加氫反應器產品制造焊接質量的控制

張瑤，盧俊文，王肖逸，周璐璐，陳敏

（河北省特種設備監督檢驗研究院唐山分院，河北唐山063000）

加氫反應器作為煉化加氫工藝中的核心設備，其工作環境極為苛刻，一般在高溫、高壓且臨氫介質狀態下工作，對設備的制造工藝、原材料、焊接技術的要求很高［1］。隨著制造材料的更新，目前大部分加氫反應器都采用2.25Cr-1Mo-0.25V材料制造，此種材料焊接主要問題是易產生冷裂紋及再熱裂紋，控制焊接質量是設備制造的關鍵技術，稍有不慎就會產生焊接缺陷［2］。文中以從制造原材料及焊接材料的控制、焊接工藝參數的研究、熱處理工藝技術的運用等方面進行分析探討，總結出產品制造焊接質量控制措施。

1 加氫反應器概述

加氫反應器的工作壓力為10～30 MPa，工作溫度為400～480℃，屬于Ⅲ類壓力容器，以往常采用2.25Cr1Mo鋼制造，隨著石油煉化裝置大型化對加氫反應器工藝要求的提高，2.25Cr1Mo鋼已不能完全滿足使用要求，經常添加一定量的V元素來提高鋼材的力學性能，即3Cr-1MoV和2.25Cr-1Mo-0.25V鋼2種材料［3］。

實際生產中發現2.25Cr-1Mo-0.25V鋼制造的反應器性能更優，且隨著煤液化技術的發展對反應器使用溫度要求提高到了482℃，使3Cr1MoV鋼材已不能滿足設計要求，目前大部分加氫反應器均采用2.25Cr-1Mo-0.25V鋼制造。

由于添加了合金元素V和其它易產生強碳化物的合金元素，導致材料的強度提高、韌性下降，可焊接性能降低，容易產生焊接冷裂紋及熱處理后的再熱裂紋［4］，加大了制造工藝的難度，需要控制焊縫的熱處理溫度及保溫時間來解決焊接接頭回火脆性問題。

2 制造及焊接材料的控制

2.25Cr-1Mo-0.25V鋼是美國ASME標準推薦的加氫反應器用鋼，一般供貨狀態為正火+回火，回火溫度一般不低于675℃，其常溫下抗拉強度為585～760 MPa、屈服強度為415～620 MPa、延伸率≥18%，材料進場后參照ASME SA-182標準進行材質驗收，并做好材質驗收標志，2.25Cr-1Mo-0.25材質驗收化學成分見表1。

表1 2.25Cr-1Mo-0.25V材質驗收化學成分/%

選擇焊接材料時其力學性能應與母材相匹配，為降低焊縫金屬出現再熱裂紋可能性，焊接材料的含碳量應比母材略低，控制在0.08%～0.12%之間為宜，焊材的回火脆化敏感系數X≤15×10-6。在此優先選用US-521H焊絲和PF-500焊劑，埋弧焊焊材金屬化學成分見表2。

表2 埋弧焊焊材金屬化學成分/%

由于焊接過程中坡口處母材金屬受熱熔化，與焊材金屬一起構成了焊縫金屬的化學成分，而焊縫金屬化學成分直接影響其力學性能，為提高焊縫合格率并保證其力學性能滿足要求，所選焊材的化學成分應與母材相近。從表1及表2母材及焊材驗收數據可看出，US-521H焊絲和PF-500焊劑的化學成分與母材接近，且實測指標均在標準范圍內，可用于2.25Cr-1Mo-0.25V母材的焊接。

3 焊接工藝評定的制定

由于加氫反應器的壁厚均在100 mm以上，為了減少焊材用量并縮短焊接時間，在保證焊接質量的前提下盡量采用窄坡口焊接。采用埋弧自動焊方法可使焊接坡口在20～30 mm范圍內，有效降低焊縫金屬填充量，且焊接應力及收縮變形量均比其它焊接方法較小。

焊接前應采用機械加工方法并按圖紙要求加工坡口，并清除坡口2側100 mm范圍內的金屬氧化物等雜質［5］，然后用磁粉或著色探傷方法檢查坡口表面，焊接坡口型式見圖1。

圖1 焊接坡口形式

按圖1坡口形式制備6組焊接試件，焊接速度控制在370～420 mm/min，3組試件用于3種不同層間溫度的焊接操作，確定合理的層間溫度后，3組試件用于相同層間溫度不同焊接電流及電壓的焊接操作。

焊接電流490～550 A、電壓30～33 V為宜，焊接速度控制在330～380 mm/min，焊絲直徑Φ4.0 mm，焊劑使用前進行300～350℃保溫烘干處理2～4 h，采用多層焊接，每層焊縫金屬厚度4.0～5.0 mm為宜，預熱溫度≥180℃，層間溫度為170～230℃，焊后在300～350℃下恒溫4 h消氫并冷卻至常溫。

4 焊后熱處理工藝

4.1 回火脆性的要求

焊接完畢后應當進行熱處理以便消除焊接殘余應力［6］，在熱處理過程中焊接接頭將受熱變形，當變形量超過金屬本身在該溫度下的塑性變形能力就會產生再熱裂紋，尤其是熱處理溫度加熱到600℃左右時易產生再熱裂紋，一般起始于焊縫與母材的熔合線處，沿母材表面呈晶間開裂狀向細晶區擴展。由于Cr、Mo、V等微量元素在焊接時極易生成碳化物，當焊后冷卻速度過快時無法析出，導致焊縫及熱影響區產生再熱裂紋。

由于P、Sb、As等金屬元素在熔化后的焊接金屬重新結晶時，出現晶界偏聚現象導致Fe原子在晶界處凝聚力下降，此時受到外力沖擊就容易沿晶界開裂，從而降低了焊接接頭的回火脆性。

4.2 熱處理工藝的制定

按照焊接工藝施焊完畢并消氫處理后，制備3組焊接試件并對其進行100%射線及表面磁粉探傷，然后分別在720℃、695℃、705℃下恒溫8 h進行熱處理試驗，再對熱處理后的試件進行力學性能試驗［7］。從試驗數據可以看出，在720℃下試件的抗拉強度為575 MPa，屈服強度為410 MPa，均不能滿足強度要求，-30℃的焊縫沖擊功為11 J，遠低于標準值54 J；在695℃下試件的抗拉強度為810 MPa，屈服強度為695 MPa，高于標準要求的上限值；在705℃下的試件抗拉強度為656 MPa，454℃高溫屈服強度為525 MPa，-30℃的焊縫沖擊功為153 J，各項指標均滿足要求，因此最終焊后熱處理選擇705℃×8 h。并對最終熱處理后的合格試件進行100%射線探傷檢查及100%磁粉探傷檢查，未見裂紋缺陷存在。

5 焊接接頭性能試驗驗證

5.1 沖擊試驗

分別從焊縫厚度的3個位置各取1個焊接試件，試件1取自焊縫厚度的1/4處，試件2取自焊縫厚度的1/2處，試件3取自焊縫厚度的3/4處。分別進行焊縫以及熱影響區的沖擊試驗，試件的夏比缺口沖擊試驗數據見表3。

表3 試件夏比缺口沖擊試驗數據（試驗溫度-30℃）

5.2 拉伸試驗

為驗證焊接接頭整體熱處理后的韌性，分別從焊縫厚度的3個位置各取1個焊接試件，進行常溫和設計溫度（454℃）下的拉伸試驗，取樣的位置及試件編號與沖擊試驗試件相同。

2.25 Cr-1Mo-0.25V鋼其常溫下抗拉強度應為585～760 MPa、屈服強度為415～620 MPa、454℃下的高溫屈服強度≥350 MPa，實驗數據滿足上述要求，說明焊縫的力學性能沿厚度方向分布均勻。

6 結束語

加氫反應器產品材料進廠時應驗收分析其化學成分，焊接材料應選用與母材化學成分相近的材料，其力學性能與母材相匹配，才能保證焊縫力學性能達到標準要求?？刂圃囼灚@得的焊接電流、電壓、焊接速度及預熱溫等參數，可阻止焊接冷裂紋缺陷和再熱裂紋的產生。