氣化爐不銹鋼藥芯焊絲堆焊工藝研究及應用

■ 金明峰，杜繼紅，羅永飛，高宏鳴，昌 佳

1. 概述

煤氣化爐長期在高溫、高壓環境下運行，其主要產品合成氣主要由H2S、CO、H2、CO2、N2等強腐蝕性介質組成，因此對氣化爐相關工作區域（如激冷室、椎體內壁等）提出了很高的耐腐蝕性能要求。根據腐蝕介質的不同，目前主要采用不銹鋼耐腐蝕及鎳基材料耐腐蝕兩種方式。

采用含Mo的18-8型316L超低碳不銹鋼作為耐蝕材料，并要求焊縫金屬具有一定量的δ鐵素體，可使耐蝕層具有優良的耐腐蝕性能和抗裂性能（如典型的316L型不銹鋼）。在Cr-Mo合金鋼上堆焊不銹鋼，在堆焊焊縫側將產生脆硬的馬氏體組織，降低堆焊焊縫的晶間腐蝕性能，為此采用含Cr量較高的25-13型Cr-Ni奧氏體不銹鋼（如309LMo）作為過渡層，可使耐蝕層的化學成分和其他各項性能更容易達到要求。

堆焊方法的選擇主要考慮稀釋率、熔敷速度、成本及適用性等因素。藥芯焊絲氣體保護焊由于操作靈活且生產效率較高，可用于氣化爐接管內徑＞300mm的接管內壁堆焊，對此我們進行了大量的焊材選型及焊接熱處理工藝試驗，選取滿足氣化爐特殊技術要求的不銹鋼藥芯焊絲，掌握了不銹鋼藥芯焊絲氣體保護焊堆焊工藝及接頭性能影響機理，為合理堆焊工藝制定及生產指導提供技術支持。

表1 各廠家309LMo及316L藥芯焊絲典型化學成分（質量分數）（%）

2. 試驗

我們分別對國內外三個廠家（廠家代號分別為GT、DS、JQ）的309LMo+316L不銹鋼藥芯焊絲堆焊組合進行了系列的焊接及熱處理工藝試驗，現詳細介紹如下。

（1） 試板焊接及熱處理 E309LMoT1—1及E316LT1—1藥芯焊絲熔敷金屬化學成分主要技術要求及各廠家典型數據如表1所示。

各廠家藥芯焊絲均采用CO2氣體保護焊進行堆焊（100%CO2），堆焊前母材試板預熱至100～150℃，堆焊309LMo過渡層（3～4mm）后進行一次300～400℃、3～4h的消氫熱處理，隨后進行（或不進行）中間消除應力熱處理（ISR），再堆焊316L面層，最后進行最終熱處理（SR）。過渡層及面層堆焊時搭接量為前一堆焊焊道的40%～50%（4～7mm）。中間熱處理的目的主要在于消除焊接殘余應力及擴散氫，軟化組織，防止在最終熱處理前先焊部位出現延遲裂紋；最終熱處理的目的主要在于消除焊接殘余應力，改善焊縫組織（一般與氣化爐整體熱處理一并進行）。堆焊過渡層后進行的消氫熱處理在一定程度上釋放了焊縫組織中的氫元素，降低了接頭的冷裂傾向，為此試驗時進行了帶和不帶中間消除應力熱處理兩種情況，以評估取消中間消除應力熱處理（ISR）的可行性。

各廠家不銹鋼藥芯焊絲試板編號如表2所示，其余焊接參數如表3所示。

（2）檢測及結果 各廠家藥芯焊絲焊接工藝性能良好，差異不大。各試板宏、微觀檢測均未發現缺陷，距熔合線6mm處焊縫組織均為奧氏體加少量δ鐵素體。

表2 各編號試板熱處理規范

表3 各試板焊接參數

各試板堆焊層化學成分及按WRC—1992圖確定的FN數如表4所示。各試板采用磁性儀測得鐵素體含量及其他各項性能如表5所示。

（3）分析及討論 總體而言，各廠家藥芯焊絲堆焊組合化學成分（過渡層及面層）及FN鐵素體數（主要是距熔合線4mm以上的面層，根據WRC圖）能滿足氣化爐產品相關技術要求。通過表4可以看出，各試板距熔合線4mm以上焊縫化學成分趨于穩定。根據表4可知，中間熱處理對堆焊層化學成分及根據WRC—1992圖示法確定的FN數影響不大。

GT、DS試板彎曲試驗均未出現彎裂現象，JQ兩塊試板均出現了彎裂現象，雖然符合評定標準（NB/T47014），但也說明其焊絲堆焊層焊縫金屬塑性相對較差。

各廠家試板按GB/T4334 E法不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗法通過晶間腐蝕試驗，均未出現晶間腐蝕裂紋。

各廠家試板的各試驗位置處硬度均在技術要求范圍內（參照我公司某氣化爐項目硬度要求HV10≤240）。由表5可知，在本試驗范圍內，未發現中間熱處理對硬度（主要是母材及熱影響區）性能有明顯影響。

焊縫中含有一定數量的δ鐵素體可以提高焊縫的晶間腐蝕性能及抗裂性能，但過多的δ鐵素體在長期高溫環境下運行，可能會使鐵素體δ相轉變為脆化的σ相，因此應控制δ鐵素體的含量，氣化爐堆焊層鐵素體含量要求一般為FN3-8（按WRC—1992）。目前對于不銹鋼鐵素體含量的測定主要有磁性直接測定法、圖示間接測算法（WRC、Delong、Schaeffler等圖）及金相檢測法等。

各廠家試板根據WRC圖示法確定的FN數滿足相關技術要求，其中DS試板略高于標準規定，JQ公司JQ02試板距熔合線6mm處FN偏下限。GT試板采用磁性儀法測定δ鐵素體含量滿足技術要求，且距熔合線2mm、4mm、6mm處較穩定，差異較小；而DS、JQ試板采用磁性儀法測定的距熔合線4mm以上δ鐵素體含量較低，且各位置處含量差異較大。各試樣采用磁性儀法測得的鐵素體含量與圖示法測得的鐵素體含量有差異，采用磁性儀檢測法情況下，未進行中間消除應力熱處理試樣鐵素體含量整體高于進行了中間消除應力熱處理試樣，WRC圖示法主要基于化學成分（Cr、Ni當量）測算鐵素體數，不能反映熱處理條件（及其他對化學成分影響不明顯的工藝參數）對鐵素體含量的影響。

表4 各試板各堆焊位置處化學成分（質量分數） （%）

表5 各試板其他各項性能

中間消除應力熱處理溫度較低（遠低于奧氏體轉變溫度），熱力學上不滿足發生鐵素體到奧氏體轉變的條件，未進行中間熱處理試樣鐵素體含量整體高于進行了中間熱處理的試樣。中間消除應力熱處理對消除焊接殘余應力具有積極作用，為保證堆焊層的耐蝕及抗裂性能，條件允許下應盡量進行中間消除應力熱處理。

（4）總結與應用 ①各廠家309LMo及316L藥芯焊絲焊接工藝性能良好，無明顯差異，GT廠焊絲組合過渡層焊絲與面層焊絲配合優良，可得到無論是化學成分還是鐵素體含量（圖示法及磁性儀法兩種檢測方法）均較穩定的堆焊層組織。②各廠家焊絲組合堆焊試樣按GB/T4334方法E法進行晶間腐蝕試驗通過，晶間腐蝕性能滿足標準技術要求。GT及DS焊絲堆焊層塑性良好，彎曲試驗未出現彎裂現象，JQ焊絲堆焊層塑性相對略差，出現了彎裂現象。各廠家藥芯焊絲組合堆焊層硬度性能均滿足氣化爐相關技術要求。③各廠家藥芯焊絲堆焊組合中：GT公司藥芯焊絲綜合性能更為良好，可選擇其用于氣化爐不銹鋼藥芯焊絲氣保焊堆焊，已成功應用于我公司多個氣化爐項目；DS公司藥芯焊絲堆焊層化學成分及鐵素體含量（按WRC計算FN偏高）均勻穩定性有待提高，并需進一步的驗證；JQ公司藥芯焊絲鐵素體含量偏下限，且堆焊焊縫塑性較差，需提高和進一步的驗證。

3. 結語

（1）堆焊316L藥芯焊絲時采用309LMo藥芯焊絲進行過渡層焊接可起到很好緩沖母材稀釋影響的過渡作用，可使堆焊層化學成分及力學性能滿足氣化爐相關技術要求。

（2）采用磁性儀檢測法測得的鐵素體含量與WRC圖示法測得的鐵素體含量有差異，WRC圖示法不能反映熱處理條件（及其他對化學成分影響不明顯的工藝參數）對鐵素體測量的影響。中間熱處理對WRC圖示法確定的鐵素體含量影響不大，對磁性儀檢測法確定的鐵素體含量有一定影響。采用磁性儀檢測法情況下，未進行中間消除應力熱處理試樣的鐵素體含量高于進行了中間消除應力熱處理試樣的原因可能是由殘余應力引起奧氏體組織順磁性改變而造成磁性儀測量誤差所引起的。

（3）中間熱處理對堆焊層化學成分影響不大，但對消除焊接殘余應力有積極的作用，為保證堆焊層的耐蝕及抗裂性能，條件允許下應盡量進行中間消除應力熱處理。