李偉，邊境，王學東，姜澎，王立志，崔曉東

摘要：研發(fā)的加氫反應器用不銹鋼帶極堆焊JWF304D、JWF205D焊劑具有優(yōu)良的焊接工藝性能，適用于30～90 mm寬焊帶施焊。可根據(jù)不同的制造工藝進行調整，適用于多種制造工藝堆焊。焊接時飛濺?。ㄡ槍τ陔娫福⒚撛鼉?yōu)良、焊道成形質量好。埋弧焊用焊劑JWF304D焊接參數(shù)調整范圍大，不但適合于90 mm寬帶大電流焊接，而且適合小電流薄層快速焊。電渣焊用焊劑JWF205D可實現(xiàn)快速堆焊，在電流、電壓適宜的情況下，堆焊速度可達27 cm/min，提高了生產效率。兩種焊劑均實現(xiàn)了一劑多帶，可配合EQ309L、EQ308L、EQ347L等多種型號不銹鋼焊帶使用，所得堆焊層的化學成分及各項性能指標均符合相關標準規(guī)定及用戶技術協(xié)議要求。

關鍵詞：不銹鋼帶極電渣焊;不銹鋼帶極埋弧焊;燒結焊劑;焊劑渣系;氫剝離試驗

中圖分類號：TG421? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）10-0037-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.07

0? ? 前言

加氫反應器是現(xiàn)代煉油工業(yè)的重大關鍵設備，主要用于石油煉制或重質油的加氫裂化、加氫精制以及催化重整、脫硫、脫除重金屬等工藝過程[1]。加氫處理工藝是改變油品性質、降低石油產品中的硫含量以及調整產品結構的重要手段。常見的加氫處理工藝是加氫脫硫或加氫裂化過程。加氫脫硫的基本目標是將原材料中的硫和氮分別轉化為H2S和NH3。由于重質油的加氫、裂化和異構化反應是在高溫（250 ℃～450 ℃）、高壓（8.0～18.0 MPa）下發(fā)生的，所以相較于其他煉油裝置，加氫裝置有其特殊性和嚴重性。其中，氫脆、氫腐蝕和連多硫酸腐蝕等是加氫反應器在使用過程中的主要破壞因素，尤其是連多硫酸腐蝕嚴重影響加氫反應器的使用壽命。反應裝置大多采用鉻鉬鋼（2.25Cr-1Mo或2.25Cr-1Mo-0.25V）作為主體材料，在沒有保護措施的情況下，筒壁內表面將迅速發(fā)生均勻的一般腐蝕，不但會減少反應器的使用壽命，而且腐蝕產物將污染石油制品，影響石油制品的質量。

目前，國際上對于上述各種腐蝕的應對措施是在加氫反應器主筒體內壁堆焊奧氏體不銹鋼。研究表明，容器內壁采用奧氏體不銹鋼堆焊層可有效防止H2S對鉻鉬鋼的腐蝕。從耐蝕和制造角度考慮，接觸介質的堆焊層材質最好選用含Nb的347型不銹鋼[2]，與母材接觸的過渡層為了防止合金成分被稀釋而使用合金成分含量較高的309型不銹鋼。

1 焊劑的研制

1.1 渣系設計

具體配方設計應兼顧考慮焊接的工藝性能和內在性能。影響堆焊層金屬彎曲、耐蝕及抗氫剝離性能的根本原因是：堆焊金屬合金元素配比不當造成的鐵素體含量過高或過低及堆焊層硫磷含量過高。在配方設計時應重點考慮上述因素，控制焊劑熔渣的堿度，保證堆焊金屬中合金元素Cr、Ni、Nb等含量，抑制S、P等雜質元素的過渡，從而提高堆焊金屬的綜合性能。

1.1.1 不銹鋼帶極埋弧堆焊焊劑JWF304D

埋弧帶極堆焊焊劑應具有合適的熔點，熔點太高，熔渣凝固太早，易造成壓坑;熔點太低，焊道成型不好[3]。針對不銹鋼焊帶中合金元素含量高、易氧化燒損和熱裂傾向大的特點，帶極埋弧堆焊焊劑JWF304D選用氧化性小、堿度適宜的CaF2-MgO-CaO-SiO2焊劑渣系，通過調整多種復合氧化物原材料配比，優(yōu)化焊劑的焊接工藝性能。加入適量的長石、云母、陶土等含有易電離穩(wěn)弧元素原材料進行調整，通過大量對比試驗得到焊劑配方中礦物成分的配比，并添加適量合金元素，從而確定JWF304D焊劑配方。

1.1.2 不銹鋼帶極電渣堆焊焊劑JWF205D

帶極電渣堆焊是通過熔渣產生的電阻熱來熔化焊帶和母材，從而實現(xiàn)堆焊的過程，與帶極埋弧堆焊相比，其特點為堆焊效率高，稀釋率約為10%。電渣焊焊劑最重要的技術要求為：焊接開始時，可迅速由電弧過程轉變?yōu)殡娫^程，且在焊接過程中保持穩(wěn)定的電渣過程，焊后脫渣容易，焊縫成形好?；谏鲜鲂枨?，最終確定采用CaF2-Al2O3-CaO-SiO2氟堿型渣系，加入適量冰晶石、硅灰石等復合氧化物進行調整，優(yōu)化焊劑的焊接工藝性能。通過大量對比試驗，確定焊劑配方中礦物成分的配比，形成JWF205D焊劑配方。

1.2 渣系中各組分及其作用

CaF2屬于堿性氟化物，熔點相對較低，是強稀釋劑，可提高渣的流動性，使焊縫中的氣體易于逸出，并具有脫硫、脫氫等作用。CaF2還可提高熔渣的堿度，從而提高焊縫金屬的沖擊韌性[4]。CaF2在高溫作用下能與SiO2反應生成SiF4氣體，而SiF4氣體能排除電弧區(qū)的氫氣，防止氫溶解于金屬中，減少氣孔產生。

MgO和Al2O3主要作為造渣劑加入。高熔點的MgO和Al2O3會提高渣殼的粘性，降低渣的流動性，并限制熔渣的流動，影響焊縫成形。堿性氧化物可提高熔渣堿度，從而提高焊縫金屬的沖擊韌性。

CaO、SiO2主要起平衡焊劑酸堿度及造渣的作用。堿性氧化物CaO可提高焊接熔渣的堿度，改善堆焊層熔敷金屬的沖擊韌性。SiO2屬于酸性氧化物，會降低熔渣的堿度，具有調整熔渣流動性、細化熔滴和改善焊縫成形的作用。

1.3 焊劑配方的確定

經系統(tǒng)對比試驗確定了各組分的添加范圍及合金元素加入量，形成了不銹鋼帶極埋弧焊焊劑JWF304D的配方，如表1所示;不銹鋼帶極電渣焊焊劑JWF205D的配方，如表2所示。

2 焊劑的焊接參數(shù)及工藝性能

研制的用于不銹鋼堆焊的JWF304D、JWF205D焊劑具有優(yōu)良的焊接工藝性能，適用于30～90 mm寬焊帶施焊?？筛鶕?jù)不同的制造工藝進行調整，適用于多種制造工藝堆焊，焊接時飛濺?。ㄡ槍﹄娫福?、脫渣優(yōu)良、焊道成型質量好。埋弧焊用焊劑JWF304D焊接參數(shù)調整范圍大，不但適合于90 mm寬帶大電流焊接，也適合小電流薄層快速焊。電渣焊用焊劑JWF205D可實現(xiàn)快速堆焊，在合適的電流、電壓下，堆焊速度可達27 cm/min，提高了生產效率。此外，單層電渣堆焊可配合EQ309LNb焊帶，單層堆焊層厚度可達5.0 mm以上，堆焊層成分符合NB/T 47018中FZ347-D的要求。兩種焊劑均實現(xiàn)了一劑多帶，可配合EQ309L、EQ308L、EQ347L等多種型號不銹鋼焊帶使用。根據(jù)制造廠加氫反應器內壁堆焊的焊接工藝要求，采用雙埋弧、埋弧打底+電渣蓋面及單層電渣堆焊的焊接方法分別制備試樣并進行相關試驗，焊劑和焊帶使用組合如表3所示，堆焊焊道成型如圖1所示，焊接工藝參數(shù)如表4所示。

3 典型堆焊層組織及性能分析

堆焊用母材為12Cr2.25Mo1R耐熱鋼鋼板。分別對耐蝕層表面以下3 mm內進行取樣，然后進行化學分析，化學成分如表5所示。

3.1 鐵素體含量

對于加氫反應器堆焊而言，堆焊層成分設計主要是將耐蝕層的鐵素體含量嚴格控制在3%～8%[5]。堆焊層中鐵素體含量過少，易出現(xiàn)熱裂紋，適量的鐵素體可增大晶界數(shù)量，打亂結晶方向，防止熱裂紋的產生;同時鐵素體還起到抑制奧氏體晶粒長大的作用。但在設備高溫運行時，堆焊層的鐵素體易析出脆性的σ相，過多的鐵素體會引起堆焊層脆化，影響設備的安全運行[6]。由表5的化學成分，根據(jù)Delong圖、WRC-1992圖以及采用磁針法測試得出的鐵素體含量如表6所示。由表6可知，所得堆焊蓋面層的鐵素體含量均在3%～8%范圍內，符合設計要求。

3.2 堆焊層顯微組織和力學性能

雙埋弧堆焊層金相組織如圖2所示。由圖2可知，雙埋弧堆焊蓋面層由大量γ相柱狀晶和δ相枝狀晶組織組成，打底層與蓋面層熔合區(qū)的組織均勻而致密（見圖2c）;打底層與母材熔合良好（見圖2d）。

埋弧打底+電渣蓋面堆焊層在焊態(tài)條件下的金相組織如圖3所示，可以看出，埋弧打底+電渣蓋面堆焊層金相組織與雙埋弧堆焊層金相組織一致。

綜合比較發(fā)現(xiàn)，雙埋弧和埋弧打底+電渣蓋面制備的堆焊層在焊態(tài)條件下的微觀組織較為接近，其蓋面層均由大量γ相柱狀晶和δ相枝狀晶組織組成。奧氏體焊縫中δ相具有以下作用：①可以打亂單一γ相柱狀晶的方向性，不致形成連續(xù)貧Cr層;②δ相富Cr，有良好的供Cr條件，可減少γ晶粒形成貧Cr層。由此減小了晶間碳化物沉淀的可能性，提高了不銹鋼焊縫抗晶間腐蝕的能力。同時，奧氏體不銹鋼焊縫中少量δ相鐵素體的存在會降低焊縫金屬的裂紋敏感性，同時提高焊縫的強度。

將三種堆焊方法獲得的試件經690 ℃×32 h熱處理后進行縱向和橫向側彎試驗，均未見彎曲裂紋。

3.3 堆焊層的物相分析試驗

對焊態(tài)下的雙埋弧堆焊層與單層電渣焊堆焊層進行物相分析試驗，采用布魯克D8 ADVANCE X射線衍射儀，Co靶，管電流40 mA、管電壓35 kV，積分時間 0.4 s，Lynxeye XE探測器。試驗結果表明，三種不同的堆焊方法對堆焊層表面金屬的物相組成沒有影響。

3.4 堆焊層晶間腐蝕試驗

對熱處理（690 ℃×32 h）后的堆焊層試樣進行加工，并按照GB/T4334方法E的評定標準進行晶間腐蝕試驗，在加有銅屑的硫酸—硫酸銅溶液中經16 h連續(xù)煮沸后，彎曲180°檢查。測試結果表明，雙埋弧、埋弧打底+電渣蓋面和單層電渣焊的堆焊層均無晶間腐蝕傾向。

3.5 堆焊層金屬的均勻電化學腐蝕試驗

按照國標 GB/T17899，試樣表面用環(huán)氧樹脂涂覆非測試面，露出測試面積1 cm2。試驗腐蝕介質采用3.5%NaCl溶液，酸性溶液中參比電極采用甘汞電極，輔助電極用石墨電極。工作電極有效面積1 cm2，掃描范圍為-1.2～1.2 V，掃描速度2.00 mV/s，試驗結果如圖4所示。

雙埋弧堆焊層金屬腐蝕電壓為-0.496 V，腐蝕電流密度為0.016 14 A/cm2，腐蝕速率0.188 8 mm/a。

由圖4可知，堆焊層金屬存在著兩個鈍化區(qū)間，在

-300 mV 左右腐蝕電流密度減小并維持，到 0 mV 時電流密度增大，在 100 mV 時又出現(xiàn)減小，直到650 mV 時又出現(xiàn)突然增大，堆焊層金屬有很高的擊穿電位為 650 mV。堆焊層金屬的陽極極化曲線出現(xiàn)反復鈍化區(qū)間，說明開始時鈍化膜遭到破環(huán)，但很快又有新的鈍化膜生成，使表面達到鈍化狀態(tài)。且堆焊層金屬的腐蝕電位較高，在電化學腐蝕過程中表現(xiàn)出較好的耐蝕性能。

3.6 堆焊層的硬度試驗

取熱處理（690 ℃×32 h）后的雙埋弧、埋弧+電渣、單層電渣堆焊層的母材、熱影響區(qū)、過渡層、耐蝕層各3點進行HV硬度測量，取點位置如圖5所示，測量結果如表7所示。

3.7 堆焊層熔敷金屬的氫剝離試驗

在高溫、高壓及氫介質中使用的反應器停止運行時，有時沿母材和不銹鋼堆焊層的界面處會產生裂紋，一般稱為氫剝離裂紋。堆焊層的抗氫剝離性能是衡量堆焊層焊接質量的重要指標之一。

為此，金威焊材委托中油撫順石化設備檢測監(jiān)理研究中心（試驗程序與驗收部分參照ASTM：G146-01）對金威牌不銹鋼帶極雙層埋弧堆焊所得材料進行了氫剝離試驗，具體試驗記錄如表8所示。

4 產品應用實例

文中所研制的加氫反應器用不銹鋼帶極堆焊焊劑可配合多種類型的不銹鋼焊帶單層堆焊或雙層堆焊使用，產品已經大量生產并成功應用于多家大型石化設備制造廠，用戶反映良好，圖6為用戶焊接現(xiàn)場實例。

5 結論

（1）研制的加氫反應器用不銹鋼帶極堆焊焊材其堆焊層化學成分和力學性能符合GB/T36037、NB/T47018標準和相關技術協(xié)議的要求，達到了預定研制目標。

（2）不銹鋼堆焊的JWF304D、JWF205D焊劑有優(yōu)良的焊接工藝性能，焊接時飛濺小、脫渣優(yōu)良、焊道成型質量好;實現(xiàn)了一劑多帶，可配合EQ309L、EQ308L、EQ347L等多種型號不銹鋼焊帶使用。

（3）研發(fā)的加氫反應器用不銹鋼帶極堆焊JWF304D、JWF205D焊劑，已成功應用于石化設備等領域大型設備的焊接。

參考文獻：

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