國(guó)產(chǎn)鋼帶_焊劑電渣堆焊工藝在熱壁加氫反應(yīng)器中的應(yīng)用_雷萬(wàn)慶

1、國(guó)產(chǎn)鋼帶、焊劑電渣堆焊工藝在熱壁加氫反應(yīng)器中的應(yīng)用The Application of Electreslag Strip Overlaying Combing with Domesticstrips and Flaxes in the High Pressure Hydrofmer Vessel Realtor 蘭州石油化工機(jī)器總廠 雷萬(wàn)慶 蘭 明 木文針對(duì)哈爾濱焊接研完所研制的適用于電渣堆焊工藝的鋼帶、焊劑，對(duì)其所進(jìn)行的工藝試驗(yàn)研究.以及應(yīng)用于熱壁加氫反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊的工作情況作一介紹，以促進(jìn)壓力容器內(nèi)壁不銹鋼堆焊焊材的國(guó)產(chǎn)化。關(guān)鍵詞:電渣堆焊 鋼帶 焊劑 國(guó)產(chǎn)化 應(yīng)用近年來(lái)，帶極堆焊工藝被

2、經(jīng)常應(yīng)用于壓力容器內(nèi)表面大面積堆焊.以提高其耐蝕性。已被開發(fā)并付諸實(shí)際應(yīng)用的帶極堆焊法，可分為埋弧焊和電渣型兩種。前者，我廠應(yīng)用國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的焊材已相當(dāng)成熟，而比埋弧堆焊具有更多優(yōu)點(diǎn)的電渣堆焊工藝，特別是匹配國(guó)產(chǎn)焊材，應(yīng)用與煉油廠熱壁加氫反應(yīng)器內(nèi)壁大面積堆焊，在國(guó)內(nèi)還是一個(gè)空白。本文就采用帶極電渣堆焊工藝，匹配國(guó)產(chǎn)鋼帶、焊劑應(yīng)用于熱壁加氫反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊情況作一介紹。 1. 產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn) 我廠為某煉油廠制造的一臺(tái)加氫反應(yīng)器其設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)壓力:8.64MPa；最高工作壓力:8.21MP；溫度:435；介質(zhì):油、H2S、H2等，規(guī)格2400mm22000mm 80mm，主體材料為2.25Cr-1Mo

3、鋼板，要在其內(nèi)壁堆焊不銹鋼耐蝕層.其堆焊技術(shù)要求如下: a.反應(yīng)器采用雙層堆焊，過(guò)渡層為E309L，表層為E347型。正式堆焊前，應(yīng)對(duì)堆焊工藝按JB4708-92進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。b.評(píng)定試驗(yàn)所用的母材試板、焊接材料，熱處理狀態(tài)均需和產(chǎn)品制造時(shí)一致。 c.堆焊表層應(yīng)按GB150-89附錄H進(jìn)行滲透探傷。堆焊層應(yīng)進(jìn)行超聲波探傷。 d.表面以下3mm處化學(xué)成分應(yīng)滿足下列要求: C0.05%；Si0.90%；Mn=1.0%2.5%；Cr=18.0%21.0%；Ni=9.0%11%；P0.04%；S0.03%；Nb=8C1.00%；Mo0.5% e.鐵素體含量=4%10%(schaeffler圖法)。

4、 f. 2個(gè)縱向大側(cè)彎；2個(gè)橫向大側(cè)彎；3個(gè)橫向小側(cè)彎；均180無(wú)裂合格。 g.晶間腐蝕按GB4334.5-90不銹鋼硫酸一硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法進(jìn)行。 h.堆焊焊道搭接處的不平度1.5mm，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。 圖1 熱壁加氫反應(yīng)器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖 2. 堆焊焊材為滿足加氫反應(yīng)器堆焊技術(shù)要求，我廠一般選用進(jìn)口堆焊焊材。而選用進(jìn)口焊材.不僅價(jià)格高.采購(gòu)周期長(zhǎng)，為了降低成本，推廣我國(guó)堆焊焊材的廣泛應(yīng)用。我們選用了哈爾濱焊接研究所研制的適用于電渣堆焊工藝的鋼焊帶、焊劑。鋼帶:過(guò)渡309L，規(guī)格500.4(mm)；表層347L，規(guī)格750.4(mm)。其化學(xué)成分見表1，表層及過(guò)渡層焊劑均匹配SJ-15型

5、。表1 鋼帶化學(xué)成分(%)3. 試驗(yàn)研究對(duì)于加氫反應(yīng)器，其內(nèi)壁耐腐蝕不銹鋼堆焊層的質(zhì)量主要從堆焊層外觀質(zhì)量、理化性能、抗氫剝離性能三方面來(lái)衡量，而對(duì)制造廠來(lái)說(shuō)，不僅要考慮上述三方面的要求，且還要考慮焊材的工藝性能。為此，我們進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究以此來(lái)檢驗(yàn)所選用焊材的可靠性，以便獲取能滿足上述幾方面要求的最佳焊接參數(shù)。 3.1工藝試驗(yàn) 焊接試板，采用2.25Cr-1Mo鋼板，焊前打磨.用煤氣預(yù)熱至100。焊劑焊前經(jīng)3502h烘干。試驗(yàn)用焊機(jī)為ESAB公司生產(chǎn)的LAD-1400型。一般來(lái)說(shuō)，電渣堆焊焊接時(shí)，由于熔渣導(dǎo)電使焊道容易產(chǎn)生咬邊缺陷，故在導(dǎo)電嘴兩側(cè)要附加磁探裝置，以消除焊接(咬邊)缺陷。但

6、是，在試板堆焊時(shí)，我們根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整規(guī)范、地線裝接位置，消除了焊道兩側(cè)的咬邊。所以，工藝試驗(yàn)時(shí)沒有附加磁控裝置。 3.1.1焊接電壓 對(duì)于電渣堆焊來(lái)說(shuō)焊接電壓是電渣堆焊電渣過(guò)程能否穩(wěn)定的一個(gè)重要參數(shù)。電壓太高，如高于26伏的電壓，會(huì)引起電弧發(fā)生率增加，而且增大電流在熔融焊劑中的分流，導(dǎo)致熔透能力的削弱，造成夾渣，而電渣過(guò)程和電弧過(guò)程的交替，也會(huì)引起熔合比的急劇波動(dòng)，并且增大飛濺。電壓低于24伏.帶極存在粘連母材的傾向，且堆焊過(guò)程變得不穩(wěn)定，適宜的電壓為2425V之間。 3.1.2焊接電流 電渣堆焊時(shí)，焊接電流要合適，如電流太大，渣池飛濺大。由于電渣焊時(shí)，導(dǎo)電嘴后方不鋪撤焊劑，飛濺大，將在導(dǎo)

7、電嘴處粘結(jié)成塊。結(jié)塊長(zhǎng)大到一定程度，掉進(jìn)熔池.會(huì)在焊道上產(chǎn)生凹坑，影響焊道表面成形質(zhì)量，影響脫渣性，稀釋率也會(huì)提高，并且堆焊厚度增加浪費(fèi)焊材；反之電流過(guò)小，堆焊層厚度減薄，焊渣也減薄造成脫渣困難，并且還容易造成卷帶、斷弧。焊接電流一般在95011OOA之間為宜。 3.1.3焊接速度 在試驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)焊速太快、焊道容易咬邊，這是因?yàn)楹杆偬煸卦谖闯尚蜁r(shí)隨著熔池流動(dòng)，造成焊道咬邊。并且隨著焊速提高稀釋率增大，導(dǎo)致成分與組織改變，影響堆焊層的耐蝕性能。焊速與稀釋率的關(guān)系如圖2。圖2 焊速與稀釋率關(guān)系 3.1.4干伸長(zhǎng)、焊劑厚度 干伸長(zhǎng)對(duì)堆焊質(zhì)量影響主要是干伸長(zhǎng)太長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致搭接處易出現(xiàn)缺陷，嚴(yán)重時(shí)還

8、會(huì)出現(xiàn)焊帶后拖影響焊接過(guò)程，渣池不穩(wěn)定，飛濺增加。反之，容易燒損導(dǎo)嘴。焊劑鋪撒太薄，飛油增大，脫渣困難，有時(shí)會(huì)對(duì)溶池保護(hù)不利；太厚，焊道成形不平滑，浪費(fèi)焊劑，增加焊工勞動(dòng)強(qiáng)度。 3.1.5焊道搭接量 如果堆焊時(shí)，搭接量太小，會(huì)在道與道之間產(chǎn)生凹坑影響堆焊層平度，增加了補(bǔ)焊工序，影響外觀成形。搭接太多，雖然稀釋率降低，但容易產(chǎn)生夾渣(圖3)，浪費(fèi)焊材。通過(guò)解剖試板證明，一般兩焊道間搭接量510mm ,質(zhì)量最好。在實(shí)際平板平位堆焊時(shí)，對(duì)以上參數(shù)嚴(yán)格控制就可以堆出焊道成形美觀，焊接外觀質(zhì)量較高的不銹鋼堆焊層。圖3 3.2筒休見證件的焊接 為了驗(yàn)證該工藝在筒體內(nèi)表面堆焊的適用性，以及模擬產(chǎn)品的堆焊，我

9、們?yōu)榇嗽?800 90mm(材質(zhì)為2.25Cr-1Mo)筒體內(nèi)進(jìn)行堆焊?？紤]到見證件筒體和產(chǎn)品堆焊需在車間進(jìn)行。為此需改裝用于產(chǎn)品的電渣堆焊設(shè)備。經(jīng)認(rèn)真考證，堆焊時(shí)焊接設(shè)備采用ESAB公司生產(chǎn)的EHD系統(tǒng)操作機(jī)和防偏移滾輪架，易于筒體環(huán)向堆焊。同時(shí)對(duì)該公司生產(chǎn)的LAD-1400電源的外特性進(jìn)行了分析，電流每增加1OOA電壓下降不到1V近似平特性，能適應(yīng)電渣堆焊的要求。由于在堆焊過(guò)程中，熔融的渣池沒有焊劑覆蓋，其輻射熱作用于長(zhǎng)時(shí)間工作的焊頭導(dǎo)電部分，溫度升高，影響正常焊接，并且考慮到大電流堆焊時(shí)，咬肉是要解決的一個(gè)重要問題。為此，選用了SOUDMETAL公司生產(chǎn)的水冷焊頭及磁控系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)試焊發(fā)現(xiàn)

10、電渣堆焊工藝同埋弧堆焊工藝一樣，焊帶在筒體中的位置對(duì)于焊接質(zhì)量有十分重要的影響。另外，電渣焊工藝磁控電流對(duì)堆焊焊道咬邊是否消除起決定性的作用，所以除平板試驗(yàn)的焊接參數(shù)外.在筒體內(nèi)壁堆焊時(shí)，還應(yīng)對(duì)焊帶在筒體中的位置以及磁控電流進(jìn)行試驗(yàn)，以尋求此兩項(xiàng)的最佳參數(shù)，使筒體內(nèi)壁電渣堆焊焊道獲得最佳的成形。 3.2.1鋼帶在筒體中的相對(duì)位段 鋼帶在筒體中的位置，可分為上坡、下坡兩個(gè)位置，它們不僅影響焊接過(guò)程的穩(wěn)定性及焊道形狀，而且也影響稀釋率。當(dāng)帶極處于較大的下坡位置時(shí)，熔渣前流稀釋率減小，容易產(chǎn)生夾渣.并且焊道中間下凹形成“M”型，焊劑兩側(cè)厚，中間薄，導(dǎo)致脫渣困難。當(dāng)帶極處于較大上坡堆焊位置時(shí)，電弧發(fā)生

11、率提高，飛濺嚴(yán)重，稀釋率增大焊道成形差，脫渣困難。因此對(duì)于不同直徑的筒體選擇合適的H值(圖4)是非常重要的。在1800內(nèi)徑的筒體內(nèi)壁電渣堆焊時(shí)B=2535mm為宜。圖4 帶級(jí)在筒體中的位置 3.2.2磁控電流 電渣堆焊時(shí)焊接電流在整個(gè)帶極寬度上分布，并流經(jīng)導(dǎo)電熔渣形成磁場(chǎng)，按照夫累明左手定則電流就會(huì)在熔池中產(chǎn)生一個(gè)力，這個(gè)力從熔池的兩側(cè)指向中心，這樣使熔融的渣和金屬向中心流動(dòng)，結(jié)果焊道的寬度變窄，在焊道兩側(cè)容易發(fā)生咬肉。為克服這種現(xiàn)象，將一外加磁場(chǎng)加于焊接熔池位置，試驗(yàn)用磁控裝置為兩個(gè)加在帶極寬度兩側(cè)稍后的電磁線圈，線圈芯子端部離母材15mm左右較合適。磁控電流以獲得平坦的焊道且厚度均勻沒有咬

12、邊最佳。當(dāng)磁控電流太大，焊道寬度增寬、堆高減小，影響堆焊層厚度和稀釋率，還會(huì)出現(xiàn)兩側(cè)厚，中間下凹現(xiàn)象；磁控電流太小，焊道搭接處不平滑，甚至咬邊缺陷不能消除，失去磁控電流作用的意義。在使用的焊接電流范圍內(nèi)，磁控電流在0.53.5A為宜，且左右兩個(gè)磁控電流一般不等。 3.2.3筒體見證件堆焊及檢驗(yàn) 經(jīng)過(guò)上述試驗(yàn)工作后，我們?cè)谕搀w內(nèi)壁進(jìn)行了堆焊。過(guò)渡層堆焊時(shí)，焊劑脫渣性能好，均為自動(dòng)脫渣，并且焊道成形美觀。堆焊焊道沒有咬邊，不平度 0.3mm。堆焊后進(jìn)行了鐵素體含量的測(cè)定、著色檢查、結(jié)合面超聲波探傷。表層堆焊時(shí).焊劑脫渣性與過(guò)渡層堆焊時(shí)的相比稍差，但堆焊焊道外觀質(zhì)量與其相差無(wú)幾。堆焊后測(cè)定了鐵素體含

13、量，進(jìn)行了著色檢查。檢驗(yàn)結(jié)果:過(guò)渡層4.0%6.0%、表層4.2%7.8%，著色PT檢查，結(jié)合面超聲波UT探傷均100%合格。完全滿足加氫反應(yīng)器技術(shù)要求。 3.3 堆焊焊接工藝評(píng)定 在工藝試驗(yàn)筒體見證件驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，選取了最佳焊接規(guī)范。對(duì)鋼帶、焊劑進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)其堆焊的堆焊層理化性能按JB4708-92和加氫反應(yīng)器技術(shù)條件進(jìn)行評(píng)定。堆焊用試板采用2.25Cr-1Mo鋼板，規(guī)格為60035060(mm)，焊材為:第一層309L(500.4mm)+SJ-1，第二層347L(75mm X0.4mm)+SJ-15,焊后對(duì)第一層、第二層表面進(jìn)行100%著色檢查，結(jié)果為合格。對(duì)堆焊層結(jié)合面進(jìn)行了100%超聲

14、波檢查，結(jié)果為合格。然后按加氫反應(yīng)器技術(shù)條件熱處理制度對(duì)堆焊試板進(jìn)行了熱處理，見圖5。圖5 熱處理溫度曲線圖 堆焊試板經(jīng)解剖取樣，其堆焊層性能如下: 3.3.1力學(xué)性能 側(cè)彎:7件(4件大側(cè)彎，其中2件橫向，2件縱向；3件橫向小側(cè)彎).d=4a，a=180均含格。堆焊層硬度HVmax:202 3.3.2堆焊層硫酸一硫酸銅試驗(yàn)，按GB4334.5-90執(zhí)行2件通過(guò)。 3.3.3堆焊層顯微組織堆焊表層:奧氏體+鐵素體；堆焊過(guò)渡層:奧氏體+鐵素體十相，經(jīng)熱處理后靠近熔合線有增碳層。3.3.4堆焊層化學(xué)成分見表2表2 3.3.5用磁力法測(cè)定表面鐵素體含量。焊態(tài)為（%）平均時(shí):9.06%。用化學(xué)成份按s

15、chaeffler diagram 計(jì)算為（%）:8。 從上面各項(xiàng)性能看堆焊層雖經(jīng)熱處理，但各項(xiàng)性能還是比較好.均能滿足JB4708-92和加氫反應(yīng)技術(shù)條件要求。 3.4氮?jiǎng)冸x試驗(yàn) 為了了解壓力容器在役時(shí)氫對(duì)其堆焊層剝離的影響以及和普通埋弧帶極堆焊對(duì)比。我們?cè)趽犴樖腿龔S設(shè)備研究室進(jìn)行了氫剝離試驗(yàn)，試樣取自堆焊工藝評(píng)定試板，試驗(yàn)條件如下:(1)壓力條件:升壓速度:15.8MPa/h，系統(tǒng)壓力:15.8MPa；降壓速度:15.8MPa/h，氫分壓:15MPa。(2)溫度條件:試驗(yàn)溫度450 ，恒溫時(shí)間:48h，升溫速度50/h，降溫速度70 /h。試驗(yàn)后，試樣經(jīng)探傷沒有發(fā)現(xiàn)剝離。此結(jié)果與我廠采用

16、帶極埋弧堆焊焊接工藝時(shí)結(jié)果一樣，并且與一些學(xué)者認(rèn)為焊接方法對(duì)抗氫剝離性能影響不大的觀點(diǎn)相吻合。而對(duì)于電渣堆焊工藝降低抗氫剝離性能的觀點(diǎn)，主要在寬帶極( 150mm )，慢焊速(69m/h)時(shí)容易發(fā)生，而以我廠使用的這種鋼帶寬度僅50mm，焊接速度(9. 6llm/h)，其抗氫剝離性能與埋弧堆焊工藝在目前加氫反應(yīng)器容器使用條件下沒什么區(qū)別，故采用這種堆焊工藝方法在高壓加氫反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊不銹鋼是適宜的。 4. 產(chǎn)品焊接及檢驗(yàn) 根據(jù)工藝試驗(yàn)，筒體見證件堆焊試驗(yàn)以及工藝評(píng)定，確定了獲得高質(zhì)量堆焊層的焊接規(guī)范（見表3)。焊接前，簡(jiǎn)體內(nèi)壁噴砂、打磨，并用煤氣予熱至100以上(過(guò)渡層)。按表3焊接規(guī)范在產(chǎn)品

17、筒體內(nèi)壁進(jìn)行了堆焊，由于試驗(yàn)工作做得比較充分。堆焊后，焊道成形美觀(具體工藝性能見（表3)。產(chǎn)品堆焊順利完成，堆焊層按產(chǎn)品堆焊技術(shù)條件進(jìn)行了檢驗(yàn):(1)堆焊層探傷:過(guò)渡層、表層均100%PT檢查產(chǎn)品；堆表3焊層結(jié)合面 100%UT檢查合格。(2)堆焊表層在焊態(tài)下其鐵素體磁性法測(cè)定平均值（%）為5.2 。經(jīng)用化學(xué)成分按schaeffler圖計(jì)算結(jié)果為：4.8。(3)堆焊層化學(xué)成分如表4所示。(4)堆焊層厚度為6.08.7mm。(5)堆焊層不平度lmm，以上各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果均滿足要求，并且完全與進(jìn)口堆焊焊材堆焊的質(zhì)量相媲美。由哈爾濱焊接研究所研制的電渣堆焊用鋼帶，焊劑成功的在高壓加氫反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊中得到應(yīng)用。表4 5. 結(jié)論 （1）哈焊所研制的鋼帶及電渣型焊劑可獲得隱定的電渣堆焊過(guò)程。 (2)磁控有效地克服了咬邊，改善焊道成形，可以獲得滿意的堆焊表面質(zhì)量。 (3)電渣帶極堆焊各項(xiàng)性能指標(biāo)檢驗(yàn)均能滿足加氫反應(yīng)器技術(shù)條件要求。 (4)由于焊劑在過(guò)渡層，表層焊接時(shí)，均為一種SJ-15型，便于使用廠家進(jìn)行焊材管理。 (5)焊劑消耗較小(鋼帶、焊劑消耗比為1：0.5)可降低成本。 (6)今后應(yīng)進(jìn)一步提高SJ-15在堆焊表層時(shí)的脫渣工藝性。 生產(chǎn)實(shí)踐證明，我廠首次運(yùn)用哈焊所研制的焊材309