15CrMoR不銹鋼復合板設備制造工藝的改進

楊 毅 李雪秦

(廣西壯族自治區桂林化工機械廠)

廣西某化工廠兩臺在役的低壓廢熱鍋爐由國內某工程公司設計、制造，主體材料為15CrMoR+00Cr19Ni10(18+3)，管箱設備法蘭、進出口法蘭和接管均采用15CrMoⅣ堆焊00Cr19Ni10(過渡層堆焊A402、面層堆焊A002)，設計壓力為4MPa,設計溫度為280℃，介質為變換氣。

設備運行一年后大修，發現管箱內不銹鋼側焊縫附近、法蘭和接管的堆焊層均產生大量裂紋，經打磨發現部分裂紋無法消除，且已經裂至基層面，如繼續使用將帶來安全隱患。

1 原焊接和熱處理工藝流程存在的缺陷

經現場考察，發現管箱不銹鋼側焊縫附近、法蘭和接管的堆焊層產生大量裂紋，而復合板面沒有裂紋，也沒有任何損傷和缺陷。查閱設計文件和設備出廠資料，其焊接、檢測和熱處理工藝流程為：縱縫基層焊接→RT、MT檢測→過渡層堆焊→PT檢測→面層堆焊→PT檢測→環縫基層焊接→RT、MT檢測→過渡層堆焊→PT檢測→面層堆焊→PT檢測→接管與筒體基層焊接→接管、法蘭過渡層堆焊→PT檢測→面層堆焊→PT檢測→整體熱處理(650±20℃×1.5h)、冷卻(速度200℃/h)→法蘭密封面機加工。

由于焊接(特別是在堆焊和熱處理過程)過程中，溫度在450～850℃范圍內停留時間較長，致使碳化鉻在晶間沉淀，造成晶界附近貧鉻，使焊縫和焊縫熱影響區產生晶間腐蝕。而僅經一次整體熱處理和快速冷卻，基層的焊接和過渡層堆焊產生的焊接應力并沒有得到有效消除。文獻[1]表明：在H2S存在情況下，經過焊接或者在430～815℃范圍內敏化過的奧氏體不銹鋼最易引起連多硫酸晶間腐蝕，接著引起連多硫酸應力腐蝕破壞。因此，初步判定管箱焊縫、焊縫附近和堆焊層產生的裂紋是奧氏體不銹鋼被敏化，進而造成晶間腐蝕，最終導致應力腐蝕破壞。而上述工藝過程無法消除晶間腐蝕和應力腐蝕傾向。

2 新焊接和熱處理工藝流程及焊接工藝評定結果

根據用戶提供的信息：近年生產原料所用的煤品質比委托工程公司的設計要求差，管程變換氣中的S、H2S含量較高，導致不銹鋼晶間腐蝕傾向、應力腐蝕傾向更大，雙方商量決定將不銹鋼主體材料改為15CrMoR+022Cr17Ni12Mo2(18+3)，法蘭、接管采用15CrMo1V堆焊022Cr17Ni12Mo2(過渡層堆焊A402、面層堆焊A022)。

筆者編制焊接、檢測、熱處理工藝流程為：縱縫基層焊接→RT、MT檢測→消除應力熱處理→堆焊過渡層→PT檢測→中間熱處理→堆焊面層→PT檢測→接管、法蘭堆焊過渡層→PT檢測→中間熱處理→堆焊面層→PT檢測→接管與法蘭、筒體焊接→MT檢測→消除應力熱處理→堆焊過渡層→PT檢測→中間熱處理→堆焊面層→PT檢測→環縫基層焊接→RT、MT檢測→消除應力熱處理→堆焊過渡層→PT檢測→中間熱處理→堆焊面層→PT檢測→整體熱處理(590±15℃×1.0h)，冷卻(速度260℃/h)→機加工法蘭密封面。

為了避免奧氏體不銹鋼再次中溫加熱致使敏化區腐蝕，上述工藝過程中堆焊、過渡層和覆層的焊接工序也采取了相應措施：接管、法蘭堆焊是置工件于流動水槽中，硬泡深度為焊件厚度的2/3，且要求前一焊道與后一焊道之間距離為100mm，目的在于更好地控制堆焊層間溫度；復合板過渡層、覆層焊接時采用直徑φ3.2mm的焊條、焊接電流140～150A、電弧電壓22～24V、焊接速度13～15cm/min和線能量16.61kJ/ cm。焊接過程中檢驗人員使用紅外線測溫儀對焊接熱量進行監控，要求焊縫兩邊50mm處溫度不得高于300℃。

以上工藝流程中基層15CrMoR與15CrMo1V之間焊后即進行650℃×1.5h的熱處理，使焊縫和熱影響區硬度下降到規定值以下，焊接應力被完全消除。所有過渡層堆焊后也經過中間熱處理，使得基層堆焊過渡層產生的應力得以釋放。為保證復合層的耐腐蝕性，復合板焊后熱處理溫度應低于純基層材料的熱處理溫度，面層不銹鋼進行590℃×1.0h的熱處理[2]，且以較快的速度進行冷卻，減少不銹鋼材料在450～850℃范圍內停留時間過長而被敏化和可能發生的σ相析出可能性。對以上工藝流程中的焊接工藝按文獻[2]進行評定，晶間腐蝕試驗結果合格。

3 其他過程的控制

為確保管箱的制造質量，在管箱制造過程中除嚴格執行以上焊接、檢測和熱處理工藝流程外，對其他各環節也需加強控制：嚴把材料關，對所用的復合板逐張檢查鋼板表面質量和材料標記，進行化學成分、力學性能、冷彎性能和超聲檢測復驗；為了避免鐵離子污染不銹鋼，管箱制造在專用場地(不銹鋼車間)完成，從材料的吊裝、下料切割、卷板、組焊到試壓、酸洗鈍化，整個過程必須按照本廠作業指導書《不銹鋼容器制造管理規定》進行；按以上工藝流程做焊接試板，對復合不銹鋼、焊接接頭及其熱影響區按文獻[2]做彎曲試驗，試樣表面沒有晶間腐蝕裂紋后方能施焊；清除管箱內壁焊縫上的熔渣和兩側的飛濺物，打磨焊縫棱角，使焊縫與母材圓滑過渡，減少應力集中；整體熱處理后，再次沿200mm間距格子線按文獻[3]進行超聲檢測，檢查復合板的貼合率，不銹鋼表面按文獻[4]進行100%滲透檢測，1級為合格。

4 設備使用情況

兩臺低壓廢熱鍋爐管箱2009年2月份制造完畢，3月中旬交付使用，至今運行三年多，中間經過兩次檢修，經檢查，焊縫、焊縫附近和堆焊層均沒有裂紋，使用正常，用戶滿意。

5 結束語

15CrMoR 不銹鋼復合板按相關標準規定制備，基層15CrMoR焊后必須進行消除應力的熱處理，而復層奧氏體不銹鋼接觸晶間腐蝕環境，有晶間腐蝕和應力腐蝕傾向，又必須避免中溫加熱和緩冷，防止敏化區腐蝕，只采取一次整體熱處理難以完全消除焊接應力和奧氏體不銹鋼敏化。采取焊接、分層中間熱處理和無損檢測的工藝流程制造設備，保證了設備制造質量。

[1] 任凌波，任曉蕾.壓力容器腐蝕與控制[M].北京：化學工業出版社，2003：249.

[2] HG 20584-1998，鋼制化工容器制造技術要求[S].北京：國家石油和化學工業局，1998.

[3] GB/T 4334.5-2000，不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法[S].北京：國家質量技術監督局，2000.

[4] JB4730.3-2005，承壓設備無損檢測：超聲檢測[S].北京：國家發展和改革委員會，2005.