加釩Cr-Mo臨氫鋼復合板的爆炸焊接實驗研究

馮 健，劉富國，侯國亭

1.舞鋼神州重工金屬復合材料有限公司，河南 平頂山 462500

2.洛陽雙瑞金屬復合材料有限公司，河南 洛陽 471800

近年來，重質油裂化和媒化工等新工藝不斷涌現，要求加氫設備材料能夠耐受高溫高壓等苛刻條件下的臨氫環境。因此，國外技術人員早在20世紀80年代就研發了具有更高強度，且滿足高溫、高壓等苛刻條件下的臨氫環境中使用的新材料，如加釩Cr-Mo臨氫鋼2.25Cr-1Mo-0.25V[1]。我國技術人員在研發加釩Cr-Mo臨氫鋼的過程中也取得了一定的成果，梅麗華等[2]取得了2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應器的研制成果，宋昆晟等[3]總結了2.25Cr-1Mo-0.25V鋼產生焊縫回火脆化的原因和預防措施；馬喜龍等[4-5]分別探討了熱處理工藝對2.25Cr-1Mo-0.25V加釩Cr-Mo臨氫鋼低溫韌性和相變溫度的影響，取得了積極的成果，并成功運用到生產實踐中。但是，到目前為止，我國對加釩Cr-Mo臨氫鋼復合板的研發還處于空白階段,尚未發現任何關于釩Cr-Mo臨氫鋼復合板的研究成果或文獻。我國大型加氫設備所使用的加釩Cr-Mo臨氫鋼復合板主要依賴進口或使用堆焊工藝生產，極大增加了設備制造成本和制造工期。因此開發研究高效、快捷的爆炸焊接加釩Cr-Mo臨氫鋼復合板生產工藝技術，積極促進了我國加釩Cr-Mo臨氫鋼復合板的國產化，具有良好的社會效益和經濟效益。文章實驗研究的側重點為加釩Cr-Mo臨氫鋼復合板的爆炸焊接工藝技術，對于這種材料的進一步驗證實驗如臨氫環境下長時間運行的可靠性，氫致剝離實驗，高溫持久及蠕變試驗，回火脆化傾向性評定實驗等基礎性數據，還有待相關領域科研人員繼續深入研究。

1 實驗材料及過程

1.1 實驗材料

實驗基板選用國內某鋼廠生產的2.25Cr-1Mo-0.25V鋼板，規格尺寸為100mm×1000mm×1800mm；實驗復板選用太鋼生產的S32168，規格尺寸為3mm×1040mm×1840mm。兩種金屬材料的物理化學性能如表1～表4所示。

表1 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼板的化學成分（質量分數）單位：%

表2 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼板的室溫力學性能

表3 S32168鋼板的化學成分（質量分數） 單位：%

表4 S32168鋼板的力學性能

1.2 試驗過程

（1）爆炸焊接。目前國內外爆炸焊接工藝都是采用平行式爆炸焊接裝置，即基板和復板均平行放置在爆炸基礎上，炸藥經雷管引爆后，爆轟波以炸藥爆炸速度Vd向四周傳播，復板在爆轟波作用下以速度Vp碰撞基板，從而達到基復板焊接的目的[6]。為爆炸焊接平行安裝法與參數關系分解示意如圖1所示，一般假設爆炸焊接的碰撞點移動速度Vc與炸藥的爆炸速度Vd相等，這樣炸藥爆轟波驅動復板沖擊基板的速度Vp可用式（1）表示[7]：

圖1 爆炸焊接平行安裝法與參數關系分解示意

式中：Vp為復板沖擊基板的下落速度，m/s；Vd為炸藥爆炸速度，m/s；β為復板動態彎折角，一般為2°～25°。

式（1）中的三個參數Vp、Vd、β呈線性函數關系，除了炸藥爆速可以根據要求預先調配，其他兩個參數Vp和β都和兩板之間的間距、裝藥厚度有關。在爆炸焊接生產過程中，其工藝參數一般通過經驗公式進行計算。單位面積裝藥量和裝藥厚度的經驗公式如下[8]：

式中：Wg為單位面積裝藥量，g/cm2；Kg為裝藥系數，取值1.5；δ0、δ1分別為裝藥厚度和復板厚度，cm；ρ0、ρ1分別為炸藥密度和復板密度，g/cm3。

計算兩板之間的間距經驗公式如下：

在已知復板密度ρ1=7.93g/cm3、厚度δ1=3mm，預先配置的炸藥爆速Vd=2300m/s、密度ρ0=0.65的情況下，可以計算出爆炸焊接理論裝藥厚度δ0=3.55cm，兩板間距參數h=0.77cm。關于板間距h、炸藥爆速Vd和復板動態彎折角β之間的關系，戴九洲[9]整理得出了它們之間的關系式如下：

根據式（5）和式（1），可以計算出爆炸焊接的兩個動態參數：Vp=670.74m/s；β=16.77°。

從理論計算結果中可以看出，復板動態彎折角為16.77°，符合理論上動態彎折角為2°～25°的要求；復板沖擊基板的下落速度為670.74m/s，也符合汪旭光[10]所提出的復板沖擊基板的最小速度應大于304m/s的要求，因此經修訂后爆炸焊接實驗采用的爆炸焊接參數如下：Vd=2300m/s；δ0=35mm；h=7mm；Vp=638m/s；β=16°。

采用修訂后的參數對選材的復合板進行爆炸焊接，爆炸焊接前后的金屬復合板S32168/2.25Cr-1Mo-0.25V如圖2、圖3所示，爆炸焊接后經現場UT超聲無損檢測，除了起爆點有Φ20mm區域未復合，其余部分全部實現冶金復合。

圖2 爆炸焊接前的S32168/2.25Cr-1Mo-0.25V金屬復合板

圖3 爆炸焊接后的S32168/2.25Cr-1Mo-0.25V金屬復合板

（2）熱處理。爆炸焊接金屬復合板由于存在爆炸焊接應力，需要進行消除應力熱處理。因為爆炸焊接的材料是由兩種不同物理化學性質的板材組合而成，所以在有關標準和壓力容器設備設計中，要求這種新型復合板材在熱處理后既要保證基層材料的力學性能，又要保證復層材料的耐腐蝕性能，即要兼具兩種板材的原有熱處理狀態，《壓力容器用復合板第1部分:不銹鋼-鋼復合板》（NB/T 47002.1-2019）[11]中對此就給出了明確說明。文章用于爆炸焊接實驗所使用的板材為2.25Cr-1Mo-0.25V容器板和S32168不銹鋼板，根據《鍋爐和壓力容器用鋼板》（GB 713—2014）和《壓力容器》（GB 150.1～150.4—2011）[12-13]規定，2.25Cr-1Mo-0.25V容器板交貨狀態為正火加回火；復層不銹鋼板S32168的交貨狀態為固溶。兩種板材經爆炸焊接后，組合成了一種新型的層狀復合板材，但很難對這種新型復合板材進行熱處理，多年來相關領域科研人員一直試圖尋找一種合適的熱處理工藝，可是由于兩種板材的熱處理狀態差別很大，遵循一種板材的熱處理狀態，則會破壞另一種板材的原始熱處理狀態。對于爆炸焊接復合板材的熱處理，相關設計單位在技術要求條款中一般要求熱處理后需要保證兩種組合板材之前的交貨狀態，從理論上講，這樣的要求是矛盾的，也是不可能實現的。為了解決爆炸焊接復合板材熱處理工藝的混亂和模糊狀態，應用《承壓設備焊后熱處理規程》（GB/T 30583—2014）[14]的熱處理標準，明確規定復合板消除應力熱處理工藝和設備參考此標準的相關要求，并且注明采用低于基材回火溫度所進行的復合板消除應力熱處理，應視為不會改變基材的原有熱處理狀態。這樣就統一了對復合板熱處理的認識，消除了檢查、監管等部門對復合板熱處理后是否已經改變原組合板材熱處理狀態的誤解或爭議。綜上所述，該實驗采用《承壓設備焊后熱處理規程》（GB/T 30583—2014）給出的熱處理規范參數，熱處理保溫溫度為650℃；保溫時間為4.12h，溫度從80℃升至120℃。熱處理曲線如圖4所示。

圖4 熱處理曲線

2 實驗結果

根據標準要求對消除應力熱處理后的S32168/2.25Cr-1Mo-0.25V金屬復合板進行取樣，分別進行晶間腐蝕（E法）和力學性能實驗。實驗數據表明，復層晶間腐蝕符合標準要求，力學性能參數符合標準要求且性能優良。力學性能實驗數據結果如表5所示。晶間腐蝕和力學性能試樣分別如圖5、圖6所示。

表5 S32168/2.25Cr-1Mo-0.25V金屬復合板的力學性能

圖5 晶間腐蝕（E法）彎曲試樣

圖6 力學性能檢測試樣

3 結論

（1）實驗證明，通過簡潔明了的經驗公式對爆炸焊接參數進行估算，然后再驗證優化，是設計爆炸焊接參數的一個有效途徑。文章利用該方法計算的爆炸焊接技術參數，經優化后成功運用于爆炸焊接S32168/2.25Cr-1Mo-0.25V金屬復合板生產工藝中，經UT檢測表明，該金屬復合板產品的結合狀態和結合率達到或超過了相關行業或國家標準的要求。

（2）經消應力熱處理后的S32168/2.25Cr-1Mo-0.25V金屬復合板，其理化性能指標完全滿足《壓力容器用復合板第1部分：不銹鋼-鋼復合板》（NB/T 47002.1—2019）中對壓力容器用金屬復合板的技術要求，因此該實驗制訂的熱處理工藝也是正確而有效的。

（3）該爆炸焊接參數計算方法和消除應力熱處理生產工藝可以推廣應用到其他鋼種如S31603、S30403；1Cr-0.5Mo；1Cr-0.5Mo-V等復合板的爆炸焊接生產實踐中。