0 引 言

加氫反應(yīng)器是現(xiàn)代煉油工業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于石油煉制或重質(zhì)油的加氫裂化、加氫精制等工藝過程。加氫反應(yīng)器的工作溫度一般在400℃以上，工作壓力為20MPa，接觸介質(zhì)為油氣、氫氣、硫化氫等腐蝕介質(zhì)，屬于有爆炸性危險(xiǎn)的高壓臨氫承壓設(shè)備，技術(shù)水平及安全性要求極高。

大型加氫反應(yīng)器主要采用鍛焊結(jié)構(gòu)，普遍采用2.25Cr1Mo（或相當(dāng)牌號(hào)12Cr2Mo1）鋼進(jìn)行制造。隨著加氫裝置技術(shù)的進(jìn)步，反應(yīng)器尺寸也越來(lái)越大，設(shè)計(jì)條件更加苛刻，如仍采用原先的結(jié)構(gòu)鋼來(lái)制造大型反應(yīng)器，往往會(huì)造成器壁太厚、總質(zhì)量過大等問題，從而給制造、運(yùn)輸和安裝帶來(lái)很大困難。

國(guó)外在20世紀(jì)80年代開始醞釀和開發(fā)新的Cr-Mo鋼，其中添加釩改進(jìn)型2.25Cr1Mo0.25V鋼（或相當(dāng)牌號(hào)12Cr2Mo1V）獲得迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用。該材料除具有Cr-Mo鋼的性能特點(diǎn)外，還具有更多的優(yōu)異性能，如強(qiáng)度高、抗氫腐蝕性強(qiáng)、抗氫脆性能明顯改善、抗回火脆化性能更好、抗氫致剝離裂紋能力優(yōu)越等。

為滿足市場(chǎng)需求，上海重型機(jī)器廠有限公司（簡(jiǎn)稱上重公司）積極研發(fā)加氫反應(yīng)器用2.25Cr1Mo0.25V鍛件，在2010年投料試制一件模擬環(huán)鍛件，并順利通過行業(yè)鑒定。目前相關(guān)產(chǎn)品已進(jìn)入批量制造階段。

1 技術(shù)特點(diǎn)

1.1 化學(xué)成分

與2.25Cr1Mo相比，2.25Cr1Mo0.25V最重要的改變是添加了約0.25%的釩元素。釩是強(qiáng)碳化物形成元素，以獨(dú)立的彌散分布的VC細(xì)質(zhì)點(diǎn)存在，可提高鋼的強(qiáng)度。此外，釩還可以細(xì)化晶粒，從而提高鍛件的強(qiáng)韌性。通過添加0.25%～0.30%的釩元素，2.25Cr1Mo0.25V鍛件的強(qiáng)度及許用應(yīng)力、最高使用溫度、抗氫性能較2.25Cr1Mo鋼有較大幅度提高。

為滿足更高的使用要求，除了添加釩元素，還提高了C含量上限，并對(duì)有害元素提出了更嚴(yán)格的控制要求，兩種鋼種的成分要求見表1。

表1 2.25Cr1Mo和2.25Cr1Mo0.25V成分對(duì)比 (wt%)

為保證鍛件具有良好的可焊性和使用壽命期內(nèi)的可靠性，2.25Cr1Mo0.25V鍛件要求盡量降低回火脆化敏感性系數(shù)J和X系數(shù)值，一般要求J系數(shù)≤100，X系數(shù)≤12×10-6。

J系數(shù)和X系數(shù)的計(jì)算方法如下：

式中元素以百分?jǐn)?shù)含量代入。

式中元素以10-6含量代入。

1.2 力學(xué)性能要求

為保證力學(xué)測(cè)試試料的代表性，2.25Cr1Mo0.25V鍛件要求在熱處理?xiàng)l件最不利的1/2壁厚（0.5d）位置取樣，試料距鍛件端面至少有1倍壁厚（d）的距離。

加氫鍛件在后續(xù)設(shè)備制造過程中需要進(jìn)行焊接和焊后熱處理，此階段的焊后熱處理相當(dāng)于對(duì)鍛件再次進(jìn)行回火。由于Cr-Mo鋼不同程度的存在回火脆化傾向，為證明鍛件在焊后熱處理也有足夠好的性能，所有力學(xué)檢測(cè)試樣在進(jìn)行試驗(yàn)之前需進(jìn)行模擬焊后熱處理，包括最大程度焊后熱處理(Max.PWHT)和最小程度焊后熱處理(Min.PWHT)，其工藝曲線見圖1和圖2。

圖1 最大模擬焊后熱處理工藝

圖2 最小模擬焊后熱處理工藝

2.25Cr1Mo0.25V鍛件的低溫韌性指標(biāo)與2.25Cr1Mo相同，即-30°CAKv沖擊功平均值≥54J，一組三個(gè)試樣允許一個(gè)低于平均值，但不得低于47J。2.25Cr1Mo0.25V鍛件的拉伸試驗(yàn)考核值較有較大幅度的提高，數(shù)據(jù)對(duì)比見表2。

表2 2.25Cr1Mo0.25V和2.25Cr1Mo拉伸性能指標(biāo)對(duì)比

為評(píng)估鍛件的回火脆化傾向，需對(duì)部分最小模擬焊后熱處理（Min.PWHT）試樣再進(jìn)行了分步冷卻脆化處理（S.C），工藝曲線見圖3。

圖3 分布冷卻脆化處理曲線

2.25Cr1Mo0.25V鍛件回火脆化傾向應(yīng)滿足vTr54+3△vTr54≤0°C。

1.3 對(duì)鍛件回火溫度的限制

由于添加的釩元素導(dǎo)致鍛件焊接裂紋敏感性更高，故需要更高的焊接預(yù)熱和焊后熱處理溫度。2.25Cr1Mo鋼的焊后熱處理溫度一般在676～704°C范圍，而2.25Cr1Mo0.25V提高至691～710°C。為降低焊后熱處理的回火疊加效應(yīng)對(duì)加氫鍛件性能的惡化程度，一般要求鍛件的性能熱處理回火溫度高于焊后熱處理10～15°C，這些附加要求提高了鍛件制造難度。

2 模擬環(huán)鍛件的研制

2.1 模擬環(huán)鍛件的技術(shù)要求

為開發(fā)和驗(yàn)證2.25Cr1Mo0.25V鍛件制造工藝技術(shù)，上重公司與石化設(shè)計(jì)院、設(shè)備制造企業(yè)合作，在2010年投料試制模擬環(huán)鍛件。為保證模擬環(huán)鍛件的代表性，模擬環(huán)鍛件的外形、壁厚（d）、重量均與實(shí)際產(chǎn)品相同，尺寸見圖4。模擬環(huán)鍛件的技術(shù)要求基于目前實(shí)際產(chǎn)品，并同時(shí)覆蓋美國(guó)石油協(xié)會(huì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)API934《高溫高壓臨氫2.25Cr和3Cr鋼制壁壓力容器材料和制造要求》和中國(guó)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47008《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》的要求。

為進(jìn)一步掌握模擬環(huán)鍛件性能分布情況，除在技術(shù)規(guī)格書要求的相對(duì)180°C 2個(gè)象限的壁厚0.5d處取樣外，還在全部4個(gè)象限，內(nèi)、外壁厚0.25d和內(nèi)、外表面上進(jìn)行了取樣。對(duì)于每個(gè)取樣位置，規(guī)格書僅要求拉伸取縱向、沖擊取橫向，為進(jìn)一步評(píng)估鍛件性能的各向異性，在所有取樣位置均同時(shí)測(cè)試了縱向和橫向的拉伸、沖擊性能。

圖4 模擬環(huán)鍛件最終尺寸

2.2 研制工藝路線

根據(jù)模擬環(huán)鍛件技術(shù)要求及設(shè)備特點(diǎn)，制定研制工藝流程如下：

冶煉→熔煉成分分析→鍛造→鍛后熱處理→粗加工→無(wú)損檢測(cè)（超聲波檢測(cè)）→焊接緩沖環(huán)→性能熱處理→取樣→試驗(yàn)→最終機(jī)加工→成品檢測(cè)。

2.3 制定目標(biāo)成分

2.25Cr1Mo0.25V的主要合金元素有C、Cr、Mo和V，這些元素可提高材料的淬透性、保證鍛件的強(qiáng)度和韌性，考慮到2.25Cr1Mo0.25V鍛件的強(qiáng)韌性要求很高，上述元素都需控制在規(guī)范的上限。Mn、Si元素對(duì)鍛件的強(qiáng)度也有貢獻(xiàn)，但較高的Mn和Si不利于降低J系數(shù)。在保證J系數(shù)足夠低的前提下，可適當(dāng)提高M(jìn)n和Si含量。

此外， Sb 、Sn 、As、P、S等有害元素?fù)p害材料的韌性，增加回火脆性傾向，應(yīng)盡量降低，這也是獲得較低的J系數(shù)和X系數(shù)值的關(guān)鍵所在。

2.4 冶煉

制造2.25Cr模擬環(huán)鍛件需要103t雙真空鋼錠。冶煉工藝的目標(biāo)是精確控制成分和保證鋼水純凈度。根據(jù)2.25Cr1Mo0.25V鍛件基本要求，上重制定了堿性電爐粗煉、精煉爐精煉加真空碳脫氧（VCD）的冶煉工藝。

(1)精選爐料

As、Sn、Sb、Cu等有害元素不能在后續(xù)冶煉過程中去除，為保證上述元素控制在一個(gè)足夠低的水平，使得X系數(shù)、J系數(shù)能夠控制在較低值，必須精選爐料，優(yōu)先選用合理配比的優(yōu)質(zhì)廢鋼和優(yōu)質(zhì)生鐵。

(2)電爐粗煉鋼水

電爐冶煉粗煉鋼水，冶煉過程的重點(diǎn)是脫磷，其次是去硫，同時(shí)保證Cr、Mo等元素含量接近規(guī)定值。

(3)真空碳脫氧精煉

粗煉鋼水結(jié)束后轉(zhuǎn)入120t LRF精煉爐精煉。精煉目的是進(jìn)一步去S，同時(shí)調(diào)整合金成分符合內(nèi)控指標(biāo)要求。操作過程包括：造渣、加熱、吹氬攪拌、脫氧及調(diào)整鋼水化學(xué)成分。

(4)真空碳脫氧澆注

為使鋼水達(dá)到高純潔度，當(dāng)精煉鋼水出鋼溫度、化學(xué)成分滿足規(guī)定要求時(shí)，鋼水在氣壓低于133Pa的真空室內(nèi)進(jìn)行真空澆注。澆注過程中，鋼水中的碳和氧發(fā)生激烈的反應(yīng)，生成一氧化碳?xì)馀菔沟娩撍序v，鋼水中的氫等氣體隨之逸出，氧化物等夾雜物上浮排出，從而達(dá)到進(jìn)一步提純鋼水的目的。

熔煉過程以及后續(xù)在鍛件本體上取得試樣的化學(xué)分析結(jié)果見表3。其中合金元素含量在ARL 4460金屬直讀光譜分析儀上測(cè)得，H、O采用TCH600氫氧氮元素分析儀測(cè)得。

表3 模擬環(huán)鍛件熔煉成分分析值

模擬環(huán)鍛件的熔煉分析試樣以及各個(gè)部位的成品成分均符合技術(shù)要求，合金含量實(shí)現(xiàn)工藝預(yù)設(shè)控制目標(biāo)且分布均勻，有害元素含量低。系數(shù)X均為7.35×10-6，系數(shù)J平均值為53.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于技術(shù)條件的要求。

2.5 鍛造和鍛后熱處理

鍛造的目的為打碎粗大的鑄態(tài)組織、細(xì)化晶粒、均勻組織，鍛壓鋼錠中的縮孔、氣孔和疏松缺陷，最后獲得盡量接近交貨尺寸的鍛件。為避免晶粒粗大，鍛造過程中嚴(yán)格控制始鍛溫度為1 200~1 250°C，為避免出現(xiàn)鍛造裂紋，終鍛溫度不低于850°C。鋼錠經(jīng)熱裝爐加熱到始鍛溫度后保溫，直至錠溫均勻、透燒后出爐鍛造，見圖5。模擬環(huán)鍛件的鍛造在165MN油壓機(jī)和630t·m操作機(jī)進(jìn)行，具體鍛造過程如下：

(1)熱送鋼錠：鋼錠熱送至鍛造車間；

(2)Ⅰ火：壓鉗口，燒剝T肩，倒棱，切除錠尾；

(3)Ⅱ火：第一次鐓粗+拔長(zhǎng)；切除鉗把和底部；

此次墩粗的目的是增大坯料橫截面積，提高拔長(zhǎng)比，減小鍛件力學(xué)性能的各向異性；

(4)Ⅲ火：第二次鐓粗+沖孔；

(5)Ⅳ火：擴(kuò)孔完工。

圖5 鍛件在165MN油壓機(jī)上鍛造

鍛后熱處理在大型燃?xì)饧訜崤_(tái)車爐中進(jìn)行，具體工藝為：910～960°C正火+650～700°C回火。工藝目的在于改善鍛件內(nèi)部組織及晶粒度，消除內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)一步降低氫的含量并使其盡可能均勻分布，為后續(xù)的性能熱處理做好準(zhǔn)備。

2.6 粗加工和超聲波檢測(cè)

鍛后熱處理結(jié)束后按照熱處理余量圖將鍛件加工至余量尺寸，然后進(jìn)行粗加工超聲波檢測(cè)。超聲波檢測(cè)按照J(rèn)B/T4730《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》執(zhí)行。模擬件超聲波檢測(cè)結(jié)果合格，未發(fā)現(xiàn)任何超標(biāo)和記錄性缺陷，證明制造加氫反應(yīng)器鍛件采用的冶煉、鍛造工藝是合理的。

超聲波檢測(cè)結(jié)束后，為滿足試料距端面至少1倍壁厚的要求，在鍛件端面焊接了1倍壁厚的熱處理緩沖環(huán)。

2.7 性能熱處理

性能熱處理主要目的是通過合理選擇奧氏體化溫度、保溫時(shí)間、冷卻速度和初始回火參數(shù)，使鍛件最終獲得良好的綜合力學(xué)性能。加氫鍛件一般要求采用正火+回火的性能熱處理工藝。如有必要，在正火冷卻時(shí)可采取噴霧、浸水等加速冷卻方式。

提高奧氏體化溫度有利于合金元素的充分溶解和均勻化，對(duì)提高基體強(qiáng)度有利。但是隨著奧氏體化溫度的提高，奧氏體晶粒變粗，對(duì)沖擊韌性不利。因此必須綜合均衡強(qiáng)度和韌性后確定最佳的奧氏體化溫度。

冷卻速度和終冷溫度對(duì)2.25Cr1Mo0.25V材料過冷奧氏體轉(zhuǎn)變影響較大。冷卻速度越快及奧氏體化后的終冷溫度越低，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w就越多，鍛件性能越好。對(duì)于2.25Cr1Mo0.25V鍛件，采取常規(guī)的正火工藝無(wú)法得到足夠好的組織和性能，必須采用特殊工藝獲得足夠快的冷速。為加快冷速，采用大型水槽中浸水冷卻方式，并設(shè)計(jì)專用裝置將水槽冷卻水從自然溫度降低至15°C之下，見圖6。

模擬環(huán)鍛件的性能熱處理工藝為：940～990°C正火（加速冷卻）+700～730°C回火。

圖6 鍛件在大型水槽中進(jìn)水管冷卻

2.8 取樣和性能檢測(cè)

根據(jù)模擬環(huán)鍛件研制方案，在鍛件預(yù)設(shè)位置上取試料進(jìn)行理化性能檢測(cè)，其中室溫拉伸試驗(yàn)按GB/T 228執(zhí)行，454°C高溫拉伸試驗(yàn)按GB/T 4338執(zhí)行，夏比沖擊試驗(yàn)按GB/T229執(zhí)行。

不同壁厚位置的常溫拉伸強(qiáng)度（縱向）實(shí)測(cè)值見圖7。

圖7 不同象限的經(jīng)Max.PWHT的常溫切向（縱向）拉伸性能對(duì)比

圖8 不同象限的經(jīng)Min.PWHT的-30℃軸向（橫向）沖擊性能對(duì)比

測(cè)試結(jié)果表明，在不同象限、壁厚位置，鍛件的-30℃沖擊功（橫向）均在300J以上，表現(xiàn)出極佳的低溫韌性。

壁厚0.5d處的454℃高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果（縱向）表明，鍛件高溫抗拉強(qiáng)度在475~785MPa之間，滿足技術(shù)規(guī)格書要求。

為評(píng)估鍛件的各項(xiàng)異性，在每個(gè)取樣位置同時(shí)測(cè)試了縱向（切向）、橫向（軸向）拉伸和沖擊試驗(yàn)，對(duì)比結(jié)果見圖9及圖10。

圖9 切向和軸向經(jīng)Max.PWHT的常溫拉伸性能對(duì)比

測(cè)試結(jié)果表明，在不同象限、壁厚位置，鍛件的室溫拉伸強(qiáng)度均在600～620MPa之間，滿足技術(shù)規(guī)格書要求并有較大富余量，強(qiáng)度指標(biāo)分布均勻。

不同壁厚位置的-30°CAKv沖擊值見圖8。

圖10 切向和軸向經(jīng)Min.PWHT-30℃沖擊性能對(duì)比

不同取樣方向的常溫拉伸和低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果差異很小，均滿足規(guī)范要求并有較大富余量，說明鍛件無(wú)明顯各向異性。

回火脆化傾向試驗(yàn)結(jié)果見表4。

實(shí)測(cè)vTr54+3△vTr54≤-66℃，明顯小于≤0℃的預(yù)設(shè)技術(shù)要求，表明鍛件具有優(yōu)良的抗回火脆化性能。

表4 回火脆化傾向性試驗(yàn)結(jié)果

2.25Cr1Mo0.25V模擬環(huán)各項(xiàng)性能表現(xiàn)在如下方面：

(1)內(nèi)部冶金質(zhì)量良好，UT、MT均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)及記錄缺陷；

(2)各取樣位置化學(xué)成分測(cè)試值基本一致，未見明顯的成分偏析，鍛件化學(xué)成分均勻程度良好；

(3)各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)良好，滿足規(guī)范要求且有較大富裕量；

(4)不同象限、不同壁厚取樣位置性能檢測(cè)結(jié)果基本一致，均質(zhì)性良好；

(5)縱向、橫向力學(xué)測(cè)試結(jié)果基本一致，無(wú)明顯各向異性；

(6)回火脆化傾向性能vTr54+3△vTr54≤-66℃，明顯優(yōu)于要求值（≤0℃），無(wú)明顯回火脆化傾向。

3 結(jié) 語(yǔ)

模擬環(huán)鍛件的成功試制，標(biāo)志著上重公司掌握了加氫反應(yīng)器用2.25Cr1Mo0.25V鍛件的制造技術(shù)，正式進(jìn)入以2.25Cr1Mo0.25V鍛件為典型代表的高端加氫反應(yīng)器鍛件市場(chǎng)。自2011年以來(lái)，上重已承制多批鍛件，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。