壁加氫反應(yīng)器材料及焊接技術(shù)

1、熱壁加氫反應(yīng)器材料及焊接技術(shù)近30年來(lái)，加氫技術(shù)發(fā)展迅速，加氫反應(yīng)器由內(nèi)部襯非金屬隔熱層的冷壁結(jié)構(gòu)發(fā)展成為殼體內(nèi)壁堆焊不銹鋼層的熱壁結(jié)構(gòu)即熱壁加氫反應(yīng)器。熱壁加氫反應(yīng)器具 有有效體積利用率高、施工周期短、生產(chǎn)維護(hù)方便、器壁不易過(guò)熱及安全可靠等特 點(diǎn)，因此為世界各國(guó)普遍應(yīng)用。我國(guó)從20世紀(jì)80年代初開(kāi)發(fā)熱壁加氫反應(yīng)器獲得成功后，近20年來(lái)，由蘭州石油化工機(jī)器總廠（簡(jiǎn)稱蘭石廠）、第一重機(jī)廠（簡(jiǎn)稱一重）和上海鍋爐廠（簡(jiǎn)稱上鍋廠）等單位制造了板焊式、鍛焊式結(jié)構(gòu)的熱壁加氫反 應(yīng)器近百臺(tái)，滿足了國(guó)內(nèi)使用廠家的需求，這些設(shè)備已投入使用多年，運(yùn)行情況良 好。加氫反應(yīng)器在1025MPa高壓、400480 C高溫

2、、臨氫及硫化氫等條件下工作， 為防止氫脆、氫腐蝕、硫化物腐蝕、Cr - Mo鋼回火脆化以及難焊層的剝離等嚴(yán)重?fù)p傷，對(duì)該設(shè)備設(shè)計(jì)要求高、難度大，制造工藝復(fù)雜，對(duì)材料、焊接技術(shù)以及焊接質(zhì) 量都有很高要求。1殼體材料應(yīng)用及發(fā)展在熱壁加氫反應(yīng)器殼體內(nèi)壁堆焊不銹鋼防蝕層，形成雙金屬結(jié)構(gòu)。其殼體材料 在臨氫條件下工作，主要依據(jù)耐爾遜（Nelson）曲線來(lái)確定，自20世紀(jì)60年代以來(lái),2. 25Cr- 1Mo鋼被廣泛應(yīng)用于加氫設(shè)備上，是熱壁加氫反應(yīng)器主選材料。隨著人們 對(duì)設(shè)備損傷認(rèn)識(shí)上的深入以及冶煉技術(shù)的不斷提高，該鋼的純潔性、均質(zhì)性、抗氫 性和綜合力學(xué)性能不斷得到改善和提高，表1為不同時(shí)期對(duì)板焊式加氫反應(yīng)

3、器鋼板化學(xué)成分的要求。表1不同時(shí)期對(duì)板焊式加氫反應(yīng)器鋼板化學(xué)成分要求化學(xué)成分80年代90年代丨化學(xué)成分80年代90年代|CW0 15W0 15 |Ni W08|SiW025<.0 10 |Cu W(20|Mn 0. 30.6 0.3 0.6 | As <016|S<0010< 0.010|Sn 015|P<0012< 0.012|Sb 013|Cr 2 02.5 2.0 2.5 * X10 6 < 25 < 20|Mo 0. 91.1 0.9 1.1 | J < 200 < 150| 注：X= （Si + Mn） （ P+ Sn） X

4、104; J= （10P+ Sb+ 4Sn+ As） X10 2。從表1可看出，為減小長(zhǎng)期在高溫下工作的回火脆化傾向，對(duì)用于熱壁加氫反應(yīng)器2. 25Cr-1Mo的含Si量及含P量控制的很低，且對(duì)一些微量元素的影響也作了相 應(yīng)的控制。為了評(píng)定材料抗回火脆化性能，世界各國(guó)均用步冷處理前后韌性的變化 來(lái)衡量。在20世紀(jì)80年代初，回火脆化指標(biāo)為 VTr54 + 1 . 5 VTr54< 38C, 90年代 初為 VTr54 + 2. 5 VTr54<38C, 而目前設(shè)計(jì)要求更高，即 VTr54+2 . 5 VTr54<10 C或 VTr54 + 3 VTr54 < 2笙,X與

5、 J系數(shù)也提高到 X < 15 X06, J < 100（VTr54為步冷處理前相對(duì)于54J沖擊功的轉(zhuǎn)變溫度， VTr54。為步冷處理后轉(zhuǎn)變溫度的增量）。對(duì)材料的韌性指標(biāo)要求也在提高，20世紀(jì)80年代要求-10 C的復(fù)比 沖擊功為61J,而90年代要求-30 C的AKV為55J。隨著加氫裝置規(guī)模不斷擴(kuò)大，反應(yīng)器尺寸也越來(lái)越大，同時(shí)設(shè)備的設(shè)計(jì)條件更加苛刻，若采用一般的 2. 25Cr- 1Mo來(lái)制造大型反應(yīng)器，往往會(huì)造成器壁太厚，反 應(yīng)器總質(zhì)量過(guò)大，給制造、運(yùn)輸和安裝都帶來(lái)了很大困難，當(dāng)然也會(huì)使綜合投資增 加。從抗氫性能和抗蠕變性能考慮，2. 25 Cr 1Mo最高溫度極限達(dá)到454

6、C，滿足不了某些油品深加工和煤油加氫液化的要求。因此近十幾年來(lái)，國(guó)際上相繼開(kāi)發(fā)了 改進(jìn)型的Cr Mo類(lèi)抗氫新鋼種2. 25Cr 1Mo-0 . 25V、 3Cr 1Mo 0. 25V等，其成 分見(jiàn)表2,力學(xué)性能見(jiàn)表3。表2抗氫鋼種化學(xué)成分 化學(xué) 2.25Cr-1Mo 3Cr-1Mo 化學(xué) 2.25Cr-1Mo 3Cr-1Mo成分-0.25V -0.25V 成分-0.25V -0.25VC <0 17 W 0.17 Mo 0.9 1.1 0.871.1Si <0 10 <0 10 V 0.250.35 0.25 0.35Mn 0 . 30. 6 0. 30. 6 Ti <

7、 0.035< 0.035P <0 015 <0 010 B < 0.003S <0 010 <.0 010 X/ TO-6 < 15 < 15Ni <.0 25 <.0 40 J < 100 < 100Cr 2 . 02. 5 2. 753. 25表3抗氫新鋼種力學(xué)性能鋼種 d 00 MPa db/ MPa(r4/ MPa AKV / J2. 25Cr 1Mo > 310 51689 > 18(530C)2. 25Cr 1Mo 0. 25V > 415 58760 > 18 >(54 18

8、C)3Cr 1Mo-0 . 25V > 415 58760 > 18 >(418 C)改進(jìn)型Cr Mo鋼具有較高的抗蠕變性能及抗回火脆化性能，其回火脆化指標(biāo)要求提高到 VTr54 + 3 VTr54<0C。由于鋼中含有非常穩(wěn)定的磯碳化物，使H和C不易反應(yīng)，所以有很好的抗氫腐蝕和氫脆能力。同時(shí)，V對(duì)設(shè)備停工過(guò)程中氫向堆焊交界面的擴(kuò)散有阻隔作用，因此使堆焊層抗氫剝離的性能大為提高。2焊接材料發(fā)展2. 1殼體焊接材料隨著加氫反應(yīng)器設(shè)計(jì)條件不斷，提高焊接材料也在不斷發(fā)展。主要表現(xiàn)在：由于焊接技術(shù)的發(fā)展，嚴(yán)格控制了焊接材料中的0、N、S、P的含量，使焊縫的韌性大幅度提高。現(xiàn)在焊縫

9、-30 C的Akv實(shí)物水平，從20世紀(jì)80年代的70J達(dá)到現(xiàn)在的150J左右。影響回火脆性的微量元素控制的更低，X系數(shù)從20世紀(jì)80年代初的25X10 6已降低到現(xiàn)在15 X10 6。開(kāi)發(fā)了高堿度的埋弧焊劑，保證了焊縫的純凈 性、高韌性和低氫抗裂性。焊縫金屬對(duì)制造過(guò)程中熱處理的適應(yīng)性提高，并且其 抗回火脆性試驗(yàn)評(píng)定指標(biāo)也由20世紀(jì)80年代初的VTr54 + 1. 5 VTr54< 38C，提高到現(xiàn)在VTr54+2 . 5 VTr54< 10C。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較多的 2. 25Cr 1Mo鋼焊接材料見(jiàn)表4。表4 2 . 25Cr-1Mo鋼焊接材料生產(chǎn)廠家 日本住友 日本神鋼 法國(guó)沙福

10、焊條 CM-2A CM-106N 2STC焊絲 W-CM201 US521S S225焊劑 B-2CM PF200 F537我國(guó)從20世紀(jì)80年代后期也開(kāi)發(fā)出適用 2 . 25Cr 1Mo鋼的焊接材料，例如焊條R407H、焊絲H13Cr2 . 5Mo1A、焊劑ST603，這些焊材雖能滿足設(shè)計(jì)條件的要求，但 其工藝適應(yīng)性及實(shí)物的韌性指標(biāo)水平與國(guó)外的焊材還有一定差距。近年來(lái)，國(guó)外較系統(tǒng)研究了 V、Nb對(duì)Cr-Mo鋼焊縫性能的影響，開(kāi)發(fā)出了適于 2.25Cr- 1Mo 0. 25V和3Cr 1MO 0. 25V等鋼種的焊材，如日本神鋼開(kāi)發(fā)的 US 531焊絲配PF500高堿度焊劑，焊縫的力學(xué)性能、抗

11、回火脆性以及抗氫性能都達(dá)到了 與母材同等的水平。2. 2堆焊材料目前制造熱壁加氫反應(yīng)器應(yīng)用的堆焊方法主要是電弧帶板堆焊和電渣帶極難焊， 考慮到母材稀釋的因素，采用雙層堆焊。 焊帶為309L和347L，焊帶規(guī)格為寬30100m m,厚0. 40. 5mm。目前常用雙層堆焊焊帶成分見(jiàn)表5。由于燒結(jié)焊劑的堆積密度比較小，其成分易于控制，焊接過(guò)程穩(wěn)定，并且提供 選擇的品牌也很多，所以目前埋弧堆焊或電渣堆焊、燒結(jié)焊劑得到了廣泛應(yīng)用。用 于管子堆焊的TiG焊用焊絲以及CO2保護(hù)焊的藥芯焊絲，在國(guó)外均有比較成熟的品牌， 例如神鋼的TGS309C、TGS347及DW309L、DW347L等在國(guó)內(nèi)應(yīng)用都比較普遍

12、。自動(dòng)堆 焊使用的焊絲特別是藥芯焊絲，在我國(guó)雖然有其相應(yīng)的產(chǎn)品，但在表面質(zhì)量以及堆 焊工藝性能等方面與國(guó)外比較，還存在一定的差距。表5常用雙層堆焊焊帶成分成分 C Mn Si P S Cr Ni Nb Mo Cu309L w 0.05 12.5 w 0.5 < 0.020 < 0.030組13.0 < 0.20 < 0.20347L w 0.05 12.0 w 0.5 w 0.020 w 10.5 8C 1 w W3焊接工藝方法3. 1蘭殼體焊接效壁加氫反應(yīng)器壁厚一般在 100300mm ,因此殼體縱環(huán)縫焊接工作量及難度都 很大，且埋弧焊焊接工藝過(guò)程穩(wěn)定，焊接質(zhì)量易于保

13、證，所以對(duì)縱環(huán)縫目前主要采 用埋弧自動(dòng)焊。從1984年蘭石廠首先引進(jìn)第1臺(tái)窄間隙埋弧焊設(shè)備以來(lái)，窄間隙埋弧焊工藝已在厚壁加氫裝置上得到普遍應(yīng)用。窄間隙焊接技術(shù)采用兩道一層的多層 焊接法，焊縫兩側(cè)溶合良好，成分及力學(xué)性能均勻，焊縫質(zhì)量好。與普通埋弧焊相 比，其填充金屬量減少，節(jié)省焊材，生產(chǎn)效率提高1/31 / 2,同時(shí)能量消耗大為降低，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。加氫反應(yīng)器位于封頭中心部位的物料進(jìn)出口，借助變位機(jī)可實(shí)現(xiàn)埋弧自動(dòng)焊焊 接，改善工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高焊接質(zhì)量。上鍋廠對(duì)大直徑接管與殼體的馬鞍型焊縫 采用我國(guó)研制的馬鞍型自動(dòng)焊機(jī)，實(shí)現(xiàn)了埋弧自動(dòng)焊接。以560t鍛焊結(jié)構(gòu)加氫反應(yīng)器為例，共焊 25個(gè)接管，

14、波日深210mm，保證了質(zhì)量。3.2不銹鋼層準(zhǔn)焊(1) 20世紀(jì)70年代，國(guó)外在加氫反應(yīng)器大面積堆焊方面采用了單層帶極堆焊 方法，但用后發(fā)現(xiàn)堆焊易產(chǎn)生氫剝離行為，因此，國(guó)內(nèi)反應(yīng)器的制造多采用雙層堆 焊工藝。(2) 帶極堆焊方法有埋弧堆焊(SAW)和電渣堆焊(ESW)兩種，常用的有第 一層埋弧帶極堆焊，第二層電渣堆焊，也有二層用同一種工藝方法堆悍的。(3) 電渣帶板堆焊時(shí)由于電流通過(guò)熔渣產(chǎn)生磁收縮效應(yīng)，會(huì)使焊道中間增厚而兩側(cè)產(chǎn)生咬邊。為了改善焊道成型，克服咬邊，需加磁控裝置。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用比 較多的是從SoudrnetaI公司購(gòu)進(jìn)的水冷焊頭及磁控裝置。(4) 20世紀(jì)80年代初，日本神鋼又開(kāi)發(fā)了高速帶極堆焊新工藝，堆焊速度在 14m/h以上，目的在于改善堆焊層的抗剝離性能。甘肅工業(yè)大學(xué)和蘭石廠也開(kāi)展了 這方面的研究，取得試驗(yàn)性結(jié)果。(5) 加氫反應(yīng)器小直徑接管內(nèi)壁采用自動(dòng)TiG堆焊或自動(dòng)藥芯焊絲氣保焊堆焊也得到了廣泛應(yīng)用，且極大地提高了生產(chǎn)效率。自動(dòng) TiG堆焊可堆焊管子的最小內(nèi)徑為50mm，長(zhǎng)度達(dá)2m。哈爾濱焊接研究所還研制了90°彎管的自動(dòng)TiG堆焊設(shè)備,滿足了國(guó)內(nèi)多家工廠的需要。此外蘭石廠、上鍋廠對(duì)較大直徑的接