李凌,郭瀟瀟,忻紅波,虞世君

(鎮(zhèn)海石化建安工程股份有限公司，浙江 寧波 315200)

0 前言

單層帶極堆焊在高效率、低成本方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用前景廣闊，但單層帶極堆焊技術(shù)對(duì)堆焊材料和堆焊工藝都有著較高的要求[1]。目前，國(guó)外單層帶極堆焊技術(shù)已日趨成熟，逐漸成為加氫設(shè)備殼體內(nèi)壁堆焊的主流趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)加氫設(shè)備內(nèi)壁堆焊運(yùn)用并不多，通常單層堆焊厚度規(guī)定在4.0～4.5 mm范圍[2]。筆者公司承接的某項(xiàng)目要求單層堆焊厚度達(dá)5～7 mm范圍，難度較大。眾所周知，隨著堆焊厚度的增加，焊道搭接部位越易產(chǎn)生夾渣和未熔合等焊接缺陷；與此同時(shí)，堆焊厚度的增大，所需焊接電流較大，熔深加深，稀釋率也有所增加，堆焊層鐵素體含量會(huì)隨之提高，因此在保證堆焊層表面鐵素體數(shù)達(dá)5~10 FN前提下，提高堆焊層厚度，需要制定較優(yōu)的焊接工藝參數(shù)[3]。通過(guò)理論及試驗(yàn)相結(jié)合的方法，在加氫設(shè)備常用的14Cr1MoR(H)和12Cr2Mo1R(H)兩種材料上進(jìn)行堆焊試驗(yàn)，并通過(guò)試件的試驗(yàn)分析，確定焊接工藝參數(shù)[4]。

1 工藝試驗(yàn)

1.1 帶極堆焊方法及材料選擇

綜合考慮電弧型與電渣型堆焊方法優(yōu)缺點(diǎn)，試驗(yàn)選擇電渣堆焊[5]。堆焊試驗(yàn)焊材選用德國(guó)伯合樂(lè)品牌，焊帶牌號(hào)為SOUDOTAPE21.11 LNB，焊劑牌號(hào)為RECORD EST122，化學(xué)成分分別見表1和表2。焊帶規(guī)格為0.5 mm × 60 mm。

表1 焊帶SOUDOTAPE21.11 LNB化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù),%）

表2 焊劑RECORD EST122化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù),%）

1.2 帶極堆焊設(shè)備選擇

設(shè)備試驗(yàn)采用美國(guó)LINCOLIN焊接設(shè)備，DC-1500 A直流平特性電源。

1.3 焊接工藝確定

1.3.1 焊接工藝參數(shù)選擇

單層帶極堆焊焊接參數(shù)對(duì)堆焊質(zhì)量有較大影響，試驗(yàn)焊接工藝參數(shù)通過(guò)焊接試驗(yàn)確定，當(dāng)焊接電流在1 100～1 400 A范圍內(nèi)，單層堆焊厚度可達(dá)到5 mm以上，焊縫成形質(zhì)量及堆焊層的鐵素體含量控制能得以保證。電弧電壓選擇在22～28 V范圍內(nèi)，焊道成形良好，堆焊時(shí)的渣池穩(wěn)定。焊接速度控制在140～180 cm/min時(shí)，能夠保證達(dá)到單層堆焊厚度的最低要求，同時(shí)也能保證相鄰焊道熔合良好[6]。

1.3.2 帶極伸出長(zhǎng)度選擇

單層帶極堆焊工藝中，帶極伸出長(zhǎng)度對(duì)堆焊層厚度及堆焊質(zhì)量有直接影響，隨著帶極伸出長(zhǎng)度，電阻熱不斷增大，鋼帶熔化速度加快，堆焊層厚度相應(yīng)增加，但帶極伸出長(zhǎng)度并不是越長(zhǎng)越好，較長(zhǎng)的帶極伸出長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致引弧困難，電弧不穩(wěn)定等問(wèn)題。試驗(yàn)通過(guò)參考前人經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)，決定選用帶極伸出長(zhǎng)度為25～45 mm，為有效引弧，堆焊前將焊帶端部剪成110°～130°錐形或20°～30°尖角。

1.3.3 焊道搭接量選擇

焊道搭接量在單層帶極堆焊過(guò)程中，主要影響堆焊層平直度，當(dāng)相鄰焊道搭接量偏小，可能導(dǎo)致咬邊，堆焊層平面度不符合要求等質(zhì)量問(wèn)題，當(dāng)該值偏大，易于產(chǎn)生夾渣缺陷且會(huì)造成材料浪費(fèi)。試驗(yàn)搭接量要求為6～10 mm。

1.3.4 焊劑覆蓋厚度選擇

焊劑覆蓋厚度選擇依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，長(zhǎng)度約為35 mm左右，合適的覆蓋厚度可以有效降低堆焊過(guò)程中出現(xiàn)的氣孔、夾渣等質(zhì)量缺陷。

1.3.5 鐵素體含量的控制

國(guó)外加氫設(shè)備內(nèi)壁堆焊E347型耐蝕層表面的鐵素體要求達(dá)5～10 FN范圍，且規(guī)定耐蝕堆焊層的微觀組織為奧氏體 + 少量鐵素體雙相組織，其主要目的是為了防止熱裂紋和抗晶間腐蝕性能，當(dāng)耐蝕層鐵素體含量過(guò)高時(shí)，在設(shè)備在制造過(guò)程中的焊后熱處理及后續(xù)長(zhǎng)期服役于高溫工況下，會(huì)促使δ鐵素體向σ脆性相轉(zhuǎn)變[7]。堆焊層鐵素體含量的控制主要取決于化學(xué)成分，同時(shí)也受焊接工藝參數(shù)及堆焊層的厚度等影響，堆焊層越厚、層間溫度越高，堆焊層鐵素體比例越高，故堆焊過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度、焊接工藝參數(shù)等，確保堆焊層的鐵素體數(shù)達(dá)技術(shù)要求。

2 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

母材分別采用14Cr1MoR(H)和12Cr2Mo1R(H)耐熱鋼材料，化學(xué)成分見表3。14Cr1MoR(H)試板規(guī)格400 mm × 300 mm × 30 mm，12Cr2Mo1R(H) 試板規(guī)格400 mm × 300 mm × 40 mm，進(jìn)行了2項(xiàng)單層帶極電渣堆焊工藝評(píng)定試驗(yàn)。14Cr1MoR(H)預(yù)熱溫度Tp≥100 ℃，道間溫度100～150 ℃；12Cr2Mo1R(H) 預(yù)熱溫度Tp≥150 ℃，道間溫度150～180 ℃。堆焊工藝參數(shù)見表4。2件試板堆焊完畢后立即進(jìn)行了消氫處理，14Cr1MoR(H)為(690 ± 14) ℃ × 20 h，12Cr2Mo1R(H)為(690 ± 14) ℃ × 32 h，消氫結(jié)束后，對(duì)2件試板堆焊層進(jìn)行100%UT + 100%PT檢測(cè)，按NB/T 47013—2011《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》Ⅰ級(jí)合格。分別對(duì)2塊試件在焊態(tài)下進(jìn)行堆焊層的化學(xué)成分和鐵素體檢測(cè)試驗(yàn)，再分別按表5熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行模擬最大焊后熱處理，熱處理完成后分別切取硬度試樣、金相分析試樣、大小側(cè)彎曲試樣、截面厚度測(cè)量試樣及晶間腐蝕試樣，并開展了相關(guān)性能試驗(yàn)[8]。

表3 母材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù),%）

表4 堆焊工藝參數(shù)

表5 熱處理工藝參數(shù)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 化學(xué)成分及鐵素體測(cè)算

在焊態(tài)下切取試樣，對(duì)試板堆焊層表面及表面以下3 mm的堆焊層，采用ARL-4460型號(hào)光譜分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，按WRC-1992圖進(jìn)行鐵素體數(shù)測(cè)算[9]。試驗(yàn)結(jié)果見表6，其中A1，B1為堆焊層表面取樣，A2，B2為堆焊層下3 mm位置處取樣。

表6 堆焊層表面及以下3 mm處化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù),%）及鐵素體數(shù)（FN）

2.2.2 鐵素體測(cè)定

在焊態(tài)下采用經(jīng)AWS 3.2校準(zhǔn)的MP30型鐵素體測(cè)定儀對(duì)堆焊層表面進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖1所示。通過(guò)對(duì)圖1數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)2項(xiàng)焊接工藝評(píng)定中3道堆焊層表面鐵素體數(shù)測(cè)量值均符合要求，在技術(shù)規(guī)定的5～10 FN。

圖1 堆焊層表面鐵素體含量

2.2.3 小側(cè)彎試驗(yàn)

按標(biāo)準(zhǔn)要求，取垂直和平行于堆焊方向的大、小側(cè)彎試樣進(jìn)行橫向和縱向彎曲試驗(yàn)，14Cr1MoR(H) 試樣規(guī)格150 mm × 10 mm × (S + 堆焊) mm，12Cr2Mo1R(H)試樣規(guī)格80 mm × 13 mm × 3 mm，其目的是研究包括堆焊層及熱影響區(qū)在內(nèi)的受拉面是否存在缺陷，經(jīng)過(guò)彎曲試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，試樣均無(wú)任何裂紋或開口缺陷，試驗(yàn)結(jié)果詳見表7。

表7 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2.2.4 晶間腐蝕試驗(yàn)

按ASTM A262《Standard practices for detecting susceptibility to intergranular attack in austenitic stainless steels》方法E中對(duì)堆焊層進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，試樣經(jīng)180o彎曲法評(píng)定，受拉面無(wú)任何裂紋，堆焊層均無(wú)晶間腐蝕傾向。

2.2.5 硬度試驗(yàn)

分別從經(jīng)終熱處理后的堆焊試件上截面試樣，按圖2所示的位置進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果詳見表8，硬度檢測(cè)值均在技術(shù)要求的范圍內(nèi)，其中堆焊層表面硬度HB≤234 HB，截面顯微硬度HV≤235 HV10。

圖2 試樣顯微硬度試驗(yàn)位置示意圖

表8 熱處理后堆焊層硬度試驗(yàn)結(jié)果

2.2.6 金相組織分析試驗(yàn)

表9列出了上述焊接工藝評(píng)定的堆焊焊接接頭金相分析結(jié)果，可以看出金相組織符合相關(guān)技術(shù)要求。其中，14Cr1MoR(H)堆焊試樣的金相組織如圖3所示，12Cr2Mo1R(H)堆焊試樣的金相組織如圖4所示。

圖3 14Cr1MoR(H)堆焊試樣的金相組織

圖4 12Cr2Mo1R(H)堆焊試樣的金相組織

表9 金相組織分析試驗(yàn)結(jié)果

14Cr1MoR(H)及12Cr2Mo1R(H)堆焊試樣的金相組織分布是極為相似的，堆焊層主要由枝晶狀鐵素體及奧氏體組成，同時(shí)伴有彌散分布的少量碳化物，枝晶狀鐵素體是在堆焊的過(guò)程中焊材快速冷卻后形成的，易于引發(fā)裂紋等缺陷，因此需要對(duì)試件進(jìn)行進(jìn)一步的解剖檢測(cè)；母材及過(guò)渡區(qū)主要由索氏體及粒狀貝氏體組成，二者的的形成都是在堆焊過(guò)程中母材經(jīng)過(guò)堆焊過(guò)程中的加熱及快速冷卻后形成的，提高了母材及熱影響區(qū)的強(qiáng)度。

2.2.7 解剖檢測(cè)及厚度測(cè)量

采用5倍放大鏡對(duì)試件橫截面進(jìn)行剖面檢查，堆焊層、熱影響區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合及其它線性缺陷。采用帶刻度的游標(biāo)卡尺對(duì)堆焊層進(jìn)行厚度測(cè)量，結(jié)果見表10，堆焊層厚度均大于技術(shù)要求的最低值5 mm。

表10 堆焊層宏觀截面厚度檢測(cè)結(jié)果

2.3 氫剝離試驗(yàn)

為了模擬堆焊層在服役條件下抗氫剝離的能力，按照ASME G146《Standard practice for evaluation ofdisbonding of bimetallic stainless alloy/steel plate for use in high-pressure, high-temperature refinery hydrogen service》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)2件試樣分別進(jìn)行了堆焊層的氫剝離試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為試驗(yàn)溫度：480 ℃；試驗(yàn)壓力：18.0 MPa；循環(huán)次數(shù)：2次；每次循環(huán)充氫保壓時(shí)間：48 h；冷卻速度：第一循環(huán)vc≥150 ℃/h，第二循環(huán)vc≥300 ℃/h，充氫試驗(yàn)完成后分別在出爐48 h和7 d后進(jìn)行超聲波檢查，均未發(fā)現(xiàn)剝離現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果表明：2件試樣的堆焊層抗氫剝離試驗(yàn)滿足要求[10]。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)制作堆焊試樣，對(duì)堆焊試樣進(jìn)行相應(yīng)的理化分析及理論驗(yàn)證，確定了一種較優(yōu)的用于14Cr1MoR(H)和12Cr2Mo1R(H)材質(zhì)加氫設(shè)備內(nèi)壁單層帶極電渣堆焊工藝，且在該焊接工藝參數(shù)下堆焊厚度達(dá)5～7 mm，鐵素體含量為5～10 FN，化學(xué)成分、金相組織及微觀裂紋情況等都達(dá)到項(xiàng)目高標(biāo)準(zhǔn)預(yù)期，為后續(xù)相關(guān)方面的研究提供了一定的借鑒。

（2）以實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目為研究基礎(chǔ)，通過(guò)理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，探究了加氫設(shè)備內(nèi)壁單層帶極電渣堆焊技術(shù)及工藝，掌握了符合國(guó)外高標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求的單層帶極電渣堆焊工藝，填補(bǔ)了公司在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的空白，對(duì)提高生產(chǎn)效率及縮短設(shè)備的制造周期和降低成本有著重要的意義。