結(jié)果

試板耐蝕層堆焊化學(xué)成分見表5，化學(xué)成分符合要求值。對試板進行解剖，按照NB/T 47016—2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗》進行大小側(cè)彎試驗以及硬度試驗，試驗結(jié)果見表6和表7。對兩塊試板取樣按ASTM G28-A法進行腐蝕試驗，1#和2#的腐蝕速率分別為5.21 mm/年和5.76 mm/年，均合格。硬度試驗位置如圖2所示。

圖3為1#和2#試樣的顯微組織。經(jīng)過金相檢驗，1#和2#試樣均未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，組織均為γ固溶體，晶界和晶內(nèi)均可見析出物，晶內(nèi)析出物呈顆粒狀（或小塊狀），晶界析出物主要呈斷續(xù)棉絮狀，未見微觀裂紋和其它微觀缺陷。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，評定試板的各項性能均滿足技術(shù)條件的要求，說明該焊接材料適用于產(chǎn)品，滿足產(chǎn)品的工程技術(shù)要求。

3 產(chǎn)品內(nèi)壁堆焊

3.1 產(chǎn)品的堆焊要求

堆焊開始前，基體焊接接頭必須經(jīng)過消應(yīng)力處理以及射線檢測和超聲檢測，合格后所有待堆焊表面經(jīng)過打磨或噴砂，或者機械加工，并進行磁粉檢測。堆焊完過渡層后進行消氫處理或緩冷，堆焊完表層后應(yīng)進行緩冷。

過渡層堆焊后進行宏觀檢查，其厚度應(yīng)均勻，表面應(yīng)平滑，兩相鄰焊道之間的下凹量不得大于1 mm，焊道接頭的不平度不得超過1.0 mm。

3.2 產(chǎn)品內(nèi)壁堆焊

3.2.1 封頭內(nèi)壁堆焊

封頭因結(jié)構(gòu)的限制存在曲率，使得大規(guī)格的焊帶無法與封頭內(nèi)壁緊密貼合，故封頭堆焊的焊帶采用規(guī)格為50 mm×0.5 mm的焊帶堆焊。堆焊前封頭內(nèi)壁打磨光滑，經(jīng)磁粉檢測合格后進行堆焊。因封頭上開孔的接管較多，為了減少堆焊焊接工作量，節(jié)約堆焊焊接材料，故封頭開孔后進行堆焊，如圖4所示。

封頭堆焊過渡層為EQNiCrMo-3（50 mm×0.4 mm）/SJ82B，表層為EQNiCrMo-4（50 mm×0.4 mm）/SJ86B。焊接規(guī)范：焊接電流為720～780 A，電弧電壓為28～32 V，焊接速度≥10 m/h。封頭內(nèi)壁堆焊厚度6.5 mm，過渡層3 mm，表層3.5 mm。封頭內(nèi)壁的堆焊均為電渣焊，焊前需要加磁控裝置，避免在堆焊過程中產(chǎn)生咬邊、成型不美觀等問題。磁控的大小需要根據(jù)封頭實際堆焊的過程進行調(diào)節(jié)，因為堆焊部位的不同，磁控裝置的電流參數(shù)也不同[4]。封頭堆焊前需要進行預(yù)熱，過渡層預(yù)熱溫度≥150 ℃，層間溫度150～250 ℃，后熱（250～300）℃×2 h。過渡層堆焊后，其厚度應(yīng)均勻，表面應(yīng)平滑，兩相鄰焊道之間的下凹量不得大于1 mm，焊道接頭的不平度不得超過1.0 mm，封頭堆焊成型如圖5所示，經(jīng)檢查外觀質(zhì)量滿足技術(shù)要求。

過渡層堆焊完成后需要進行100%PT檢測，合格后進行表層的堆焊。表層的預(yù)熱溫度≥15 ℃，層間溫度15～100 ℃，不需要后熱。表層的堆焊主要是層間溫度的控制，層間溫度控制不當會降低堆焊層的耐腐蝕性能。表層堆焊完成后進行100%PT+100%UT檢測。封頭堆焊完成后對封頭的厚度抽8點進行檢測，其檢測平均值為6.74 mm，最小值為6.60 mm，滿足技術(shù)要求。

3.2.2 筒體內(nèi)壁堆焊

筒體的堆焊可以采用大規(guī)格的焊帶進行堆焊，過渡層為EQNiCrMo-3（60 mm×0.4 mm）/SJ82B，表層為EQNiCrMo-4（60 mm×0.5 mm）/SJ86B。焊接規(guī)范：焊接電流為900～1 000 A，電弧電壓為28～32 V，焊接速度9～11 m/h。筒體內(nèi)壁堆焊厚度6.5 mm，過渡層3 mm，表層3.5 mm。筒體所有焊接接頭經(jīng)探傷合格后進行堆焊，其堆焊的要點和封頭相同。圖6為筒體堆焊效果，堆焊后PT檢測合格。

4 主要控制措施

（1）焊件清理。焊件表面的清潔度是成功堆焊EQNiCrMo-4材料的重要條件之一。S，P，Pb，Sn，Zn，Bi，Sb，As等凡是能和Ni形成低熔點共晶的元素都是有害元素，會增加焊接熱裂紋傾向。這些元素經(jīng)常存在于制造過程中所選用的一些材料中，例如油脂、油漆、標記用蠟筆或墨水、潤滑劑、著色探傷材料、切削冷卻液以及測溫蠟筆等。因此焊前徹底清理焊件表面是一道必須的工序，可以采用磨削加丙酮等清洗劑清理[5]。

（2）限制熱輸入量。選用較小的熱輸入量，使接頭的高溫停留時間減少，對控制和減少熱裂紋，提高耐腐蝕性均有利。由于鎳基合金液態(tài)焊縫金屬流動性差，熔深淺，若增大焊接電流反而會增大熱裂紋敏感性，使焊縫金屬中脫氧劑過度燒損，造成氣孔或夾渣。所以只能選擇合適的焊接速度，以保證足夠的熔深。焊接速度過快或過慢都易產(chǎn)生氣孔、未熔合等缺陷。

（3）預(yù)熱。過渡層預(yù)熱溫度≥150 ℃，層溫溫度150～250 ℃，后熱（250～300） ℃×2 h。表層的預(yù)熱溫度≥15 ℃，層溫溫度15～100 ℃，不需要后熱。

（4）堆焊層的修補。對于超標的表面缺陷，允許采用砂輪打磨，不得采用碳弧氣刨，以防增碳。所剩堆焊層厚度不得小于圖樣規(guī)定的最小厚度。打磨部位應(yīng)與周圍金屬平緩過渡，打磨后需經(jīng)滲透檢測合格。

5 結(jié)論

（1）選擇EQNiCrMo-3鎳基合金焊帶作為過渡層，EQNiCrMo-4焊帶作為表層的焊接工藝滿足精對苯二甲酸精制反應(yīng)器設(shè)備制造要求。在制造過程中，對待堆焊面的清理以及控制焊接熱輸入是焊接質(zhì)量的重要保證。

（2）采用國產(chǎn)鎳基合金焊帶堆焊耐腐蝕層的力學(xué)性能、抗腐蝕性能、化學(xué)成分等均能滿足相關(guān)標準和技術(shù)條件的要求，在精對苯二甲酸精制反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊中得到成功應(yīng)用。

參考文獻

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