2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應器制造特點

白崇暉, 白崇陽，張正棠

（1. 中國石化銷售股份有限公司甘肅石油分公司，甘肅 蘭州 730030；2. 甘肅省城鄉發展投資集團有限公司，甘肅 蘭州 730000；3. 甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730050）

目前，隨著市場需求的擴大和石油化工生產技術的提高，對加氫反應器的要求也越來越高。加氫反應器按照結構分為鍛焊和板焊結構，主體材料為高強度、高韌性、具有優良抗氫能力的CrMoV 低合金高強度鋼[1]。近年來在CrMo 鋼中添加V 元素進行鋼種的改進，改良后的鋼具有更高的強度、韌性和抗氫能力[2-3]。經過多方研究和改良之后的2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼鍛件更是具有很多優良特性，其鍛件的焊接接頭在焊態下的硬度可達HV400，這一數值是生產大型壓力容器輕量化的保證，通過實驗發現2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼的沖擊吸收能量極低[4-5]，所以用此材料生產加氫反應器一般都是壁厚很厚的重型容器，焊后不可避免地會出現焊接殘余應力，所以必須進行焊后熱處理來消除殘余應力[6-9]。

文章以2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼鍛焊精制反應器為例，從各方面來介紹它的制造特點。

1 2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼反應器介紹

1.1 設備規格介紹

設備立式安裝總高為29 068 mm，規格：Φ 3 213 mm×18 783 mm×(150+6.5) mm(筒體)/（114+6.5）mm（封頭），體積為169 m3，金屬質量為325 393 kg。該設備的運行條件要滿足高壓、高溫條件，其設計壓力、工作壓力都比較高分別為17.5、15.85 MPa，其服役溫度也很高，設計溫度、工作溫度分別為420、390 ℃。

2 材料的焊接性能

2.1 化學成分分析

2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼鍛件的化學成分（爐煉分析）如表1，并與ASME SA-336、SA-182 標準中的相關數值作對比。

表1 2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼鍛件的化學成分 %

回火脆化敏感性系數計算如下：

X系數=（10P+5Sb+4Sn+As）×10-2≤12×10-6

式中各元素質量分數都以×10-6進行計算。J系數=（Si+Mn）（P+Sn）×104≤100（目標值≤80）式中所有元素都以百分數計算。

從表1 中的數據可以看出，2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛件的化學成分符合ASME SA-336、SA-182 標準中的相關數值。

3 2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼焊接特點

2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼與其他鋼材的區別就在于加入了Cr、Mo 合金元素，提高了本身的強度，但同時也增加了鋼本身的脆性，在焊接過程中反復加熱，一旦預熱、加熱溫度控制不好就會沿焊縫形成冷、熱裂紋。

2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼中除了Cr、Mo、V、Sb、P、S、Si 等元素外還有雜質元素，這些元素中有一部分極易形成碳化物產生再熱裂紋，由于熱應力的存在還有可能導致其他方向上的裂紋。一些元素在加熱過程中就會向奧氏體晶界偏析，降低強度。一般來說，焊接接頭的溫度在235～600 ℃范圍內長時間加熱會產生回火脆性。

焊接材料的選用主要是根據基層和堆焊層材料的性能來選擇，在焊接之前要嚴格進行評定選擇合適的焊接方法，本設備的焊接方法主要采用埋弧焊和手工自動焊。

首先，為了使材料融合性好，基層焊材采用與2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼焊接性能相匹配的焊材。為了提高材料的抗氫蝕能力，手工電弧焊采用低氫型耐熱鋼焊條，這樣焊后強度與母材匹配。埋弧自動焊采用帶氟堿型焊劑，二氧化硅含量極少，可以減少硅的滲入，提高焊縫金屬韌性，降低回火脆性。

4 2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼反應器焊接過程

4.1 接管法蘭與殼體對接接頭焊接

該部位焊接方式嚴格按照焊接工藝執行，電源直流反接，焊接電流、焊接電壓、焊接速度控制在標準范圍內。焊材過渡層采用E309L、表層焊材采用E347L，電源直流反接，焊接電流、焊接電壓、焊接速度控制在標準范圍內。外部采用手工電弧焊，焊材選用CM-A106HD，焊條直徑為Φ5.0 mm，電源直流反接，焊接電流、焊接電壓、焊接速度控制在標準范圍內。埋弧焊，焊材、焊條焊接之前都應進行嚴格的評定，電源直流反接，焊接電流、焊接電壓、焊接速度控制在標準范圍內。殼體壁厚較厚在接管與殼體焊接時首先進行預熱，基層預熱溫度在180 ℃以上，過渡層≥150 ℃，表層≥15 ℃，并且預熱的范圍在坡口兩邊寬度≥150 mm 處，焊后做好后熱處理及探傷。

4.2 環向焊縫焊接

筒體與封頭及過渡段間的焊縫都是環縫，焊接工作量大，故在該部位內部基層采用埋弧焊，電源采用交流電，焊接電流、焊接電壓、焊接速度控制在標準范圍內。其中過渡層焊材采用E309L、表層焊材采用E347L，電源直流反接，焊接電流、焊接電壓、焊接速度控制在標準范圍內。外部采用埋弧焊，電源采用交流電，焊接電流、焊接電壓、焊接速度控制在標準范圍內。殼體、封頭、過渡段在焊接時首先進行預熱，基層預熱溫度大于180 ℃，過渡層大于150 ℃，表層大于15 ℃，并且預熱的范圍在坡口兩邊寬度≥150 mm 處，并不小于母材的厚度，預熱要均勻。焊后做好后熱處理及無損檢測。

4.3 凸臺堆焊

凸臺堆焊基本上是用焊劑一層一層往上堆，達到堆焊層的高度要求。凸臺堆焊工作量是整臺設備焊接中工作量最大的一步，基本使用埋弧焊進行堆焊，埋弧焊電源采用交流電，焊接電流、焊接電壓、焊接速度控制在標準范圍內。為了保證凸臺堆焊層與基體融合性好，在堆焊之前進行預熱，控制預熱溫度為≥180 ℃，并且預熱要均勻，在焊接過程中一直處在加熱狀態，焊接過程嚴格控制層間溫度，凸臺堆焊至1/2 堆焊層時，進行中間消氫退火處理及MT 檢測。

5 2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼焊接質量控制

5.1 焊前準備及檢查

5.1.1 焊前焊接材料和人員檢查

焊接操作之前應對本設備焊接人員資格進行檢查，要求焊工資格在有效期內，并且具備一定的實際操作水平和經驗，對所使用的焊材牌號及規格與焊接工藝相匹配，Cr-Mo 鋼焊條采用的是低氫堿性焊材，使用之前必須按照工藝規定將焊材進行烘干和預熱。

在焊接之前根據不同的坡口設計來選擇焊接方法及不同材質選擇焊材牌號，經過數控等離子切割設備切割過的坡口必須在焊接之前采用冷加工的方法將坡口表面的過熱層和氧化層去除干凈。

5.1.2 坡口檢查

坡口在機加工完成后要進行除銹、除油，坡口表面進行無損檢測，對兩側邊緣進行清理，直至露出金屬光澤。

檢查坡口尺寸與對口錯邊量滿足工藝要求，由于該設備運行壓力較大，壁厚較厚，每次焊接之前須經預熱，預熱范圍盡可能在坡口兩側各150 mm，且不小于母材厚度。

對坡口基層、過渡層、表層每焊完一層后進行相應的檢測，檢測合格后方可進入下一步焊接工作。

5.2 焊接過程中檢查

設備所有的焊接接頭都要進行預熱處理，根據不同部位和坡口型式采用焊接工藝評定的預熱溫度。根據焊接評定試驗結果及生產實際情況，嚴格控制基層、過渡層、表層的預熱及焊接溫度。焊接過程中層間溫度，基層（180～250）℃、過渡層（180～250）℃、表層（15～100）℃。后熱消氫溫度及時間：基層（300～350）℃×2 h、過渡層（250～300）℃×1 h。在焊接及預熱是采用我單位技術人員發明的環形預熱工裝，對坡口進行均勻加熱，如圖1 預熱及加熱工裝。

圖1 筒體環縫預熱工裝

5.3 焊后檢查

2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼加氫反應器焊后焊接接頭表面質量應符合下列要求：

焊接接頭不得有影響焊接質量的缺陷，且焊接結束后存留在焊縫周圍的熔渣和飛濺須徹底清除，且復層焊縫不得有咬邊。

復層焊縫應與母材保持平齊，嚴格控制焊縫表面余高，基層焊縫與母材應圓滑過渡。

5.4 不合格焊縫返修要求

對于焊后不符合要求的焊縫應進行返修或者重焊。

經檢測發現焊縫表面有缺陷，如缺陷在表面，可用砂輪機打磨掉。打磨部位應與周圍圓滑過渡，并在打磨部位進行PT/MT 檢測。

對于檢測不合格焊縫，應采用清根處理，鏟除內部缺陷，重新補焊，再補焊之前在缺陷部位進行MT/PT 檢測。

對所有的補焊工藝都要做詳細的記錄，并且補焊應采用經過評定合格的焊接工藝。

6 結論

2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼壓力容器筒體壁厚一般都比較厚，在鋼材中加入的Cr、Mo、V 元素雖然可以提高鋼材硬度，但空淬傾向較大，焊接過程中易產生裂紋，所以預防焊接過程中焊接裂紋的出現將是今后考慮的一個主要問題。

影響2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼加氫反應器焊接的因素很多，必須對焊接工藝進行優化。

焊接工藝規范及熱處理工藝規范對提高焊接接頭的綜合性能非常關鍵。