21／4Cr—1Mo不锈钢带极堆焊工艺研究及应用

21／4Cr—1Mo不锈钢带极堆焊工艺研究及应用一 b 2 c卜1M。不锈钢带极堆焊工艺研究及应用丁6 The Process and Application of Submerged～Arcsurfacing on 2 1c卜1M。steel with Stainkss Sted Strip as the Electrode 茂名石化公司机械厂黄嗣罗 By practising the p∞cesS of suhmerged～ arc surfacing v,d~h stainless stee[strip as the ...

一 b 2 c卜1M。不锈钢带极堆焊工艺研究及应用丁6 The Process and Application of Submerged～Arcsurfacing on 2 1c卜1M。steel with Stainkss Sted Strip as the Electrode 茂名石化公司机械厂黄嗣罗 By practising the p∞cesS of suhmerged～ arc surfacing v,d~h stainless stee[strip as the electrode for the tubesheet of high pressure heat exchanger in hydrocrackmg，the effects of surfacing speeificalions On the surface quailt ． e．tough u ss and corrosion resi‘{c。nr‘J f d })- 1{ mdal，and rate 0f d~'lusiou ar infestigated．The effects of[teat treatment Oa properties of de— posit metal are aIso investigaled．The investigations show that batter corrosion resi>tanee of the surfacing ktyer can be obtained with dual--strip electrode for automatic submerged--arc s~lrtaclng· 关键词 1 前言带级璺埕接苎我公司炼油厂加氢裂化装置是国内同类装置中第一套由13本整体引进的炼油装置。经过多年运行，发现其中的重要部件——高压换热器的管板及管一板角焊缝出现了严重的腐蚀斑点和泄漏，需要由我厂制造以替代进口。该挟热器的工作压力为 38．5MPa 工作温度为 450c工作介质为柴油混合氢}换热器管板基体 1 材料为2+Cr一1Mo锻件；要求在其表面堆焊耐蚀不锈钢层，以提高设备抗高温 H 、s、H S和氯化物等介质的腐蚀。因此，高压管板不锈钢堆焊质量成了整个换热器制造的关键之一。 ·400 · 、国内外化工容器及换热设备已大量采用 Cr—Mo钢和不锈钢，同时国内亦有热壁加墓反应器的制造经验，但其压力一般在 20MPa以下，对于工作压力在 35MPa以上的高压管板不锈钢带极堆饵蚺究较少因此，我们试图对高压管板不锈钢带极堆焊工艺，堆焊材料，焊接规范以及热处理规范进行试验研究，探索各参数对堆焊层性能的影响规律，并从中确定出最佳的规范以完成产品的焊接 z 产品制造技术条件该加氢裂化高压管板的设计与制造须浅足日本日辉公司提出的《茂名石化公司加氢裂化压力容器第 l3卷第 5期维普资讯 http://www.cqvip.com 压力容器装置高压换热器的设计与制造技术规定》的要 1 求，高压管板的基体材料是2-~-Cr一1Mo锻件．其尺寸为 1250X 185mm，力学性能和化学成份如表 1、2所示。堆焊层必须满足下列要求： (1)按 ASME SA578标准《特殊用途的普 ·41· 通钢板与复合钢板超声波直射检验规范》的规定．对堆焊层进行超探 (uT)．要求达到一级标准， (2，堆焊层最小厚度为 4ram，此厚度内的化学成份要求如表 3： (3)堆焊层铁索体含量为 3 ～lo 表l 2÷cr一1M。力学性能抗拉强度屈服强度延伸率 1-10C 击功 J 硬度 MP MPh 型缺口 (HB) 常温 645 538 23．6 208． 2l9． 2I4 187 高温 420℃ 582 470 20．6 *性能补充数据：品粒度．7级，氧化物，硫化物，先杂物各 t缎：uT检查三级丁十2 s_^ n 一 l 38 C 表2 2÷cr—IM。化学成份( )。 ·J系数一 (Si十Mn)× cP，Sn)x 0 oo01 s3 分析从2÷cr一1Mo钢的化学成份来看．为了保证其力学性能尤其是高温综合指标．防止回火脆化和氢脆，所以钢的含 C量，含 EH3量和杂质元素是严格控制的。尽管如此，由于钢中台金元素含量高，锻件厚度大，其淬硬倾向应予以重视。它的碳当量 Cep值和冷裂敏感性系数 Pc值计算如下：n] CPVT Vo1．13 No．5 1996 Ceq=C+Mn／6／(Cr+Mo+V)／5+ (Ni +Cu+Si)／1 5—0．86 Pc—C+Si／30+ Mn／20+Ni／60+Mo,．／15 + _h]／6O+H／6OO o．683 可见，钢的淬硬倾向比较大．冷裂敏感性也较明显。对于2÷cI一1Mo不锈钢堆焊，突出的问题还有氢致剥离。如果堆焊存在咬边、焊道下凹等缺陷造成应力集中．在一定的 [H]浓度下会大大诱发氢致剥离的危险。虽然产品是在平面堆焊，拘束度比较小，母材含氢量也比较小，但是从上述分析可知，冷裂和氢致剥离的危险仍然很大。由于产品堆焊后需热处，不防用再热裂纹敏感性指数来看： At；= Cr+ 3．3M 0+ 8．1V+ l0C一 2 — 4．922> 2 ·401· 维普资讯 http://www.cqvip.com ·42· 2÷cr一1Mo不螃钢带极堆焊工艺研究及应用 PSR— Cr-I-Cu+ 2M o-I-10V+ 7Nb+ 5Ti一 2— 2> 0 从计算结果来看，极有可能造成再热裂纹．实际上，这些公式都有一定的局限性，应以试件的试验为准，此次我们尚未涉及．有待以后探讨。 1 2÷ 一1Mo材料普遍存在回火脆化倾向，但从我们进库的母材来看，它的』系数和 X系数都比控制值低得多，尤其是材料本身的 sn， Sb，As这些杂质元素含量很低，所以只要焊接工艺和热处理工艺合理，回火脆化问题是可以有效防止的。在母材上堆焊不锈钢，由于耐热钢和不锈钢的导热系数和线膨胀系数相差较大，在焊接过程中必然会形成较大的残余应力。所以，对于不锈钢的焊接，应防止焊接热裂纹，同时，对晶间腐蚀和应力腐蚀开裂也应予以重视。 4 堆焊方法及材料选择 4．1 堆焊方法选择管板堆焊层的热强性和热稳定性，主要取决于堆焊材料的选择和堆焊工艺，这两者直接决定了母材对堆焊层稀释作用的大小。所以．为了保证堆焊层的性能，应选择稀释率最小的焊接方法。常用的堆焊方法有手工焊，CO。焊， TIG焊，丝极埋弧焊和带极埋弧焊，根据有关文献0：，选择了目前最理想的堆焊方法——带极埋弧堆焊。 4．2 堆悍材料选择我们选用 309L焊带配 107焊剂作为过渡层焊材，选用 347L焊带配 107Nb焊剂作为表面层焊材，其化学成份如表 4、5、6所示。表 4 焊带化学成份 ( ) C Sl Mn P S Nj (：r 309L O．02 0．15 1．65 0．007 0 o20 l3．08 ， = 83 347L O．02 0．27 1．58 0．OO8 O O12 10 O0 20．10 表 5 107焊剂化学成份 ( ) O2 CrzO3 CaF2 P S M gO A1 Ca【) 23．23 2．92 2 2．44 O Ol 0．O19 19 4O 29．38 1．66 表 6 107Nb焊剂化学成份 ( ) SiO l CaF： I MgO I ALO l CaO 1 Feo I s P 28．53 I 24．00 l 16 40 I 25．74 l 1．16 J o 216 1 0．034 0．008 5 堆焊工艺选择带极埋弧堆焊规范主要包括焊接电流 J，焊接电压 u，焊接速度和预热温度，为了准确掌握这些参数对焊接熔入度 (Ⅳ)和稀释率 (P)的影响，须进行大量的试验，试验母材：2÷c 1Mo，规格：500ram× 400ram × 70ra m 焊接材料：309I +107 焊接设备：MUI--1000 ·402· 在 J，U，，7 四个参数中，分别固定其中三个而变化另外一个，进行一系列的堆焊试验，测出其平均熔深、焊遭厚度。测量方法如图 l所示。图 1 堆焊焊缝压力容器第 l3卷第 5期维普资讯 http://www.cqvip.com 图 2 ，一Ⅳ 关系图 30 3日 U 42 』一 ?OOAl — lSSmm／mi~ 一120C 图 3 一Ⅳ 关系图图 4 一Ⅳ 关系圉压力窖图 5 T 一Ⅳ关系图 5，1 熔八度表面堆焊熔入度的计算公式 CPVT V0l、13 No．5 1g96 熔深平均值 ( ．雨渐订甄罪覆酉 × ． U，口，7 对熔入度的影响如图 2、3、4、 5所示 5．2 熔敷金属稀释率对堆焊试样进行化学取样分析．取样方法以堆焊表面为基准，每隔 0．5ram厚度取样，直至与母材齐平，重点考察合金元素 cr，Ni。合金元素 (cr)稀释率：焊材 cr含量一焊缝金属 cr含量、，。／焊材 Cr含量+母材金属 Cr含量～把不同规范下的堆焊试样进行堆焊层化学成份分析．求得某合金元素如cr的平均值，计算它的稀释率 P，我们发现 P的变化情况与熔入度 Ⅳ 的变化情况基本一致。从上述试验可知： (1)熔入度的变化与稀释率的变化是一致的。Ⅳ 增大；P也增大；反之亦然。 (2)熔入度与合金元素稀释率随焊接电流和电压的增大而增大，减小而减小。 (3)焊接速度口对 Ⅳ和 P的影响规律是增大，Ⅳ和 P也增大。这主要是因为，焊接速度增大后，虽然熔深度变浅了，但是熔敷金属也变小变薄了，所以 (^ +目)的值就增大了。这与一般的焊接方法不同。 (4)预热温度对 Ⅳ 和 P的影响规律总的来看是 T，增大，N和 P也增大{反之亦然，但当，低于 250℃左右时，Ⅳ 和 P随的增大而缓慢增大；当，超过 250~C时，Ⅳ 和 P随，的增大呈显著增大趋势。对于 60ram× 0．5mm钢带埋弧堆焊，其过渡形式与线极埋弧焊不同，它不再是单一的电弧过渡，而是属于电弧一电渣联合过渡在这种形式下电渣过程起着十分重要的作用。一定的预热温度对促成电渣过渡十分有利，它提高了熔敷率，使焊道增厚，而熔深并没有明显的增加；而，过高时，会使熔辣大大增加从而增加了熔入度和稀释，这一点在试验中反映比较明显。 5，3 堆焊表面质量 -403 · 维普资讯 http://www.cqvip.com ·44· 2÷cr一1M。不锈锕带极堆焊工艺研究及应用堆焊层的表面质量对于它的抗应力腐蚀有很重要的意义．深的焊波和咬边会引起应力集中．也增加了车削工作量。影响焊遭表面质量的因素除了焊接规范外，焊道搭接量和焊接磁场也是十分重要的因素。搭接量过小，电弧直接作用于母材．母材熔化量多焊缝稀释率高；同时，焊道之间的凹下量即道沟缺陷最易形成应力集中从试验可知．搭接量在 6~Smm 比较合适，如图 6所示。此时．焊道表面平整、无道沟、波纹细密。 8～ 1 m 圈 6 宽带极大电流焊接不可避免要带来焊接磁场的强烈影响。对于 60ram×0．5ram 钢带 700A 电流焊接．带极一熔池通路中发生的磁力作用不是很明显，而焊接电缆 (地线)邻近熔池发生的磁偏吹严重引起堆敷焊遭的咬边效应和沟道缺陷，如图 7所示。要解决这个问题．一般采用外加磁场的方法．但比较麻烦。我们在试验中发现，把地线分成两股．对角对称分置于工件上．可能因为磁场相互抵消的缘故刚效果明显。 > 一／／／= 圉 7 5．4热处理规范对堆焊层性能的影响堆焊后的热处理工艺必须考虑它对母材和堆焊层两者的影响。首先，母材有一定的回火脆化倾向和再热裂纹敏感性；第= ．对于不锈钢堆焊层，存在一个奥氏体析出碳陀物和脆性 ·404 · 相温度区间以及结合面碳的迁移。对于2{cr—lMo焊后热处理制度．必须进 q 行中间热处理 (ISR)和最终热处理 (PWHT)， ISR的目的在于一方面起到扩散除氢的作用，防止到最后处理时，先焊的部位已出现了延迟裂纹；另一方面使组织软化。PWHT的目的是最后消除残余应力，改善焊缝组织。根据有关文献[ ．2÷c 1Mo焊后最终热处理的回火参数l[尸]值取 20．O～20．6之间，我们取下限 20．0、保温时间取： f )=板厚 (ram)／2s 所以 t一 7 5 (h) 但由于是不锈钢堆焊，所以保温时间需比计葬值略小一点，取 6．5小时，根据回火参数计算公式： [尸]=T× (20+lgt)×0．001(K) 所以， T一 960 (K) = 690 (℃ ) 其中了'——热处理温度 (K)； }——保温时间中间热处理参数值 [尸]取 18．1，保温时间取 2h。那么．中间回火温度为 610C。以上是有关文献提出的参考值。为了进⋯ 步了解热处理对堆焊层的影响，我们对前述工艺所做的试板进行不同规范的热处理，观察其熔合区碳的迁移宽度和冷弯试验开裂情况试验结果表明： (1)焊后中间热处理对熔合区碳的迁移影响不大，主要因为温度低，保温时间短。 (2)脱碳层宽度随温度升高而增宽，随保温时间加长而增宽。从宏观金相观察结果来看，均未发现熔合区裂纹这说明．碳的迁移宽度虽然增加了．但并不剧烈；尤其是 690C／6．5h 高温回火处理，碳的迁移宽度不明显。这主要是因为奥氏体焊缝 Ni含量高，它能降低碳化物的稳定性，并削弱碳化物形成元素对碳的结合力，这样就抑制了扩散层。另外从侧弯结果来压力容器第 l3卷第 5期维普资讯 http://www.cqvip.com 压力容器看，相同线能量条件下，热处理温度过高或时间过长，18O。冷弯都不合格。这是因为回火参数过高，碳化物沉淀和聚集而使韧性下降的缘故。从这里也可以看出，理论计算的 PWHT参数值是可取的。 (3)线能量大的试样．冷弯都不合格。这是因为，线能量大，焊缝金属稀释率大，对于线能量超过 150kJ／era的试样进行熔入度测量和化学成份分析稀释率计算，Ⅳ 和 P值都在 2o 以上。大的稀释率使熔合区和靠近熔台区的焊缝成份不均匀，组织亦不均匀，产生淬硬组织，恶化焊缝性能，导致冷弯开裂；另一方面，线能量大，焊缝组织粗大，晶粒粗大，晶界存在低熔点共晶物使晶界能降低，从而使焊 ·45· 缝的力学性能降低。因此，要使冷弯台格．除了控制热处理规范外．更主要的是要严格控制焊接线能量。从试验的情况来看．线能量控制在 1 20kJ／cm 以内比较合适，此时冷弯均能合格。 6 焊接工艺评定及产品焊接 6．1 I艺评定在上述试验分析的基础上，进行堆焊工艺评定，母材选用和正式产品的材质和热处理状态完全相同的2÷cr一1Mo锻件，堆焊规范和如表 7所示。堆焊过渡层时的焊前预热温度先取比2÷ 寰 7 工艺评定焊接规范 r 焊带焊剂，(A) 【，(V) C ℃ 过渡层 309L 107 6∞～7Z0 33～36 l30～l40 l2O～150 12O～150 表面层 347L 107N6 680～720 33～35 13O～140 不预热 <60C 寰 8 焊接接头硬度 (HB)测■值 1-L5 1～ 6 1～ 7 2～ 5 2～ 6 2～ 7 l 3～ 5 3～ 6 3～ 7 4～ 5 4～ 6 4～ 7 175 182 180 l94 189 194 l 245 243 249 206 211 206 (b) 图 8 (a)IsR曲线圈 (b)PwHT曲线图 CPVT Vo1．13 No．5 1996 Cr一1Mo焊接稍低的温度值，取 120~C至 150~C．加热方式采用装炉整体加热至 300℃，出炉冷至 120~C~150~C开始旋焊 }焊后立即进行中间热处理 }表面层的焊接要严格控制层间温度不大于 60℃，焊后进行最终热处理．IBR和 PWHT规范曲线如图 8所示。 6．2．检查及结果 6．2．1 UT 和 PT 按 ASME sA578标准进行 uT检查，结果为一级；按 JB4730--94标准进行 PT检查，结果完全合格。 6．2．2弯曲检验试样轴线平行于焊接方向和垂直于焊接方向各取样两支，进行面弯和侧弯，均未发现裂纹。 ·405 · 维普资讯 http://www.cqvip.com ·46· 。÷cr一1M。不铸钢带极堆焊工艺研究厦应用一 · — — ’ 一图 9 (b) (c) 图 lO 《Ⅱ)为表面层焊麓组织奥氏体+少量铁索体+少量点状碳化物 (b)为过莲层焊缝组织．奥氏体+少量铁索体+少量点状碳化物4(c)为母材组织，回火索氏体+铁索体 6．2．3堆焊层硬度检查检查选点方法如图 9所示，测结果如表 8所示。 ·406 · 从表中可以看出，整个接头区没有出现软化区和脆化区。 6．2．4 晶间腐蚀试验按 GB1 223—75标准 “了1 法试验，没有发现晶间腐蚀裂纹 6．2．5 微观组织分析堆焊接头区微观金相组织如图 1o所示 6．3 堆焊层化学成份分析．一取样方法同前，取样总厚度为 4mm，其结 I 果完全满足设计要求。 6．4 堆焊层铁素体含量测定根据堆焊层金属的平均化学成份．求得 Nieq和 Creq，查 Schaeffler图，得其铁素体含量约为 7～8 。用 Tcy一1型铁素体测定仪对堆焊层进行测定，铁素体含量为 6．8 ，完全满足设计要求 6．5 产品堆焊加氢裂化高压管板结构如图 11所示，根据要求，需要在 A，B，C，D，E五个面上进行堆焊，按本试验中所提供的工艺参数，焊制的产品完全满足有关标准的规定， 7 结论图 11 面面 (1)对于珠光体耐热钢较大面积堆焊不锈钢，带极堆焊是首选的焊接方法，它熔敷率高，熔入度小，稀释率低，成形美观，质量可靠。 1 (2)对2-~-Cr 1Mo不锈钢带极堆焊材，过渡层应选择 cr、Ni含量高的材料如 309L，以弥补焊接时母材对焊缝的稀释f而表面层须选与设计要求相符的 18—8型焊材．(-F转第 88页) 压力容器第 13卷第 5期维普资讯 http://www.cqvip.com

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