2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應器焊接工藝改進及優化措施

張國強，孫寶財，張正棠，張官正

(1.甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730050； 2.甘肅睿軒科技咨詢有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

目前，隨著石油化工產業技術的不斷提高，煉油化工行業對加氫反應器的需求也越來越大。加氫反應器主要采用鍛焊結構和板焊結構，一般由具有高強度、高韌性、優良抗氫能力的CrMoV低合金高強度鋼制造[1]。隨著壓力容器大型化的整體發展趨勢，其重量和壁厚也在不斷增加，這就對壓力容器的設計和制造提出了嚴格的要求。近年來在CrMo鋼中添加V進行鋼種的改進是主要的發展趨勢，使其具有更高的強度、韌性和抗氫能力[2-3]。2.25Cr-1Mo-0.25V鋼具有很多優良性能，但其沖擊吸收能量極低[4-5]，所以用此材料的生產的加氫反應器壁厚較厚，焊后不可避免地會出現焊接殘余應力，故焊后必須進行熱處理來消除殘余應力[6-9]。

筆者結合某公司的生產制造經驗，以2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛焊精制加氫反應器為例，介紹了2.25Cr-1Mo-0.25V鋼在各個環節提出了工藝改進及優化措施及不同結構在不同焊接階段的注意事項，通過對焊接接頭夏比沖擊試驗和拉伸力學性能測試結果表明，主體A、B類焊縫性能滿足標準要求。有效減少了裂紋的產生，通過RT檢測焊縫一次合格率大幅提高，同時綜合考慮焊接工藝和熱處理工藝對加氫反應器的影響，提高了焊接接頭的綜合性能，為加氫反應器的成功制備提供了參考。

1 設備及材料的焊接性能分析

1.1 設備規格介紹

設備參數見表1所列。

表1 設備參數

設備立式安裝總高29 068 mm，規格：Φ3213 mm×18 783 mm×(150+6.5)mm(筒體)/(114+6.5)mm(封頭)，體積169m3。設備主要受壓元件材料為2.25Cr-1Mo-0.25V，金屬質量為325 393 kg。

1.2 化學成分分析

2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛件化學成分如表2所示，并與ASME SA-182、SA-336標準中的數值作對比，驗證材料的適用性。

表2 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛件的化學成分%

其中，回火脆性敏感系數滿足如下要求：

X=(10P+5Sb+4Sn+As)×10-2

(1)

式中：元素以ppm含量帶入，如0.01%應以100 ppm代入，滿足X≤12 ppm。

J=(Si+Mn)(P+Sn)×104≤100

(2)

式中：元素以重量百分數含量帶入，如0.15%應以0.15代入，滿足J目標值≤80。

從表2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，材料符合要求。

1.3 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊接特點

(1) 硬而脆 由于加入了Cr、Mo合金元素，提高材料強度硬度的同時，鋼的脆性也提高了。

(2) 易產生熱裂紋 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼極易形成低熔點碳化物，使焊接接頭處由于過熱而具有再熱裂紋傾向，溫度控制稍有不慎就會產生熱裂紋。在回火溫度350～500 ℃范圍內長時間加熱后，一些元素在游離過程中向奧氏體晶界偏析，降低強度。故合理的焊接工藝及熱處理工藝是保證2.25Cr-1Mo-0.25V鋼性能的關鍵因素。

1.4 焊接材料和焊接方法的選用

考慮到設備母材成分及所需接頭的性能，本設備采用埋弧自動焊與手工電弧焊相結合的焊接方法。考慮等強匹配原則并兼顧高溫下抗氫裂能力，手工電弧焊(SMAW)采用焊條為低氫型耐熱鋼焊條CM-A106HD。埋弧自動焊焊絲采用US-521H+PF-500，焊劑采用二氧化硅含量極少的帶氟堿型，提高接頭韌性，降低回火脆性。

2 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應器焊接過程

2.1 接管法蘭與殼體對接接頭焊接

2.1.1 焊接工藝及改進措施

該部位焊接工藝過程為：打底焊采用手工電弧焊，用直徑為φ5.0 mm的CM-A106HD焊條，電源直流反接，電流200-220A，電壓24～26 V，焊接速度≥9.6 m/h；填充焊及蓋面焊采用手工電弧焊，填充焊采用E309L焊材、蓋面焊采用E347L焊材，電源直流反接，電流180～210 A，電壓22～26 V，焊接速度≥10.2 m/h。埋弧自動焊時，焊材選用US-521H+PF-500型焊絲，焊絲直徑為φ4.0 mm，直流反接電源，電流450～550 A，電壓28～32 V，焊接速度≥26 m/h。同時，由于殼體較厚，較以往單一溫度預熱工藝，本文采在不同焊接階段采用不同的預熱溫度的優化措施，在接管與殼體焊接時首先進行預熱，預熱溫度控制為≥180 ℃(打底)，≥150 ℃(填充)，≥15 ℃(蓋面)，并且預熱的范圍在坡口兩邊寬度≥150 mm，嚴格控制焊接過程中層間溫度并做好后熱處理及探傷。

2.1.2 注意事項

(1) 焊前檢查焊材牌號及規格，保證焊材處于烘干潔凈狀態。

(2) 進行坡口加工，為提高焊接效率并且便于清根處理，結構尺寸采用圖1所示馬鞍焊接頭，進行除油、除銹。

圖1 法蘭與殼體接頭示意圖

(3) 打底焊接之后采用碳弧氣刨清根處理，并對待焊坡口進行打磨。

(4) 為防止飛濺對板材表面的損傷，坡口兩側150 mm范圍內涂抹白堊粉。

2.2 筒體與封頭、封頭與過渡段間環向接頭

2.2.1 焊接工藝及改進措施

筒體與封頭及過渡段間的焊縫均為環縫，考慮到坡口尺寸比較大，焊接工作量較大，較以往內部焊縫采用手工電弧焊方法，本文在該部位內部采用埋弧焊，焊材用直徑為φ4.0 mm的US-521H+PF-500，電源采用交流電，電流450～550 A，電壓30～32 V，焊接速度≥26 m/h。填充和蓋面采用手工電弧焊，填充焊采用E309L焊條、蓋面焊焊材采用E347L焊條，電源直流反接，電流180～210 A，電壓22～26 V，焊接速度≥10.2 m/h。外部采用焊材為φ4.0mm的US-521H+PF-500埋弧自動焊，交流電源，電流450～550A，電壓30～32 V，焊接速度≥26 m/h。由于殼體、封頭、過渡段壁厚較厚，在焊接時首先預熱，控制預熱溫度為≥180 ℃(打底)，≥150 ℃(填充)，≥15 ℃(蓋面)，并且預熱的范圍為坡口兩邊寬度≥150 mm，并不小于母材的厚度，預熱均勻。嚴格控制焊接過程打底焊(180～250) ℃，填充焊(180～250)℃，蓋面焊(15～100)℃層間溫度，并做好后熱處理及探傷。

2.2.2 注意事項

(1) 焊前檢查焊材牌號及規格，保證焊材處于烘干潔凈狀態。

(2) 為保證焊透，提高焊縫融合率并且便于清根處理，筒體與封頭及封頭與過渡段采用如圖2所示U型坡口，進行油污、鐵銹去除。

圖2 U形坡口示意圖

(3) 采用碳弧氣刨清根并對坡口打磨光滑。

(4) 在內表面焊接前，焊縫兩邊涂抹白堊粉。

(5) 采用手工電弧焊焊接封頭與過渡段中間的環焊縫。

2.3 凸臺堆焊

2.3.1 焊接工藝及改進措施

凸臺堆焊工作量是整臺設備焊接中工作量最大一步，為提高工作效率在該部位先用手工電弧焊打底，再用埋弧自動焊進行堆焊。為了保證凸臺堆焊與母材基體融合良好，在堆焊之前進行預熱，控制預熱溫度≥180 ℃，預熱均勻且持續加熱，保持焊接層間溫度在180～250 ℃，凸臺堆焊至1/2堆焊層時，本文提出采用中間消氫退火處理工藝措施，保證堆焊層的強度要求。

2.3.2 注意事項

(1) 焊前檢查焊材牌號及規格，保證焊材處于烘干潔凈狀態。

(2) 在凸臺堆焊開始之前首先進行表面清理，并做MT檢測，確保MT合格后方可進行下道工序。

(3) 在手工電弧焊打底結束后，清除待堆焊工件表面焊渣。

(4) 凸臺堆焊至1/2高度時進行爐內退火，并進行預探傷，待全部堆焊結束后再進行爐內退火，中間退火不可省略。

(5) 為防止飛濺對板材表面的損傷，坡口兩側150 mm范圍內涂抹白堊粉。

3 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊接接頭性能試驗

3.1 夏比沖擊試驗

由于加氫反應器壁厚較厚，加入了Cr、Mo合金元素，為驗證焊接接頭回火脆化傾向性是否滿足要求，對筒體、過渡段、人孔法蘭焊接接頭的焊縫、熱影響區、母材區域進行-30 ℃夏比(V型缺口)沖擊試驗，每個部位取3個試樣進行沖擊試驗，試樣尺寸為10×10×55 mm。試驗結果如表3所列。

表3 夏比(V型缺口)沖擊試驗結果 /J

ASME SA-370標準要求V 型缺口夏比沖擊功 KV2(-30 ℃)，三個試樣平均沖擊功≥54 J，單個試樣沖擊功最低值≥48 J，滿足交貨要求，經過優化后的工藝能夠焊制沖擊功滿足標準要求的焊接接頭。

3.2 拉伸力學性能

焊接接頭性能測試還包括在室溫和在設計溫度下進行拉伸試驗進行驗證，對采用改進的焊接和熱處理工藝焊制的焊接接頭制備拉伸試樣，試樣數量和取樣位置按照GB/T228.1和GB/T4338標準要求制備室溫和450℃高溫拉伸試樣，分別制備3組。表4為室溫和450 ℃高溫下焊接接頭拉伸強度和屈服強度試驗結果。

表4 室溫和高溫下拉伸試驗結果 /MPa

GB/T228.1標準要求室溫下拉伸強度590～760 MPa，屈服強度420～620 MPa，實驗結果符合標準要求。GB/T4338標準要求450℃高溫下拉伸強度≥509 MPa，屈服強度≥340 MPa，經過工藝優化的焊接接頭力學性能滿足標準要求。

3.3 焊接接頭RT檢測

由于2.25Cr-1Mo-0.25V鋼具有硬而脆的特點，且板厚較厚，易在焊接時產生裂紋，帶有焊接缺陷的焊接接頭在服役過程中易造成嚴重后果，因此在焊接完成熱處理前后，均需對焊制的接頭進行100%RT檢測，確保焊接接頭無超標缺陷，尤其是由于加氫反應器用鋼特性引起的裂紋類缺陷。對加工完成的主體焊縫進行射線檢測，共檢測法蘭與殼體、筒體與封頭及過渡段焊縫58條，一次合格57條，主體焊縫一次合格率為97%以上。較改進之前一次合格率80%有較大提升，提高了設備制備成功率，減少了返修對材料性能的影響，提高了生產效率。

4 結 語

綜合考慮加氫反應器制備過程中焊接及熱處理工藝對焊接質量的影響，在制備2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應器不同部件不同階段的注意事項，通過對采用優化的工藝焊制的焊接接頭進行夏比沖擊試驗和拉伸力學性能測試，結果表明焊接接頭具有優良的力學性能，滿足相關標準要求，并對主體焊縫經RT檢測，一次合格率為97%以上，提高了生產效率，有效減少了裂紋的產生。