張國(guó)強(qiáng)，孫寶財(cái)，張正棠，張官正

(1.甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，甘肅 蘭州 730050； 2.甘肅睿軒科技咨詢有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

目前，隨著石油化工產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷提高，煉油化工行業(yè)對(duì)加氫反應(yīng)器的需求也越來(lái)越大。加氫反應(yīng)器主要采用鍛焊結(jié)構(gòu)和板焊結(jié)構(gòu)，一般由具有高強(qiáng)度、高韌性、優(yōu)良抗氫能力的CrMoV低合金高強(qiáng)度鋼制造[1]。隨著壓力容器大型化的整體發(fā)展趨勢(shì)，其重量和壁厚也在不斷增加，這就對(duì)壓力容器的設(shè)計(jì)和制造提出了嚴(yán)格的要求。近年來(lái)在CrMo鋼中添加V進(jìn)行鋼種的改進(jìn)是主要的發(fā)展趨勢(shì)，使其具有更高的強(qiáng)度、韌性和抗氫能力[2-3]。2.25Cr-1Mo-0.25V鋼具有很多優(yōu)良性能，但其沖擊吸收能量極低[4-5]，所以用此材料的生產(chǎn)的加氫反應(yīng)器壁厚較厚，焊后不可避免地會(huì)出現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力，故焊后必須進(jìn)行熱處理來(lái)消除殘余應(yīng)力[6-9]。

筆者結(jié)合某公司的生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)，以2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛焊精制加氫反應(yīng)器為例，介紹了2.25Cr-1Mo-0.25V鋼在各個(gè)環(huán)節(jié)提出了工藝改進(jìn)及優(yōu)化措施及不同結(jié)構(gòu)在不同焊接階段的注意事項(xiàng)，通過(guò)對(duì)焊接接頭夏比沖擊試驗(yàn)和拉伸力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，主體A、B類焊縫性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。有效減少了裂紋的產(chǎn)生，通過(guò)RT檢測(cè)焊縫一次合格率大幅提高，同時(shí)綜合考慮焊接工藝和熱處理工藝對(duì)加氫反應(yīng)器的影響，提高了焊接接頭的綜合性能，為加氫反應(yīng)器的成功制備提供了參考。

1 設(shè)備及材料的焊接性能分析

1.1 設(shè)備規(guī)格介紹

設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1所列。

表1 設(shè)備參數(shù)

設(shè)備立式安裝總高29 068 mm，規(guī)格：Φ3213 mm×18 783 mm×(150+6.5)mm(筒體)/(114+6.5)mm(封頭)，體積169m3。設(shè)備主要受壓元件材料為2.25Cr-1Mo-0.25V，金屬質(zhì)量為325 393 kg。

1.2 化學(xué)成分分析

2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛件化學(xué)成分如表2所示，并與ASME SA-182、SA-336標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)值作對(duì)比，驗(yàn)證材料的適用性。

表2 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛件的化學(xué)成分%

其中，回火脆性敏感系數(shù)滿足如下要求：

X=(10P+5Sb+4Sn+As)×10-2

(1)

式中：元素以ppm含量帶入，如0.01%應(yīng)以100 ppm代入，滿足X≤12 ppm。

J=(Si+Mn)(P+Sn)×104≤100

(2)

式中：元素以重量百分?jǐn)?shù)含量帶入，如0.15%應(yīng)以0.15代入，滿足J目標(biāo)值≤80。

從表2數(shù)據(jù)可以看出，2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛件的化學(xué)成分符合ASME SA-336、SA-182標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)數(shù)值，材料符合要求。

1.3 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊接特點(diǎn)

(1) 硬而脆 由于加入了Cr、Mo合金元素，提高材料強(qiáng)度硬度的同時(shí)，鋼的脆性也提高了。

(2) 易產(chǎn)生熱裂紋 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼極易形成低熔點(diǎn)碳化物，使焊接接頭處由于過(guò)熱而具有再熱裂紋傾向，溫度控制稍有不慎就會(huì)產(chǎn)生熱裂紋。在回火溫度350～500 ℃范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間加熱后，一些元素在游離過(guò)程中向奧氏體晶界偏析，降低強(qiáng)度。故合理的焊接工藝及熱處理工藝是保證2.25Cr-1Mo-0.25V鋼性能的關(guān)鍵因素。

1.4 焊接材料和焊接方法的選用

考慮到設(shè)備母材成分及所需接頭的性能，本設(shè)備采用埋弧自動(dòng)焊與手工電弧焊相結(jié)合的焊接方法?？紤]等強(qiáng)匹配原則并兼顧高溫下抗氫裂能力，手工電弧焊(SMAW)采用焊條為低氫型耐熱鋼焊條CM-A106HD。埋弧自動(dòng)焊焊絲采用US-521H+PF-500，焊劑采用二氧化硅含量極少的帶氟堿型，提高接頭韌性，降低回火脆性。

2 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應(yīng)器焊接過(guò)程

2.1 接管法蘭與殼體對(duì)接接頭焊接

2.1.1 焊接工藝及改進(jìn)措施

該部位焊接工藝過(guò)程為：打底焊采用手工電弧焊，用直徑為φ5.0 mm的CM-A106HD焊條，電源直流反接，電流200-220A，電壓24～26 V，焊接速度≥9.6 m/h；填充焊及蓋面焊采用手工電弧焊，填充焊采用E309L焊材、蓋面焊采用E347L焊材，電源直流反接，電流180～210 A，電壓22～26 V，焊接速度≥10.2 m/h。埋弧自動(dòng)焊時(shí)，焊材選用US-521H+PF-500型焊絲，焊絲直徑為φ4.0 mm，直流反接電源，電流450～550 A，電壓28～32 V，焊接速度≥26 m/h。同時(shí)，由于殼體較厚，較以往單一溫度預(yù)熱工藝，本文采在不同焊接階段采用不同的預(yù)熱溫度的優(yōu)化措施，在接管與殼體焊接時(shí)首先進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制為≥180 ℃(打底)，≥150 ℃(填充)，≥15 ℃(蓋面)，并且預(yù)熱的范圍在坡口兩邊寬度≥150 mm，嚴(yán)格控制焊接過(guò)程中層間溫度并做好后熱處理及探傷。

2.1.2 注意事項(xiàng)

(1) 焊前檢查焊材牌號(hào)及規(guī)格，保證焊材處于烘干潔凈狀態(tài)。

(2) 進(jìn)行坡口加工，為提高焊接效率并且便于清根處理，結(jié)構(gòu)尺寸采用圖1所示馬鞍焊接頭，進(jìn)行除油、除銹。

圖1 法蘭與殼體接頭示意圖

(3) 打底焊接之后采用碳弧氣刨清根處理，并對(duì)待焊坡口進(jìn)行打磨。

(4) 為防止飛濺對(duì)板材表面的損傷，坡口兩側(cè)150 mm范圍內(nèi)涂抹白堊粉。

2.2 筒體與封頭、封頭與過(guò)渡段間環(huán)向接頭

2.2.1 焊接工藝及改進(jìn)措施

筒體與封頭及過(guò)渡段間的焊縫均為環(huán)縫，考慮到坡口尺寸比較大，焊接工作量較大，較以往內(nèi)部焊縫采用手工電弧焊方法，本文在該部位內(nèi)部采用埋弧焊，焊材用直徑為φ4.0 mm的US-521H+PF-500，電源采用交流電，電流450～550 A，電壓30～32 V，焊接速度≥26 m/h。填充和蓋面采用手工電弧焊，填充焊采用E309L焊條、蓋面焊焊材采用E347L焊條，電源直流反接，電流180～210 A，電壓22～26 V，焊接速度≥10.2 m/h。外部采用焊材為φ4.0mm的US-521H+PF-500埋弧自動(dòng)焊，交流電源，電流450～550A，電壓30～32 V，焊接速度≥26 m/h。由于殼體、封頭、過(guò)渡段壁厚較厚，在焊接時(shí)首先預(yù)熱，控制預(yù)熱溫度為≥180 ℃(打底)，≥150 ℃(填充)，≥15 ℃(蓋面)，并且預(yù)熱的范圍為坡口兩邊寬度≥150 mm，并不小于母材的厚度，預(yù)熱均勻。嚴(yán)格控制焊接過(guò)程打底焊(180～250) ℃，填充焊(180～250)℃，蓋面焊(15～100)℃層間溫度，并做好后熱處理及探傷。

2.2.2 注意事項(xiàng)

(1) 焊前檢查焊材牌號(hào)及規(guī)格，保證焊材處于烘干潔凈狀態(tài)。

(2) 為保證焊透，提高焊縫融合率并且便于清根處理，筒體與封頭及封頭與過(guò)渡段采用如圖2所示U型坡口，進(jìn)行油污、鐵銹去除。

圖2 U形坡口示意圖

(3) 采用碳弧氣刨清根并對(duì)坡口打磨光滑。

(4) 在內(nèi)表面焊接前，焊縫兩邊涂抹白堊粉。

(5) 采用手工電弧焊焊接封頭與過(guò)渡段中間的環(huán)焊縫。

2.3 凸臺(tái)堆焊

2.3.1 焊接工藝及改進(jìn)措施

凸臺(tái)堆焊工作量是整臺(tái)設(shè)備焊接中工作量最大一步，為提高工作效率在該部位先用手工電弧焊打底，再用埋弧自動(dòng)焊進(jìn)行堆焊。為了保證凸臺(tái)堆焊與母材基體融合良好，在堆焊之前進(jìn)行預(yù)熱，控制預(yù)熱溫度≥180 ℃，預(yù)熱均勻且持續(xù)加熱，保持焊接層間溫度在180～250 ℃，凸臺(tái)堆焊至1/2堆焊層時(shí)，本文提出采用中間消氫退火處理工藝措施，保證堆焊層的強(qiáng)度要求。

2.3.2 注意事項(xiàng)

(1) 焊前檢查焊材牌號(hào)及規(guī)格，保證焊材處于烘干潔凈狀態(tài)。

(2) 在凸臺(tái)堆焊開(kāi)始之前首先進(jìn)行表面清理，并做MT檢測(cè)，確保MT合格后方可進(jìn)行下道工序。

(3) 在手工電弧焊打底結(jié)束后，清除待堆焊工件表面焊渣。

(4) 凸臺(tái)堆焊至1/2高度時(shí)進(jìn)行爐內(nèi)退火，并進(jìn)行預(yù)探傷，待全部堆焊結(jié)束后再進(jìn)行爐內(nèi)退火，中間退火不可省略。

(5) 為防止飛濺對(duì)板材表面的損傷，坡口兩側(cè)150 mm范圍內(nèi)涂抹白堊粉。

3 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊接接頭性能試驗(yàn)

3.1 夏比沖擊試驗(yàn)

由于加氫反應(yīng)器壁厚較厚，加入了Cr、Mo合金元素，為驗(yàn)證焊接接頭回火脆化傾向性是否滿足要求，對(duì)筒體、過(guò)渡段、人孔法蘭焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)、母材區(qū)域進(jìn)行-30 ℃夏比(V型缺口)沖擊試驗(yàn)，每個(gè)部位取3個(gè)試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試樣尺寸為10×10×55 mm。試驗(yàn)結(jié)果如表3所列。

表3 夏比(V型缺口)沖擊試驗(yàn)結(jié)果 /J

ASME SA-370標(biāo)準(zhǔn)要求V 型缺口夏比沖擊功 KV2(-30 ℃)，三個(gè)試樣平均沖擊功≥54 J，單個(gè)試樣沖擊功最低值≥48 J，滿足交貨要求，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的工藝能夠焊制沖擊功滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的焊接接頭。

3.2 拉伸力學(xué)性能

焊接接頭性能測(cè)試還包括在室溫和在設(shè)計(jì)溫度下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)采用改進(jìn)的焊接和熱處理工藝焊制的焊接接頭制備拉伸試樣，試樣數(shù)量和取樣位置按照GB/T228.1和GB/T4338標(biāo)準(zhǔn)要求制備室溫和450℃高溫拉伸試樣，分別制備3組。表4為室溫和450 ℃高溫下焊接接頭拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

表4 室溫和高溫下拉伸試驗(yàn)結(jié)果 /MPa

GB/T228.1標(biāo)準(zhǔn)要求室溫下拉伸強(qiáng)度590～760 MPa，屈服強(qiáng)度420～620 MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。GB/T4338標(biāo)準(zhǔn)要求450℃高溫下拉伸強(qiáng)度≥509 MPa，屈服強(qiáng)度≥340 MPa，經(jīng)過(guò)工藝優(yōu)化的焊接接頭力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 焊接接頭RT檢測(cè)

由于2.25Cr-1Mo-0.25V鋼具有硬而脆的特點(diǎn)，且板厚較厚，易在焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋，帶有焊接缺陷的焊接接頭在服役過(guò)程中易造成嚴(yán)重后果，因此在焊接完成熱處理前后，均需對(duì)焊制的接頭進(jìn)行100%RT檢測(cè)，確保焊接接頭無(wú)超標(biāo)缺陷，尤其是由于加氫反應(yīng)器用鋼特性引起的裂紋類缺陷。對(duì)加工完成的主體焊縫進(jìn)行射線檢測(cè)，共檢測(cè)法蘭與殼體、筒體與封頭及過(guò)渡段焊縫58條，一次合格57條，主體焊縫一次合格率為97%以上。較改進(jìn)之前一次合格率80%有較大提升，提高了設(shè)備制備成功率，減少了返修對(duì)材料性能的影響，提高了生產(chǎn)效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜合考慮加氫反應(yīng)器制備過(guò)程中焊接及熱處理工藝對(duì)焊接質(zhì)量的影響，在制備2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應(yīng)器不同部件不同階段的注意事項(xiàng)，通過(guò)對(duì)采用優(yōu)化的工藝焊制的焊接接頭進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)和拉伸力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明焊接接頭具有優(yōu)良的力學(xué)性能，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并對(duì)主體焊縫經(jīng)RT檢測(cè)，一次合格率為97%以上，提高了生產(chǎn)效率，有效減少了裂紋的產(chǎn)生。