國產(chǎn)焊材在12Cr2Mo1R鋼制重整反應(yīng)器中的應(yīng)用

付忠吉 馮偉 楊宏龍 王岑 杜金濤 王子偉

摘要：經(jīng)過多年發(fā)展，我國重整反應(yīng)器制造技術(shù)己日趨成熟，殼體鋼材已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，但其殼體的焊接材料卻未與殼體材料同步國產(chǎn)化，仍然主要依賴進(jìn)口。文中采用哈焊所焊材對12Cr2Mo1R鋼制重整反應(yīng)器主殼體進(jìn)行焊接，各項(xiàng)性能均能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)及重整反應(yīng)器等設(shè)備設(shè)計(jì)要求，這表明國產(chǎn)焊材的質(zhì)量和穩(wěn)定性已達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平，促進(jìn)了該耐熱鋼焊材的國產(chǎn)化，同時采用國產(chǎn)焊材可大大降低制造成本。

關(guān)鍵詞：重整反應(yīng)器;12Cr2Mo1R;國產(chǎn)焊材;焊接工藝

中圖分類號：TG42 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）10-0116-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.24

0 前言

重整反應(yīng)器是煉油化工裝置中的核心設(shè)備，長期工作在高溫、臨氫環(huán)境下，對材料的耐氫腐蝕、抗氫脆、抗回火脆化和蠕變脆化等性能有較高的要求。12Cr2Mo1R（即2.25Cr-1Mo）是制造該類設(shè)備的常用材料，德國和日本等國家很早就對其進(jìn)行了深入研究，并且對配套焊接材料也進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，其成果已經(jīng)成功應(yīng)用于大型反應(yīng)器的制造過程中。我國從20世紀(jì)80年代開始重整反應(yīng)器國產(chǎn)化進(jìn)程，目前制造重整反應(yīng)器的材料包括鍛件、板材、不銹鋼或鎳基堆焊材料均已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，但主殼體用焊接材料尚未實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，主要仍依靠進(jìn)口，其主要原因是國產(chǎn)2.25Cr-1Mo鋼焊接材料熔覆金屬的低溫沖擊韌性及回火脆性評定難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，且批次穩(wěn)定性能差。

近年來，隨著對2.25Cr-1Mo鋼焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，為了推進(jìn)2.25Cr-1Mo鋼用焊接材料國產(chǎn)化的進(jìn)程，蘭州蘭石重型裝備股份有限公司與哈焊所威爾公司就2.25Cr-1Mo鋼用配套焊材進(jìn)行了聯(lián)合研發(fā)，開發(fā)了2.25Cr-1Mo鋼用國產(chǎn)焊材，通過驗(yàn)證性試驗(yàn)及焊接工藝評定，在各項(xiàng)指標(biāo)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及特定產(chǎn)品技術(shù)條件要求的情況下，在將其應(yīng)用于某加氫裝置中的熱高壓分離器等2.25Cr-1Mo鋼制設(shè)備殼體焊接的基礎(chǔ)上，又成功應(yīng)用于12Cr2Mo1R鋼制連續(xù)重整反應(yīng)器的制造。

文中就采用國產(chǎn)2.25Cr-1Mo鋼用埋弧焊材（焊絲牌號為H10Cr2MoG，配套焊劑SJ150）和焊條（牌號R407C），結(jié)合某石化裝置中的“二合一”連續(xù)重整反應(yīng)器的制造，介紹12Cr2Mo1R鋼用國產(chǎn)焊接材料的應(yīng)用情況。

1 產(chǎn)品主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

“二合一”連續(xù)重整反應(yīng)器設(shè)計(jì)條件如表1所示，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示，主體材料選用國產(chǎn)12Cr2Mo1R鋼板，化學(xué)成分如表2所示。2.25Cr-1Mo鋼是目前在世界上廣泛使用的耐熱鋼，具有良好的高溫力學(xué)性能、抗高溫氧化性能、抗腐蝕性能、韌性以及可焊性[1]。但由于該鋼種碳當(dāng)量較高，淬硬傾向及焊接冷裂紋敏感性較大，同時其焊縫金屬具有較強(qiáng)的回火脆化傾向，如果焊接材料及焊接工藝選擇不當(dāng)，則容易產(chǎn)生焊接冷裂紋或降低焊縫金屬的抗回火脆化傾向性能。為避免上述問題，確保焊接接頭的各項(xiàng)性能滿足重整反應(yīng)器設(shè)計(jì)要求，需要嚴(yán)格控制焊接工藝和熱處理規(guī)范。

2 試驗(yàn)材料及方法

重整反應(yīng)器的焊接主要采用埋弧焊和焊條電弧焊;埋弧焊絲為H10Cr2MoG，配套焊劑SJ150;焊條牌號為R407C。焊材熔敷金屬化學(xué)成分如表3所示。

技術(shù)條件規(guī)定：X系數(shù)=（10P+5Sb+4Sn+As）×10-2≤15 ppm，式中元素以質(zhì)量ppm含量代入，如0.01%應(yīng)以100 ppm代入。由表3可知，焊接材料的X系數(shù)均符合技術(shù)條件要求。

此外，根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)條件要求，焊前對每一爐批號焊絲和焊劑的組合及焊條進(jìn)行高溫持久試驗(yàn)，焊縫熔敷金屬在經(jīng)受（Max.PWHT）模擬最大程度焊后熱處理（690 ℃×26 h）后，在510 ℃、210 MPa 載荷條件下經(jīng)650 h未發(fā)生斷裂。

2.1 坡口準(zhǔn)備

主殼體縱、環(huán)縫坡口均采用機(jī)加工制備而成，殼體開孔采用火焰切割，并預(yù)留機(jī)加工或打磨余量以消除其表面的熱影響區(qū);筒體縱、環(huán)縫采用單面U型坡口，接管與封頭之間的對接焊縫采用J型坡口，如圖2所示。

所有受壓元件的焊接接頭坡口在施焊前、背面碳弧氣刨清根并打磨消除滲碳層后，均應(yīng)該按NB/T47013.4 進(jìn)行100%磁粉檢測（MT），其線性缺陷及圓形缺陷質(zhì)量等級均為Ⅰ級。還應(yīng)采用便攜式硬度計(jì)對坡口面和清根后的槽面進(jìn)行硬度抽檢，硬度合格值≤225 HBW。

2.2 焊接工藝規(guī)范

殼體在焊接前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為150 ～250 ℃;預(yù)熱范圍為坡口及其兩邊寬度均不小于100 mm 區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)殼體厚度上應(yīng)維持均勻的預(yù)熱。具體焊接工藝參數(shù)如表4所示。

每條承壓焊縫應(yīng)盡可能地一次性連續(xù)焊接完畢，否則應(yīng)保持焊道溫度不低于預(yù)熱溫度直至重新開始焊接;為防止氫致裂紋的產(chǎn)生，焊接完畢后需立即進(jìn)行（300～350） ℃×（2～3） h的焊后消氫處理，縱縫、接管焊縫等高應(yīng)力區(qū)還應(yīng)增加爐內(nèi)中間消除應(yīng)力熱處理工序。

2.3 焊后熱處理規(guī)范

制定12Cr2Mo1R鋼焊接接頭的焊后熱處理規(guī)范時應(yīng)考慮冶金和工藝特點(diǎn)，焊后熱處理應(yīng)保證焊接接頭組織的改善，在機(jī)械性能與母材達(dá)到良好匹配的條件下，控制硬度、提高韌性水平，并盡可能地消除焊接應(yīng)力。參考工程實(shí)際設(shè)計(jì)文件要求，制定的產(chǎn)品最終焊后熱處理規(guī)范為690 ℃×8 h（即Act.PWHT），同時對產(chǎn)品試件進(jìn)行模擬最大程度焊后熱處理（Max.PWHT：690 ℃×26 h）。

2.4 無損檢測

12Cr2Mo1R鋼制重整反應(yīng)器制造完成后對承壓焊接接頭按NB/T47013規(guī)定進(jìn)行無損檢驗(yàn)，所有承壓焊縫射線檢測一次合格率達(dá)93.5%以上;且熱處理前、后，及水壓試驗(yàn)后對于殼體對接接頭的超聲檢測和磁粉檢測均為合格。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

產(chǎn)品焊接試板隨殼體同爐熱處理（即Act.

PWHT，指實(shí)際焊后熱處理）及分爐Max.PWHT模擬熱處理后，按NB/T 47016的規(guī)定和產(chǎn)品技術(shù)條件要求進(jìn)行焊縫金屬化學(xué)成分、焊接接頭常溫及565 ℃拉伸、彎曲、沖擊、硬度和金相組織測試[2]，各項(xiàng)測試結(jié)果如表5～表8所示，試板編號：①—筒體縱縫焊接試件;②—接管與封頭焊接試件。試板①焊接接頭金相組織如圖3所示，試板②焊接接頭金相組織如圖4所示。

對經(jīng)Act. PWHT熱處理狀態(tài)下的產(chǎn)品焊接試件進(jìn)行了回火脆化傾向評定試驗(yàn)即階梯冷卻試驗(yàn)，階梯冷卻工藝如圖4所示。焊接接頭回火脆化評定結(jié)果如表9所示。

設(shè)計(jì)條件中對抗回火脆性要求滿足VTr54+ 2.5ΔVTr54≤10 ℃;由上表可見，焊接接頭各部位回火脆性可滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上可知，重整反應(yīng)器焊縫金屬力學(xué)性能達(dá)到或優(yōu)于母材標(biāo)準(zhǔn)要求，系列溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果顯示焊縫金屬抗回火脆性良好，即焊接接頭各項(xiàng)性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這表明針對所選用的國產(chǎn)2.25Cr-1Mo鋼用焊接材料而制定的焊接工藝規(guī)范和熱處理規(guī)范是可行的，同時為12Cr2Mo1R鋼制重整反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)全面國產(chǎn)化積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)論

（1）采用哈焊所生產(chǎn)的R407C焊條、埋弧焊絲H10Cr2MoG配套SJ150焊劑施焊，熔敷金屬的化學(xué)成分符合技術(shù)條件的要求，熔敷金屬具有較高的純凈度[4-7]。焊材熔敷金屬和焊縫金屬的X系數(shù)均滿足重整反應(yīng)器X系數(shù)小于15 ppm的要求，具有較低的回火脆性敏感性[8]。

（2）熔敷金屬可獲得良好的強(qiáng)度與低溫沖擊韌性，其各項(xiàng)性能滿足技術(shù)條件的要求。

（3）熔敷金屬經(jīng)過最小焊后熱處理后的組織為回火貝氏體，鐵素體呈細(xì)小條束狀不規(guī)則分布，熔敷金屬低溫沖擊韌性良好[9]。

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