400t級(jí)加氫反應(yīng)器筒體鍛造工藝研究

文/孫統(tǒng)輝，魯博，張瑞華·中信重工機(jī)械股份有限公司

王丹·中色科技股份有限公司

400t級(jí)加氫反應(yīng)器筒體鍛造工藝研究

文/孫統(tǒng)輝，魯博，張瑞華·中信重工機(jī)械股份有限公司

王丹·中色科技股份有限公司

孫統(tǒng)輝，工程師，主要從事特大型鍛件生產(chǎn)工藝的研究工作。

加氫反應(yīng)器是煉油、核電、煤液化等設(shè)備的關(guān)鍵裝備，筒體內(nèi)部工作介質(zhì)為油氣、氫氣、硫化氫催化劑，筒體工作環(huán)境惡劣，其質(zhì)量直接影響到設(shè)備的可靠性和安全性，因此不僅要求其冶金質(zhì)量好，同時(shí)還要求其具有高的強(qiáng)度、韌性、耐熱疲勞性等。

大型加氫反應(yīng)器的筒體由于其壁厚薄，尺寸大等特點(diǎn)，使得鍛造難度大，在鍛造過程中容易產(chǎn)生端面裂紋、“喇叭口”等缺陷，因此需要對(duì)其進(jìn)行工藝改進(jìn)，避免缺陷的產(chǎn)生。目前，我公司已經(jīng)成功鍛造了一批大型筒體鍛件，該項(xiàng)目為某煉油廠400t級(jí)加氫反應(yīng)器舊生產(chǎn)線升級(jí)改造項(xiàng)目。大型筒體的主要鍛造成形工藝為芯軸擴(kuò)孔鍛造法，大型筒體鍛造過程中容易出現(xiàn)端面裂紋、喇叭口等缺陷，嚴(yán)重影響筒體鍛件的成形質(zhì)量。本文重點(diǎn)介紹加氫反應(yīng)器筒體的鍛造工藝及缺陷預(yù)防。

筒體鍛件的技術(shù)要求

某煉油廠400t級(jí)加氫反應(yīng)器舊生產(chǎn)線升級(jí)改造項(xiàng)目共需九件鍛件，其中筒體類鍛件七件，最大筒體鍛件重量達(dá)107.8t，尺寸如圖1所示。該筒體鍛件毛坯壁厚僅287.5mm，氣割前長度為3600mm，重114760kg，是我公司承制的最大規(guī)格的筒體鍛件。該批次筒體鍛件材質(zhì)為14Cr1Mo，屬耐熱鋼，鍛坯選擇我公司自行煉制的195t雙真空鋼錠。

圖1 大型加氫反應(yīng)器筒體鍛件圖

大型加氫反應(yīng)器筒體鍛件鍛造基本工序?yàn)殇撳V加熱→拔長→下料→鐓粗、沖孔→芯棒拔長→馬杠擴(kuò)孔→修整出成品→鍛后熱處理→質(zhì)量檢驗(yàn)。在鍛件生產(chǎn)過程中必須滿足以下要求。

⑴化學(xué)成分要求?；瘜W(xué)成分必須（熔煉分析）符合ASME SA336-2004中對(duì)F11級(jí)、3類鍛件的要求，并按國標(biāo)規(guī)定的方法進(jìn)行分析，化學(xué)成分見表1。

⑵探傷要求。所有鍛件應(yīng)逐件按JB/T 4730.3-2005《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》進(jìn)行超聲波探傷和檢測(cè)。單個(gè)缺陷由缺陷引起的底波降低量和密集區(qū)缺陷均Ⅰ級(jí)合格，鍛件中不應(yīng)有裂紋和白點(diǎn)存在。

表1 14Cr1Mo 化學(xué)成分（熔煉分析）要求

⑶高低倍檢驗(yàn)。鍛件應(yīng)具有6級(jí)以上的晶粒度，晶粒度應(yīng)符合GB/T 6394-2002的規(guī)定。所有鍛件中的A、B、C、D類夾雜物均不得大于1.5級(jí)，且A類和C類之和，B類和D類之和不得大于2.0級(jí)，A、B、C、D類夾雜物綜合不得超過4.0級(jí)，取樣要求及評(píng)定方法按GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定-標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢測(cè)法》中B法評(píng)級(jí)圖Ⅱ。

鍛造成形

表2為大型筒體鍛件的變形工藝過程，各火次變形溫度需控制在800～1240℃之間。

表2 大型筒體鍛件的變形工藝

鍛造成形過程分析

大型加氫筒體鍛件壁厚薄、長度大、重量重，在技術(shù)方面具有相當(dāng)?shù)碾y度，需進(jìn)行嚴(yán)格的工藝控制。生產(chǎn)中該鍛件也容易產(chǎn)生各種鍛造缺陷，為了保證筒體鍛件最終的產(chǎn)品質(zhì)量，應(yīng)在以下火次做到提前預(yù)防。

⑴第Ⅱ火次。

該火次為帶鉗口鐓粗，且鐓粗時(shí)采取上鐓粗板，為了保證壓實(shí)效果，一般要求鋼錠鐓粗比不小于1.4，下料時(shí)要求坯料高度尺寸不能超過其直徑的2.5倍。

⑵第Ⅲ火次。

坯料鐓粗后尺寸為φ2950mm×2400mm；沖孔尺寸一般要求坯料直徑為沖頭直徑的2.5～3倍，生產(chǎn)中選擇φ1000mm的空心沖子。

沖孔時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)端面裂紋、壁厚不均（孔偏心、斜孔）等鍛造缺陷。對(duì)于大型筒體鍛件沖孔時(shí)一般采用空心沖子，目的是減少外層金屬的切向拉應(yīng)力，避免側(cè)表面裂紋，同時(shí)可沖出鋼錠心部質(zhì)量差的部分，沖孔時(shí)冒口向下，且對(duì)正鐓粗后坯料中心，這樣可以保證該鍛件在后續(xù)工序中進(jìn)行正常變形，否則易導(dǎo)致后續(xù)鍛造過程控制困難。沖孔之后需及時(shí)氣割脫離坯料基體時(shí)所產(chǎn)生的毛刺并清理可能存在的裂紋，若沖孔毛刺或裂紋未得到及時(shí)清理，則在后續(xù)變形過程中很可能會(huì)使裂紋向筒體基體部分延伸，導(dǎo)致筒體鍛件有效長度縮短，甚至有可能報(bào)廢。

⑶第Ⅳ火次。

芯軸拔長的目的是通過將沖孔后得到的空心坯料在長度方向上伸長，保證獲得足夠的長度，以滿足后續(xù)工序的變形和尺寸要求，生產(chǎn)中利用φ950mm的芯棒，將該鍛件拔長至高3550mm。

薄壁件在鍛造過程中熱量損失速度較快，尤其是筒體兩端，因此芯軸拔長時(shí)要求從兩端向中心按順序拔長，防止低溫鍛造產(chǎn)生端面裂紋影響鍛件質(zhì)量。生產(chǎn)中，因?yàn)椴捎昧松掀较耉進(jìn)行芯棒拔長，易導(dǎo)致材料應(yīng)力狀態(tài)不佳，使筒體在軸向和切向方向變形不均勻而產(chǎn)生橢圓形缺陷，嚴(yán)重影響鍛件的外形和尺寸，因此芯棒拔長時(shí)也應(yīng)嚴(yán)格控制變形的均勻性；芯棒拔長后端面不規(guī)則，且缺陷較多，因此需及時(shí)平整端面并清理可能出現(xiàn)的裂紋缺陷。

⑷第Ⅴ火次。

擴(kuò)孔的目的是通過鍛造使筒體在徑向獲得所需尺寸，通過修整達(dá)到鍛件成品尺寸的要求。生產(chǎn)中筒體鍛件預(yù)擴(kuò)尺寸為φ內(nèi)=3000mm。

擴(kuò)孔時(shí)主要缺陷為“喇叭口”。該缺陷的形成主要是因?yàn)殄懺爝^程中馬杠軸線并非處于水平位置，當(dāng)馬杠軸線與寬砧下平面有角度時(shí)，則馬杠較高的一端壓下量偏大，較低的一端壓下量偏小，最終導(dǎo)致筒體鍛件整體呈“喇叭口”狀，擴(kuò)孔時(shí)也容易形成筒體截面橢圓形缺陷。為了有效防止“喇叭口”及橢圓形鍛造缺陷，鍛造過程中我們采用了專門的擴(kuò)孔砧進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔時(shí)確保馬杠軸線水平，并保證馬杠軸線與擴(kuò)孔砧運(yùn)動(dòng)方向相互垂直，同時(shí)實(shí)時(shí)觀察筒體兩端直徑的變化情況，及時(shí)調(diào)整壓下量，使壁厚均勻。

加氫筒體鍛件成形

通過預(yù)防鍛造過程中可能出現(xiàn)的缺陷，最終獲得表面質(zhì)量良好、尺寸完整和無缺陷的大型加氫反應(yīng)器筒體鍛件。在此基礎(chǔ)上，該批次大型加氫反應(yīng)器筒體鍛件均順利完成，成品如圖2所示。

鍛后熱處理

鍛件成形后采用了兩次正火與一次回火的熱處理工藝（圖3），通過正火調(diào)整筒體的硬度，并使筒體鍛件晶粒細(xì)化、組織均勻，以利于后續(xù)機(jī)加工。而足夠的回火時(shí)間可以消除鍛件內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)使筒體鍛件內(nèi)部充分?jǐn)U氫，減少白點(diǎn)危害，為大型筒體鍛件的最終熱處理做準(zhǔn)備。

圖2 大型加氫反應(yīng)器筒體鍛件成品

圖3 熱處理工藝

結(jié)論

在后續(xù)加工中對(duì)鍛件進(jìn)行了化學(xué)成分、超聲波探傷、力學(xué)性能檢驗(yàn)，七件筒體鍛件各項(xiàng)指標(biāo)均符合技術(shù)要求。本文通過討論分析內(nèi)徑和外徑尺寸分別達(dá)φ4205mm和φ4780mm、長度為3600mm的大型加氫反應(yīng)器筒體鍛件的鍛造工藝及其鍛造過程中可能出現(xiàn)的缺陷，經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐，得出以下結(jié)論。

⑴通過使用專用的擴(kuò)孔砧，擴(kuò)孔時(shí)實(shí)時(shí)觀察筒體兩端直徑的變化情況，及時(shí)調(diào)整兩端頭的壓下量，使壁厚均勻，有效地避免了筒體橢圓及“喇叭口”缺陷。

⑵經(jīng)檢驗(yàn)，大型加氫反應(yīng)器筒體鍛件的化學(xué)成分、超聲波探傷、力學(xué)性能等均滿足要求。

⑶該批次大型加氫筒體鍛件為我公司承制的最大規(guī)格的筒體鍛件，該批次筒體鍛件的成功鍛造，充分說明鍛造工藝設(shè)計(jì)合理，為公司繼續(xù)提升該類鍛件的鍛造生產(chǎn)能力打下了良好的基礎(chǔ)。