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        國產(chǎn)單層帶極電渣堆焊焊材在加氫反應器的應用

        2019-11-08 07:08:16
        壓力容器 2019年9期
        關(guān)鍵詞:電渣加氫精制堆焊

        (青島蘭石重型機械設備有限公司,山東 青島 266426)

        0 引言

        加氫反應器是高壓、高溫、臨氫的壓力容器,在其內(nèi)壁表面堆焊不銹鋼材料是常用和有效提高其耐腐蝕性能的技術(shù)。對于大型加氫反應器筒體內(nèi)壁,帶極埋弧+電渣堆焊(SAW+ESW)是目前常用的堆焊技術(shù),但該技術(shù)生產(chǎn)成本高,熔敷速率慢,焊劑消耗較高。隨著堆焊材料和堆焊工藝技術(shù)的發(fā)展,單層帶極電渣堆焊技術(shù)因其具有更高的熔敷效率,更低的焊帶及焊劑消耗以及更優(yōu)的外觀成型等優(yōu)點,已在國外加氫反應器的制造中得到較廣泛應用,帶來較好的經(jīng)濟效益。但該技術(shù)在國內(nèi)加氫反應器上的應用卻較少,采用國產(chǎn)單層帶極電渣堆焊焊材的加氫反應器更少[1-3]。

        近幾年,國內(nèi)設計院及焊材廠商都在積極推動單層帶極電渣堆焊焊材的研發(fā)及推廣。按照中石化洛陽工程有限公司《加氫高壓設備用堆焊材料研制工程技術(shù)條件》(簡稱技術(shù)條件)的技術(shù)要求,采用單層帶極電渣堆焊EQ309LNb型焊材進行單層帶極電渣堆焊技術(shù)的焊接工藝評定,并應用于某加氫精制反應器筒體內(nèi)壁堆焊,以下是具體的試驗及應用情況介紹。

        1 產(chǎn)品簡介及試驗條件

        1.1 產(chǎn)品概況

        加氫精制反應器的主要設計參數(shù)見表1。

        表1 加氫精制反應器設計條件

        1.2 焊接工藝評定試驗材料

        試驗母材為12Cr2Mo1R鋼板,規(guī)格為600 mm×350 mm×50 mm,試件化學成分如表2所示。鋼帶和焊劑為:西冶鋼帶XY-309LNb,規(guī)格75 mm×0.4 mm;西冶焊劑XY-AF503;鋼帶化學成分如表3所示。

        表2 12Cr2Mo1R鋼板化學成分 %

        表3 鋼帶化學成分 %

        1.3 焊接試驗方法及要求

        (1)試驗設備為國產(chǎn)十字架帶極堆焊設備,通過預置焊接參數(shù),進行單層帶極電渣堆焊。

        (2)焊接工藝規(guī)范見表4,堆焊前,清理待堆焊面至呈現(xiàn)金屬光澤,并按NB/T 47013.4—2015《承壓設備無損檢測 第4部分:磁粉檢測》進行100%MT檢測,合格。

        表4 單層帶極電渣堆焊工藝規(guī)范

        (3)模擬焊后熱處理(PWHT)工藝:Min.PWHT(690±14) ℃ ×8 h和Max.PWHT(690±14) ℃×32 h,裝爐溫度≤400 ℃,升、降溫速度≤55 ℃/h,試件隨爐冷至400 ℃以下出爐空冷。

        (4)測定堆焊層厚度(技術(shù)條件要求堆焊層厚度不小于5.0 mm)、熔深、稀釋率。

        (5)焊態(tài)及Min.PWHT狀態(tài)下,根據(jù)技術(shù)條件,從堆焊層表面至距表面3.5 mm,每間隔0.5 mm進行堆焊層的化學成分、鐵素體數(shù)(FN)檢測,檢測要求如表5。

        表5 技術(shù)條件規(guī)定堆焊層化學成分(%)及鐵素體數(shù)

        (6)在Max.PWHT狀態(tài)下,進行堆焊層剪切強度、面彎、側(cè)彎和背彎、抗晶間腐蝕試驗、氫致剝離試驗。

        2 試驗結(jié)果與分析

        2.1 焊接工藝性

        單層帶極電渣堆焊焊接過程穩(wěn)定,飛濺小,渣殼整體能夠自動脫落;焊道表面無粘渣、壓坑、咬邊等工藝缺陷,堆焊層焊道之間搭接平整,焊道直線度較好,表面成形美觀,焊道寬度76~80 mm,表面不平度不超過0.3 mm,圖1為堆焊層外觀。

        圖1 堆焊層外觀

        2.2 無損檢測

        在焊態(tài)和Max.PWHT狀態(tài)下,按NB/T 47013—2015第5部分對試件堆焊層表面進行100%PT檢驗,合格;按NB/T 47013—2015第3部分對試件堆焊層與母材結(jié)合面進行100%UT檢驗,合格。

        2.3 堆焊層厚度及熔深檢測

        采用UT測厚的方式檢測堆焊層厚度為5.0~6.0 mm;在堆焊層截面檢測堆焊層厚度為5.0~5.4 mm;在堆焊層截面檢測堆焊層熔深約為0.9 mm,圖2為堆焊層厚度及熔深檢測情況。

        圖2 堆焊層厚度及熔深檢測

        2.4 堆焊層化學成分及鐵素體檢測

        在焊態(tài)及Min.PWHT下,堆焊層化學成分按GB/T 11170—2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》和GB/T 20124—2006《鋼鐵 氮含量的測定 惰性氣體熔融熱導法(常規(guī)方法)》檢測,具體檢測結(jié)果見表6,7;堆焊層鐵素體按GB/T 1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測量方法》采用磁性法檢測,依據(jù)表6,7數(shù)據(jù)按“WRC-1992(FN)圖”(見圖3)計算堆焊層鐵素體數(shù)FN[3],結(jié)果見圖4。

        表6 焊態(tài)下堆焊層化學成分 %

        表7 Min.PWHT狀態(tài)下堆焊層化學成分 %

        圖3 WRC-1992(FN)圖

        圖4 磁性法檢測及WRC-1992法鐵素體數(shù)計算結(jié)果

        由表5~7對比分析可看出,堆焊層化學成分滿足技術(shù)條件的要求;Min.PWHT熱處理工藝對堆焊層化學成分基本無影響;從堆焊層表面至距表面3.5 mm,C元素含量略微趨于增加,Cr,Ni元素含量略微趨于降低,其余元素含量基本無變化,說明堆焊過程中化學元素穩(wěn)定,有利于堆焊層元素含量的控制。

        堆焊層中合金元素的含量因焊接稀釋作用和焊接過程中的氧化燒損,低于鋼帶中合金元素的含量。其中,Ni元素是活性小的合金元素,堆焊過程中基本不參與氧化反應,因此,可通過Ni元素的含量計算堆焊層的稀釋率[4-5]。

        根據(jù)表3、表6數(shù)據(jù)和以下公式[5]計算從堆焊層表面至距表面3.5 mm范圍內(nèi)的最大稀釋率為D=8.9%。

        CO=DCb+(1-D)Cd

        式中CO——元素在堆焊層中的實際質(zhì)量百分含量,%;

        D——稀釋率,%;

        Cb——元素在母材中的質(zhì)量百分含量,%;

        Cd——元素在非稀釋熔敷金屬中的質(zhì)量百分含量,%,以Ni元素為標準計算時,Cd即為鋼帶中Ni元素的質(zhì)量百分含量)。

        由圖4可看出,焊態(tài)及Min.PWHT下,從堆焊層表面至距表面3.5 mm,采用磁性法檢測和“WRC-1992(FN)圖”(見圖3)計算的堆焊層鐵素體均滿足技術(shù)條件FN值介于3~10的要求;從堆焊層表面至距表面2.5 mm,經(jīng)Min.PWHT熱處理,磁性法檢測堆焊層鐵素體數(shù)明顯降低。

        2.5 堆焊層力學性能檢測

        (1)Max.PWHT狀態(tài)下,在試件垂直于焊道方向和平行于焊道方向截取大側(cè)彎(試樣厚度a=10 mm)和小側(cè)彎試樣(試樣厚度a=3 mm)各2件;試件垂直于焊道方向截取面背彎試樣(試樣厚度a=14 mm)各2件,見圖5。按GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》進行常溫彎曲180°試驗,試驗后試樣在堆焊層和熔合線上均無任何目視可見的開口缺陷。

        (2)在Max.PWHT狀態(tài)下,按GB/T 4340—2012《金屬材料 維氏硬度試驗》進行硬度檢測,檢測位置:堆焊層表面4點,在橫截面上距堆焊層與母材結(jié)合面0.5 mm處打第1點;在沿軌跡與結(jié)合面呈30°的直線上,每隔2 mm打1個點,直至上表面和母材,母材至少3個點。技術(shù)條件要求測量值應滿足HV10≤248,具體檢測結(jié)果如表8所示。

        (a)大側(cè)彎試樣 (b)小側(cè)彎試樣

        (c)面彎試樣

        (d)背彎試樣

        圖5 彎曲試樣

        表8 堆焊層硬度檢測結(jié)果

        從表8可以看出,在Max.PWHT狀態(tài)下,堆焊層硬度值HV10<248,滿足技術(shù)要求。

        (3)在Max.PWHT狀態(tài)下,按照GB/T 6396—2008《復合鋼板力學及工藝性能試驗方法》制取剪切試樣2件(見圖6),進行堆焊層與母材結(jié)合面的剪切強度檢測,檢測結(jié)果分別為400,450 MPa。

        圖6 剪切試樣

        2.6 金相分析

        (1)在Max.PWHT狀態(tài)下,按照GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》對堆焊層橫截面進行宏觀金相檢測,試樣經(jīng)冷酸腐蝕法腐蝕后宏觀檢查、在20倍放大鏡下觀察,橫向受檢面未出現(xiàn)裂紋、孔穴、夾雜、未熔合、未焊透等焊接缺欠。

        (2)在Max.PWHT狀態(tài)下,按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》對堆焊層金相組織進行分析。堆焊層及母材熔合良好,母材和熱影響區(qū)金相組織為貝氏體組織,堆焊層金相組織為奧氏體+少量鐵素體,圖7示出各區(qū)域金相組織。

        2.7 晶間腐蝕試驗

        在Max.PWHT狀態(tài)下,將試件堆焊層表面磨平,平行于焊道方向取出厚度3 mm 的試樣2件,按照GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》中硫酸-硫酸銅法試驗進行晶間腐蝕試驗,試樣經(jīng)硫酸-硫酸銅腐蝕后,彎曲180°外表面均未出現(xiàn)晶間腐蝕產(chǎn)生的裂紋,均合格。

        (a)堆焊層及母材熔合線 (b)母材

        (c)熱影響區(qū)

        (d)堆焊層

        圖7 各區(qū)域金相組織

        2.8 氫剝離試驗

        在Max.PWHT狀態(tài)下,制備抗氫剝離試樣1件,試樣規(guī)格?73 mm×45 mm,氫剝離試驗按ASTM G146-01—2007[6]標準進行。具體試驗要求如下。

        (1)第1次循環(huán):充氫壓力20 MPa;升溫速率50 ℃/h;保溫溫度(454±2) ℃;保溫時間48 h;降溫速率(250±5) ℃/h;氫氣純度99.86%;

        (2)第2次循環(huán):充氫壓力20 MPa;升溫速率50 ℃/h;保溫溫度(454±2) ℃;保溫時間48 h;降溫速率(300±5) ℃/h;氫氣純度99.86%;

        試驗結(jié)果表明,在試樣充氫前、第1次循環(huán)結(jié)束、第2次循環(huán)結(jié)束、第2次循環(huán)結(jié)束后48 h和7天后,分別按照ASTM G146-01對堆焊層界面進行超聲波檢測,試樣均未發(fā)現(xiàn)剝離,為合格。

        2.9 小結(jié)

        XY-Q309LNb+XY-AF503焊帶/焊劑組合的焊接工藝性優(yōu)良,表面成形較好;堆焊層厚度不低于5 mm;堆焊層厚度方向階梯化學成分穩(wěn)定,各項理化性能符合技術(shù)條件要求,氫剝離試驗合格。2018年8月,對焊接工藝評定進行工作評審,確認所有試驗結(jié)果符合技術(shù)條件的要求,同意該焊接工藝評定應用于加氫精制反應器筒體內(nèi)壁的堆焊。

        3 產(chǎn)品堆焊及驗收

        根據(jù)上述焊接工藝評定,編制加氫精制反應器的焊接工藝規(guī)程,堆焊過程嚴格執(zhí)行焊接工藝規(guī)范,堆焊時,帶極堆焊設備機頭前部的焊劑堆積高度控制在20~30 mm,機頭后部(即熔池)不可散布焊劑[7]。導電嘴與筒體中心線的距離A為40~60 mm(見圖8)[8],每次起弧位置應避開上一道焊縫的起弧位置,兩次的起弧位置至少錯開30 mm左右。圖9~13為加氫精制反應器內(nèi)壁堆焊層外觀及部分檢測現(xiàn)場圖。

        圖8 堆焊時導電嘴的位置

        圖9 筒體內(nèi)壁堆焊

        加氫精制反應器內(nèi)壁堆焊層堆焊后按NB/T 47013—2015第5部分對堆焊層表面進行100% PT檢驗,合格;堆焊層堆焊后及PWHT后按NB/T 47013—2015第3部分對堆焊層與母材結(jié)合面進行100% UT檢驗,合格。

        圖10 筒體內(nèi)壁焊道外觀

        圖11 堆焊層PT檢測

        加氫精制反應器內(nèi)壁堆焊層堆焊后按GB/T 1954—2008對堆焊層表面進行鐵素體檢測,鐵素體數(shù)FN檢測結(jié)果介于3.0~8.0之間,主要集中在4.0~6.0范圍內(nèi);加氫精制反應器經(jīng)PWHT后,采用磁性法對堆焊層表面進行鐵素體檢測,PWHT后鐵素體數(shù)FN檢測結(jié)果介于3.0~5.0之間,主要集中在3.0~4.5范圍內(nèi);檢測結(jié)果均滿足技術(shù)條件要求,見圖14。

        圖12 堆焊層鐵素體焊后檢測

        圖13 堆焊層最終退火熱處理后鐵素體檢測

        (a)堆焊后 (b)PWHT后

        圖14 產(chǎn)品鐵素體檢測

        采用專用取樣工具從加氫精制反應器內(nèi)壁堆焊層制取屑狀試樣進行分析[9],制取鐵屑位置應在堆焊層表面至距離表面3.5 mm范圍內(nèi),堆焊層化學成分按SN/T 2718—2010《不銹鋼化學成分測定 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》、GB/T 20123—2006《鋼鐵 總碳硫含量的測定 高頻感應爐燃燒后紅外吸收法(常規(guī)方法)》及GB/T 20124—2006《鋼鐵 氮含量的測定 惰性氣體熔融熱導法(常規(guī)方法)》檢測,按圖3計算堆焊層鐵素體數(shù)FN,檢測結(jié)果見表9。

        表9 產(chǎn)品堆焊層化學成分(%)及鐵素體數(shù)

        由表5、表9對比分析可知,產(chǎn)品堆焊層化學成分及鐵素體滿足技術(shù)條件要求。

        采用UT測厚的方法,對加氫精制反應器內(nèi)壁堆焊層進行厚度檢測,檢測結(jié)果為5.1~5.7 mm,滿足技術(shù)條件要求;按GB/T 17394—2014《金屬材料 里氏硬度試驗》對加氫精制反應器內(nèi)壁堆焊層進行硬度檢測,檢測結(jié)果為170~185HV10,滿足技術(shù)條件要求。

        2018年12月,經(jīng)評審各項質(zhì)量指標,確認加氫精制反應器制造過程及各項質(zhì)量指標均滿足設計技術(shù)要求,同意該加氫精制反應器出廠。

        4 結(jié)語

        (1)采用國產(chǎn)單層帶極電渣堆焊焊材進行單層帶極電渣堆焊工藝評定,焊接工藝性、堆焊層的力學性能、堆焊層厚度方向階梯化學成分及鐵素體數(shù)等均能夠滿足相關(guān)技術(shù)要求;

        (2)加氫精制反應器在制造過程中嚴格按照焊接工藝規(guī)程的要求進行焊接,未發(fā)現(xiàn)異?,F(xiàn)象;堆焊層的無損檢測結(jié)果說明產(chǎn)品堆焊層沒有出現(xiàn)焊接缺陷,堆焊焊材可焊性較好,鋼帶與焊劑的匹配性良好。

        (3)采用國產(chǎn)單層帶極電渣堆焊焊材進行加氫精制反應器筒體內(nèi)壁堆焊層大面積堆焊過程中,焊接質(zhì)量穩(wěn)定,表面成型平整、美觀、焊道直線度較好,單層堆焊厚度不低于5 mm;產(chǎn)品堆焊層的化學成分、硬度、PWHT前后鐵素體數(shù)FN、無損檢測,結(jié)果均滿足加氫精致反應器堆焊技術(shù)條件的要求。

        (4)國產(chǎn)單層帶極電渣堆焊工藝評定及在加氫精制反應器制造中的應用,通過了驗收,加氫精致反應器達到出廠條件,推動了國產(chǎn)單層帶極電渣堆焊焊材在加氫等臨氫高壓容器上的應用。

        致謝:特別感謝中石化洛陽工程有限公司、四川西冶新材料股份有限公司給予該加氫精制反應器制造的技術(shù)支持和指導。

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