(青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司，山東青島 266426)

0 引言

高壓、高溫、臨氫條件下運(yùn)行的加氫反應(yīng)器，表面堆焊不銹鋼是最常用、最有效提高其耐腐蝕性能的技術(shù)。對(duì)于大型厚壁加氫反應(yīng)器的筒體，帶極埋弧焊+電渣堆焊(SAW+ESW)是目前常用的堆焊技術(shù)，但這種堆焊技術(shù)存在生產(chǎn)成本高、熔敷速率慢、焊劑消耗較高等局限。隨著堆焊材料和堆焊技術(shù)的發(fā)展，單層堆焊技術(shù)可大大減少焊帶和焊劑的消耗量，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，在國(guó)外已得到廣泛應(yīng)用；而高速帶極電渣堆焊具有極高的熔敷速率，可極大提高生產(chǎn)效率，細(xì)化堆焊層的奧氏體晶粒，改善堆焊區(qū)的抗剝離能力。因此，單層高速電渣堆焊技術(shù)在加氫反應(yīng)器內(nèi)壁防護(hù)措施中受到越來(lái)越多的關(guān)注和廣泛的研究[1-2]。

本文依據(jù)某公司的“大面積單層帶極堆焊加氫反應(yīng)器研制”項(xiàng)目技術(shù)條件(簡(jiǎn)稱技術(shù)條件)，分別對(duì)90 mm×0.5 mm鋼帶單層電渣堆焊、75 mm×0.4 mm鋼帶單層高速電渣堆焊和90 mm×0.5 mm鋼帶單層高速電渣堆焊的堆焊層進(jìn)行試驗(yàn)，研究寬帶極單層高速電渣堆焊技術(shù)應(yīng)用于加氫反應(yīng)器的可行性。

1 焊接設(shè)備及材料

試驗(yàn)設(shè)備為國(guó)產(chǎn)十字架帶極堆焊設(shè)備，通過(guò)預(yù)置焊接參數(shù)，進(jìn)行單層電渣堆焊。試驗(yàn)?zāi)覆?2Cr2Mo1R鋼板，規(guī)格為600 mm×350 mm×30 mm，共3件，試件化學(xué)成分如表1所示。

表1 12Cr2Mo1R鋼板化學(xué)成分 %

鋼帶和焊劑選擇：?jiǎn)螌与娫押傅?0 mm×0.5 mm鋼帶選擇21.11LNb，焊劑為EST122；單層高速電渣堆焊的75 mm×0.4 mm和90 mm×0.5 mm鋼帶選擇24.12LNb，焊劑為EST129。鋼帶化學(xué)成分如表2所示。

表2 鋼帶化學(xué)成分 %

2 焊接試驗(yàn)條件及方法

采用90 mm×0.5 mm鋼帶單層電渣堆焊、75 mm×0.4 mm鋼帶單層高速電渣堆焊和90 mm×0.5 mm鋼帶單層高速電渣堆焊工藝各堆焊1個(gè)試件，試件分別編號(hào)S1～S3，焊接工藝規(guī)范如表3所示；堆焊前，清理待堆焊面至呈金屬光澤，并按NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第4部分：磁粉檢測(cè)》進(jìn)行100%MT檢測(cè)合格。

模擬最終焊后熱處理(PWHT)工藝：S1模擬Max.PWHT(690±14) ℃×32 h，裝爐溫度≤400 ℃，升、降溫速度≤55 ℃/h，試件隨爐冷至400 ℃以下出爐空冷;S2/S3各模擬Min.PWHT(690±14) ℃ ×8 h和Max.PWHT(690±14) ℃×32 h，裝爐溫度≤400 ℃，升、降溫速度≤55 ℃/h，試件隨爐冷至400 ℃以下出爐空冷。

表3 試件S1～S3單層電渣焊接規(guī)范

按照技術(shù)條件，對(duì)S1～S3進(jìn)行如下試驗(yàn)：堆焊層的厚度測(cè)量；在堆焊層表面下2.5～3 mm處進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，并按化學(xué)成分測(cè)算堆焊層鐵素體數(shù)FN；在焊態(tài)下，采用磁性法測(cè)量堆焊層表面鐵素體數(shù)FN；在Max.PWHT狀態(tài)下對(duì)S1～S3進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、金相試驗(yàn)、晶間腐蝕試驗(yàn)，S2，S3氫剝離試驗(yàn)；在Min.PWHT狀態(tài)下對(duì)S2，S3進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 焊接工藝性

試件S2堆焊4條焊道，S1，S3均堆焊3條焊道，S1～S3焊縫成型較美觀，表面光滑，無(wú)氣孔、裂紋、夾渣等明顯缺陷產(chǎn)生。圖1為堆焊層焊道及道間溫度。

圖1 堆焊層焊道及道間溫度

3.2 堆焊層鐵素體檢測(cè)

焊態(tài)下，采用磁性法，按GB/T 1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測(cè)量方法》檢測(cè)S1～S3堆焊層表面鐵素體數(shù)FN，具體檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 堆焊層表面鐵素體數(shù)

從表4中可以看出，焊態(tài)下，試件S1～S3堆焊層表面鐵素體均滿足技術(shù)要求:FN值介于3～8之間。

3.3 無(wú)損檢測(cè)

焊態(tài)下，按NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第5部分：滲透檢測(cè)》分別對(duì)試件S1～S3堆焊層表面進(jìn)行100% PT檢驗(yàn)，均合格；分別在焊態(tài)和PWHT狀態(tài)下，按NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》對(duì)試件S1～S3堆焊層與基層結(jié)合面進(jìn)行100%UT檢驗(yàn)，均合格。

3.4 堆焊層厚度及熔深檢測(cè)

采用UT測(cè)厚的方式檢測(cè)S1～S3堆焊層厚度，采用游標(biāo)卡尺測(cè)量堆焊層縱向剖面的方式檢測(cè)S1～S3堆焊層厚度和熔深，其中縱向剖面檢測(cè)位置如圖2,3所示，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表5。

圖2 剖面位置示意

圖3 縱向剖面測(cè)厚示意

表5 堆焊層厚度、熔深檢測(cè)方式及檢測(cè)結(jié)果

由表5可看出，試件堆焊層厚度S1>S3>S2。這是因?yàn)槎押笇雍穸戎饕Q于焊接電流和焊接速度：一般來(lái)說(shuō)，焊接電流增加，堆焊層厚度增加；焊接速度增加，堆焊層厚度降低[3-5]。

焊接電流和焊接速度也是影響焊接熱輸入量的重要因素，根據(jù)熱輸入量的計(jì)算公式：Q=ηIU/v,可知：當(dāng)電壓一定時(shí)，電流增大，焊接速度降低，熱輸入量增加。

因此，電壓一定時(shí)，熱輸入量增加，堆焊層厚度增加。根據(jù)表3，試件S1～S3的焊接電壓相同，計(jì)算熱輸入量可知QS1>QS3>QS2，因此試件堆焊層厚度S1>S3>S2，與表5檢測(cè)數(shù)據(jù)吻合。

根據(jù)劉玉華等[4-6]的研究結(jié)果：焊接電流和焊接速度增加，均會(huì)導(dǎo)致堆焊層熔深增加。由表3可知：試件焊接電流IS3>IS2=IS1,試件焊接速度vS3>vS2>vS1，因此試件熔深S3>S2>S1，與表5檢測(cè)數(shù)據(jù)吻合。

3.5 堆焊層化學(xué)成分檢測(cè)

堆焊層化學(xué)成分檢測(cè)位置為堆焊層表面下2.5 mm，按GB/T 11170—2008《不銹鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》和GB/T 20124—2006《鋼鐵 氮含量的測(cè)定 惰性氣體熔融熱導(dǎo)法(常規(guī)方法)》檢測(cè)S1～S3堆焊層化學(xué)成分。按“WRC-1992(FN)圖”計(jì)算堆焊層鐵素體數(shù)FN[7]。

因焊接稀釋作用和焊接過(guò)程中的氧化燒損，堆焊層中合金元素的含量低于鋼帶中合金元素。其中，Ni元素是活性小的合金元素，堆焊過(guò)程中基本不參與氧化反應(yīng)，因此，可通過(guò)Ni元素的含量計(jì)算堆焊層的稀釋率[7-8]。稀釋率D根據(jù)下式計(jì)算：

CO=DCb+(1-D)Cd

式中CO——元素在堆焊層中的實(shí)際質(zhì)量百分含量，%；

D——稀釋率，%；

Cb——元素在母材中的質(zhì)量百分含量，%；

Cd——元素在非稀釋熔敷金屬中的質(zhì)量百分含量，%。

以Ni元素為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算時(shí)，Cd即為鋼帶中的質(zhì)量百分含量[8]。

化學(xué)成分、鐵素體數(shù)FN及稀釋率D檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 耐蝕層化學(xué)成分、鐵素體和稀釋率檢測(cè)結(jié)果

1)技術(shù)條件驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；2)“8C%”表示C元素檢測(cè)值的8倍

由表2，6中數(shù)據(jù)可知，Cr，Ni元素在S3鋼帶中含量高于S1鋼帶中含量，但試件堆焊層中Cr，Ni元素相近，這是因?yàn)殡S電流和焊接速度的增加，鋼帶中合金元素?zé)龘p增加，母材中化學(xué)成分熔入堆焊層量增加，導(dǎo)致堆焊層金屬稀釋率增大[6]；堆焊層表面下2.5 mm處，S2堆焊層的稀釋率最大，因此S2堆焊層中Cr，Ni元素明顯低于S1和S3。

由表4，6中數(shù)據(jù)可知，按“WRC-1992(FN)圖”計(jì)算堆焊層鐵素體數(shù)FN[7]和采用磁性法在堆焊層表面上測(cè)量鐵素體數(shù),FN值均介于3～8，滿足技術(shù)要求；對(duì)比S2和S3鐵素體數(shù)和稀釋率的結(jié)果說(shuō)明，在鋼帶及母材中元素相同時(shí)，稀釋率越大，鐵素體數(shù)越低。

3.6 堆焊層力學(xué)性能檢測(cè)

在Max.PWHT狀態(tài)下，試件S1～S3分別垂直于焊道方向和平行于焊道方向截取大側(cè)彎(試樣厚度a=10 mm)和小側(cè)彎(試樣厚度a=3 mm)側(cè)彎試樣各2件，按GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》進(jìn)行常溫彎曲180°試驗(yàn)，試驗(yàn)后試樣在堆焊層和熔合線上均無(wú)任何目視可見(jiàn)的開(kāi)口缺陷和裂紋缺陷；在Min.PWHT狀態(tài)下，試件S2，S3分別垂直于焊道方向和平行于焊道方向截取大側(cè)彎(試樣厚度a=10 mm)和小側(cè)彎(試樣厚度a=3 mm)側(cè)彎試樣各2件，按GB/T 2653—2008進(jìn)行常溫彎曲180°試驗(yàn)，試驗(yàn)后試樣在堆焊層和熔合線上均無(wú)任何目視可見(jiàn)的開(kāi)口缺陷和裂紋缺陷。

在Max.PWHT狀態(tài)下，對(duì)試件S1～S3橫截面進(jìn)行硬度HV10檢測(cè)，在Min.PWHT狀態(tài)下，對(duì)試件S2，S3橫截面進(jìn)行硬度HV10 檢測(cè)，試驗(yàn)方法按照GB/T 4340—2012《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn)》執(zhí)行，測(cè)量值應(yīng)HV10 ≤248。其檢測(cè)結(jié)果如表7所示。

表7 堆焊層橫截面硬度檢測(cè)結(jié)果

由表7可以看出，Max.PWHT狀態(tài)下，試件S1～S3橫截面硬度值HV10<248；Min.PWHT狀態(tài)下，試件S2，S3橫截面硬度值HV10<248，均滿足技術(shù)要求。

3.7 金相分析

在Max.PWHT狀態(tài)下，按照GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法》對(duì)S1～S3堆焊層縱向截面進(jìn)行宏觀金相檢測(cè)，檢測(cè)位置如圖2所示。檢測(cè)結(jié)果：試樣經(jīng)冷酸酸蝕法腐蝕后宏觀檢查，在10倍放大鏡下觀察，橫向受檢面未出現(xiàn)裂紋、孔穴、夾雜、未熔合、未焊透等焊接缺陷，宏觀金相圖如圖4所示。

在Max.PWHT狀態(tài)下，按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對(duì)堆焊層金相組織進(jìn)行分析。母材和熱影響區(qū)金相組織為貝氏體組織，試件S1～S3堆焊層金相組織均為奧氏體+少量鐵素體,未出現(xiàn)σ相或馬氏體組織，S2，S3比S1堆焊層奧氏體晶粒度更加細(xì)小，該金相組織有利于提高堆焊層的抗腐蝕能力[9]。檢測(cè)位置及金相組織如圖5所示。

(a)S1

(b)S2

(c)S3圖4 宏觀金相檢測(cè)

(a)金相觀察位置

(b)母材

(c)試件S1熱影響區(qū)

(d)試件S1堆焊層

(e)試件S2熱影響區(qū)

(g)試件S3熱影響區(qū)

(h)試件S3堆焊層圖5 檢測(cè)位置及母材和S1～S3金相組織

3.8 晶間腐蝕試驗(yàn)

在Max.PWHT狀態(tài)下，將試件S1～S3堆焊層表面磨平，分別平行于焊道方向取出厚度3 mm 的試樣各2件，按照GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》中硫酸-硫酸銅法試驗(yàn)進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果表明，6件試樣經(jīng)硫酸-硫酸銅腐蝕后，彎曲180°，外表面均未出現(xiàn)晶間腐蝕產(chǎn)生的裂紋，均合格。

3.9 氫剝離試驗(yàn)

將S2，S3分別制備抗氫剝離試樣各2件，試樣規(guī)格?73 mm×35 mm，按照ASTM G146-01—2007[10]進(jìn)行氫剝離試驗(yàn)，試驗(yàn)條件：充氫壓力19 MPa，充氫純度99.89%，保溫溫度及時(shí)間：454 ℃×48 h，升溫速率50 ℃/h，第1次循環(huán)降溫速率200 ℃/h，第2次循環(huán)降溫速率300 ℃/h。

試驗(yàn)結(jié)果：在試樣充氫前、第1次循環(huán)結(jié)束、第2次循環(huán)結(jié)束、第3次循環(huán)結(jié)束后48 h和7天后，分別按照ASTM G146-01—2007對(duì)堆焊層界面進(jìn)行超聲波檢測(cè)，試樣均未發(fā)現(xiàn)剝離，合格。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)按文中焊接工藝規(guī)范，90 mm×0.5 mm鋼帶單層電渣堆焊、75 mm×0.4 mm鋼帶單層高速電渣堆焊和90 mm×0.5 mm鋼帶單層高速電渣堆焊獲得堆焊層均滿足“大面積單層帶極堆焊加氫反應(yīng)器研制”項(xiàng)目的技術(shù)要求。

(2)通過(guò)試驗(yàn)表明，75 mm×0.4 mm鋼帶單層高速電渣堆焊和90 mm×0.5 mm鋼帶單層高速電渣堆焊技術(shù)可用于加氫反應(yīng)器筒體內(nèi)壁不銹鋼層堆焊。

(3)采用單層高速電渣堆焊技術(shù)進(jìn)行內(nèi)壁堆焊時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)范，控制焊接電流及焊接速度，避免堆焊層中化學(xué)元素、鐵素體、晶間腐蝕等檢測(cè)指標(biāo)達(dá)不到技術(shù)要求。