潘曉棟,趙樹芬,張力
(二重(鎮(zhèn)江)重型裝備有限責任公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212000)
目前,催化裂化汽油占車用汽油總量的70%,因而催化裂化裝置的長周期穩(wěn)定運行是實現(xiàn)汽油穩(wěn)定生產(chǎn)和碳減排的關鍵[1]。由于內(nèi)部介質(zhì)的特性,催化裂化裝置堆焊層易造成腐蝕和開裂,存在泄漏和爆炸的風險,可能引發(fā)爆炸、著火等安全事故。因此,設計和制造該類鋼制壓力容器都有嚴格的要求[2-3]。同時,該類壓力容器設備內(nèi)壁為臨氫、強腐蝕等環(huán)境下,普通的壓力容器用鋼板不能夠滿足耐腐蝕要求,需要在內(nèi)壁堆焊不銹鋼隔離層,不銹鋼層可以滿足內(nèi)壁的腐蝕環(huán)境要求。通過堆焊不銹鋼層,能夠不改變設備本體的力學性能要求,堆焊方式也可以提高設備生產(chǎn)效率,降低制造成本。目前,大部分石化類壓力容器的內(nèi)壁采用雙層堆焊不銹鋼過渡層(不銹鋼309)+耐蝕層(不銹鋼308、347、316等)[4-5]。
Q345R鋼屬于低合金高強度鋼,是生產(chǎn)壓力容器的常用材料,該種鋼具有焊接性能優(yōu)良、強度和韌性較高、耐蝕性好等特點,被廣泛應用于壓力容器主體基材制造中,目前是我國用途最廣、用量最大的壓力容器鋼板。然而Q345R的防腐產(chǎn)品有時候并不能勝任苛刻的腐蝕環(huán)境,要在其內(nèi)壁堆焊一層不銹鋼層,以提高其使用性能。
近期我公司承制的某項目中催化裂化裝置產(chǎn)品采用了Q345R鋼??紤]服役環(huán)境溫度、壓力、介質(zhì)及成本等因素,內(nèi)壁選擇了具有良好的抗裂性能、抗腐蝕性能及抗氧化性能的E309L焊條[6-7];并按設計技術要求,最終選擇了采用了手工電弧焊雙層堆焊E309L。雙層堆焊不僅可以降低基層的稀釋,保證了堆焊層的性能,還可以使應力呈階梯分布,緩和應力并減少裂紋產(chǎn)生。為了確保壓力容器能夠安全、平穩(wěn)、長周期地運行,本文在產(chǎn)品制造前期按照產(chǎn)品技術要求開展了相關焊接工藝試驗。
本次試驗選擇Q345R鋼為基體材料,其化學性能和力學性能應符合GB/T 713—2014標準,尺寸為40 mm×300 mm×200 mm,熱處理狀態(tài)為正火,其化學成分如表1所示;填充焊條為E309L-16,應符合NB/T 47018—2017標準,尺寸為φ4.0 mm,其化學成分如表2所示。
表1 Q345R鋼的化學成分質(zhì)量分數(shù) %
表2 E309L-16焊條的化學成分質(zhì)量分數(shù) %
1.2.1 焊接工藝選擇
在常溫下堆焊Q345R鋼板時,使用E309藥芯焊絲進行藥芯焊接是一種常見的選擇[8-10]。這種材料可以提供良好的強度和耐腐蝕性能,有助于提高工件的整體性能。同時,E309藥芯焊絲還具有良好的可操作性,可以快速進行焊接,并且可靠性較高。
為了保證焊接效果,需要采用適當?shù)臍怏w保護,藥芯焊絲氣體保護焊(Flux-Cored Arc Welding-Gas Shielded,F(xiàn)CAW -G)通常使用Ar+CO2混合氣保護。此外,還需要根據(jù)鋼板的厚度和焊接位置來確定焊接電流和速度等參數(shù),以確保焊縫質(zhì)量。在堆焊雙層E309藥芯焊絲時[11],應在下層焊縫固化之后再進行上層焊縫的焊接。同時,在對上層焊縫進行焊接時,需要注意控制焊接熱輸入、保持適當?shù)拈g距、避免過度進熱等問題,以免對下層焊縫產(chǎn)生不良影響。
項目初期,選擇FCAW-G焊接,常溫下在Q345R鋼板堆焊雙層E309藥芯焊絲,過渡層焊后選擇了緩冷,未進行消氫處理,在進行彎曲試驗時,從母材和過渡層的熔合區(qū)產(chǎn)生了彎曲裂紋;而在相同工藝參數(shù)下,經(jīng)過焊前預熱和焊后消氫后的試板,沒有產(chǎn)生彎曲裂紋(如圖1)。因此,在使用FCAW-G焊接時,應選擇焊前預熱和焊后消氫。
圖1 FCAW-G焊接彎曲試樣
然而,根據(jù)工藝技術條件,不允許采用FCAW-G焊接進行受壓元件之間的焊接及受壓元件與非受壓元件之間的焊接,并結合公司技術條件,在此類焊接區(qū),選擇了較為成熟的手工電弧焊(Shielded Metal Arc Welding,SMAW),吸取了FCAW-G焊接的經(jīng)驗,進行了焊前預熱和焊后消氫工藝。為了驗證此工藝的合理性,按照產(chǎn)品技術要求開展了相關焊接工藝試驗。
1.2.2 工藝參數(shù)
采用SMAW焊接對Q345R鋼板表面進行局部雙層堆焊E309L-16,要求堆焊層總厚度≥5.0 mm。焊接前對Q345R鋼板表面打磨,避免氧化膜和油污對堆焊層性能造成影響,按照NB/T 47013.4—2015標準對堆焊層表面進行磁粉MT檢測,要求100%檢查,檢測結果為Ⅰ級合格。過高的層溫會使過渡層與母材界面晶粒粗大,易產(chǎn)生熱裂紋,應在焊前預熱,預熱溫度≥80 ℃,同時層間溫度控制在150 ℃以下。為避免焊后因擴散氫的量大而產(chǎn)生冷裂紋,過渡層堆焊后應立即進行消氫處理,在300~350 ℃下保溫2 h。結合材料特性及試樣尺寸,焊接工藝參數(shù)如表3所示,焊接堆焊層橫截面如圖2所示。
圖2 堆焊層橫截面宏觀示意圖
表3 焊接工藝參數(shù)
為了使堆焊層表面滿足探傷要求,打磨堆焊層表面并進行外觀檢查,確保堆焊試板無裂紋、氣孔、夾渣、咬邊等缺陷,按照NB/T 47013.5—2015標準對堆焊層表面進行滲透PT檢測,要求100%檢查,檢測結果為Ⅰ級合格。堆焊后在(610±10)℃去應力退火,保溫時間為(2.5±0.5)h,冷卻方式為爐冷+空冷。熱處理后,再次按照NB/T 47013.3—2015標準對堆焊層表面進行超聲UT檢測,要求100%檢查,檢測結果同樣為Ⅰ級合格。焊接合格后,按照試驗要求對試板進行標記和分切。
2.1.1 化學成分
根據(jù)GB/T 223—2018標準的試驗要求對焊態(tài)和熱處理態(tài)的堆焊層化學成分進行檢測,從距磨平表面2.5 mm范圍內(nèi)取樣,結果如表4所示。并利用磁感應法鐵素體測量儀檢測其鐵素體含量,分別為15.0%和15.6%。
表4 堆焊層距表層2.5 mm 以下熔敷金屬的化學成分質(zhì)量分數(shù) %
2.1.2 微觀組織
對不同熱處理狀態(tài)下的堆焊層試樣進行解剖,在焊道的搭接位置作為解體剖面。并對剖面進行拋光和侵蝕處理,滿足侵蝕要求后,保證能夠區(qū)分熔合區(qū)和本體材料,采用至少5倍放大的鏡片進行觀察,結果都沒有發(fā)現(xiàn)肉眼可見的缺陷。圖3為焊態(tài)和熱處理態(tài)堆焊試件橫截面的宏觀示意圖。從圖3中可以看出,堆焊層與母材冶金結合良好,堆焊層未發(fā)現(xiàn)裂紋、未焊透、未熔合、氣孔等缺陷。從圖3(a)和圖3(b)中可以看出,母材Q345R由白色不規(guī)則鐵素體δ和黑色層片狀珠光體組成,經(jīng)熱處理后,在結晶過程中,隨著溫度的降低,從鐵素體中析出滲碳體,與先共析δ鐵素體形成珠光體,因此熱處理后母材Q345R中珠光體含量增多。圖3(b)和圖3(e)分別為焊態(tài)熔合區(qū)和熱處理態(tài)熔合區(qū),圖3(c)和圖3(f)為焊態(tài)堆焊層和熱處理態(tài)堆焊層,從圖中可以看出,在熔合線附近出現(xiàn)了比較明顯的與熔合線方向相垂直的析出物——δ鐵素體,熔合區(qū)金相組織為奧氏體和δ鐵素體,其中黑色為δ鐵素體相,沿柱狀晶方向生長,白色奧氏體基體,因此堆焊層E309L-16金相組織是白色奧氏體基體和黑色鐵素體,而堆焊層E309L-16經(jīng)熱處理后樹枝狀鐵素體含量增多,鐵素體之間相連部分也較多。
圖3 橫截面金相組織
2.1.3 晶間腐蝕
按照GB/T 4334—2020 標準中E(銅-硫酸銅-16%硫酸)試驗方法檢測焊態(tài)和熱處理態(tài)堆焊試件的晶間腐蝕能力。將堆焊層表面磨平后,從距磨平表面2.5 mm范圍內(nèi)取樣,試樣尺寸為80 mm×20 mm×3 mm,共2件。試樣在經(jīng)過20 h的晶間腐蝕試驗后,通過180°彎曲試驗,沒有發(fā)現(xiàn)堆焊層有晶間腐蝕的傾向,試驗結果符合GB/T 4334—2020標準要求。
2.2.1 彎曲性能
根據(jù)NB/T 47014—2011標準中承壓設備產(chǎn)品焊接試件的力學性能檢驗要求,對焊態(tài)和熱處理態(tài)的堆焊試件應進行側彎試驗,測定堆焊層的抗彎強度。分別加工8個試樣做橫向側彎試驗,大、小側彎試樣各4個,其中取樣方向分別為垂直于堆焊方向和平行于堆焊方向。彎曲試驗參數(shù)及結果如表5所示。焊態(tài)和熱處理態(tài)的大、小側彎堆焊試件經(jīng)彎曲試驗后,母材、堆焊層及熔合線上均未發(fā)現(xiàn)裂紋。試驗結果表明,堆焊層的抗彎強度符合NB/T 47014—2011標準的要求。
表5 堆焊層大小側彎試驗結果
2.2.2 硬度
按照GB/T 4340.1—2019標準,對焊態(tài)和熱處理態(tài)的堆焊試件應進行表面和側面硬度檢測。堆焊層表面硬度是在試樣上任取4點測量,其值≤250 HV10。側面硬度的取點位置如圖4所示,測量值≤248 HV10。圖5(a)為堆焊層硬度分布曲線圖。從圖中可以看出,各區(qū)域的硬度值波動不大,說明堆焊層的組織較均勻,致密性較好。圖5(b)為堆焊層各區(qū)域平均硬度。從圖中可以看出,焊態(tài)的平均硬度偏高,經(jīng)熱處理后消除了材料的內(nèi)部應力,導致硬度降低,最終滿足了技術要求值。
圖4 堆焊層橫截面硬度測量點
圖5 母材到堆焊層表面的顯微硬度
本次研究對Q345R鋼板表面進行局部雙層堆焊E309L-16,通過對堆焊層的物理化學性能檢測得出以下結論:1)根據(jù)FCAW焊接工藝試驗,Q345R鋼板上堆焊E309L時,應要求進行焊前預熱和焊后消氫處理;2)利用磁感應法鐵素體測量儀測堆焊層鐵素體含量,焊態(tài)和熱處理態(tài)分別為15.6%和15.0%,說明此堆焊工藝抗晶間腐蝕能力較弱,不能用在對耐腐蝕性要求較高的容器上;3)經(jīng)熱處理后堆焊層的鐵素體含量較多,其韌性相對較高,硬度相對較低,滿足技術要求;4)此次手工電弧堆焊雙層E309L-16的焊接工藝和熱處理工藝是可行的,可應用到生產(chǎn)中。