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9 O 弯管先堆焊后热成形技术 闫宏伟 谷文 高殿宝 1 天津工业大学 天津3 0 0 3 8 4 2 中国第一重型机械集团 大连加氢反应器制造有限公司 辽宁 大连1 1 6 1 1 3 摘要 研究了2 2 5 C r 一1 M o一 0 2 5 V钢 9 0 弯管整体热成形制作技术 采用试验件模拟堆焊 热成 形和调质处理过程 检验试验件的尺寸 母材及耐蚀层的性能 供加氢反应器设计和制造单位参考 关键词 加氢反应器 9 0 弯管 堆焊 热成形 调质 处理 中图分类号 T H 4 9 T G 4 5 7 6 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 4 0 7 0 0 7 0 0 4 d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 4 0 7 0 1 3 9 0 El b o w P i p e Ho t F o r mi n g a f t e r Ov e r l a y i n g Te c h n o l o g y YAN Ho n g we i GU W e n GAO Di a n b a o 1 T i a n j i n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y T i a n j i n 3 0 0 3 8 4 C h i n a 2 C h i n a F i r s t H e a v y I n d u s t r i e s D a l i a n H y d r o g e n a t i o n R e a c t o r Ma n u f a c t u r i n g C o L t d D a l i a n 1 1 6 1 1 3 C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r s t u d i e d t h e 9 0 e l b o w pi p e h o t f o r mi n g t e c h n o l o g y o f 2 2 5Cr一1 Mo一0 2 5 V s t e e 1 O v e r l a y i n g h o t f o r mi n g a n d t h e rm a l r e fi n i n g p r o c e s s we r e s i mu l a t e d o n t h e t e s t s a mp l e s D i me n s i o n a n d pe rfo rm a n c e o f b a s e me t a l a n d c o r r o s i o n r e s i s t a n t l a y e r we r e e x a mi n e d a n d t e s t e d Th e r e s u l t s c a n b e u s e d a s r e f e r e n c e f o r hy d r o g e na t i o n r e a c t o r d e s i g ne r s a n d ma n u f a c t ur e s Ke y wo r d s h y d r o g e n r e a c t o r 9 0 e l b o w pi pe o v e r l a y i ng h o t f o r mi n g t h e r ma l r e fin i n g 0引言 加氢反应器 的顶部弯管和底部弯管是 9 O 弯 管结构 过去都是采用将 9 0 弯管成形后切成 3 段 内壁 堆 焊 不 锈 钢 后 手 工 电弧 焊 组 焊 的方 法 随着加氢反应器制造技术 的提升 为提高 产品的制造质量 简化制造工艺 降低制造成本和 加快制造进度 对整体 9 0 弯管结构 的需求 日益 增强 近年来 我 国从 13 本采购的加氢反应器 其 弯管均是无焊缝的整体 9 0 弯管结构 我国也有 加氢反应器制造企业先后开展 了多种整体 9 0 弯 管制造技术 的研究工作 从当前国内外制造技术的研究情况来看 整 7 0 体 9 0 弯管制造有两种方法 一是先在直管 内壁 堆焊不锈钢耐蚀层 然后弯制 通常称为 带堆焊 层 的9 0 整体弯管制造技术 二是采用特殊 焊接 设备 在整体 9 0 弯管内壁堆焊不锈钢耐蚀层 称 为 9 0 整体弯管 内壁不锈钢耐蚀层堆焊技术 前者的技术要点为耐蚀层和低合金钢母材经过热 成形和调质处理后 的力学性 能 后者的技术要点 为特殊焊接设备的实用性和经济性 文中对 堆焊后进行热成形和调质处理的弯管尺寸 母材 性能和耐蚀层性能进行了研究 1 试验 1 1 材料 第 3 1 卷第 7期 压 力 容 器 总第 2 6 0期 试验用母 材为 2 2 5 C r 一1 M o一 0 2 5 V钢 该 材料是高压临氢设备首选用材 具有强度高 抗氢 侵蚀能力强 抗氢脆性能显著 回火脆化倾向小 抗氢致剥离性 能优 良等优点 I 4 规格 咖外 3 2 5 m m 内 2 3 5 h i m 1 2 2 0 n l m 调质状态交货 其力 学性能见表 1 试 验用焊 接材料为 日本 WE L提 供的不锈钢实芯焊丝 牌号分别为 WE L A u t o T I G 3 0 9 L WE L A u t o T I G 3 4 7 L 规格 西1 2 mm 表 1 试验用2 2 5 C r 一1 Mo 一0 2 5 V钢力学性能 常温拉 力 4 5 0 拉 力 一 3 0 1 硬度 HB 热处理工艺 R MPa Rp 0 2 MPa A z R MP a Rm 2 MPa 6 9 2 5 9 0 2 3 8 2 6 0 9 5 1 5 2 5 8 2 7 3 2 7 2 2 2 2 7 0 5 o C 8 I 1 6 3 4 5 2 7 2 4 8 2 5 6 2 4 6 5 2 0 3 7 0 5 o C 2 6 h 1 2 试验件制作 1 2 1 内壁不锈钢堆焊 试验件内壁不锈钢堆 焊采用钨极 填丝氩 弧 焊 其焊接质量稳定 接头性能好 没有飞溅 而且 与目前成熟 的 3 0 弯管 内壁堆焊 的工艺 方法相 同 3 0 9 L堆 焊一层 3 4 7 L堆焊两层 堆焊层厚 度约 8 5 m m 其焊接工艺参数见表 2 表 2 焊接工艺参数 焊接方法 焊材牌号及规格 m m 电流 A 电压 V 焊接 速度 ra m m i n 极性 预热 层温 WE L A u t o T I C 3 0 9 L 2 o 0 2 2 0 1 4 1 8 9 0 l l 0 D C S P 1 0 0 2 0 0 4 1 2 GTAW WEL A u t o T I G 3 4 7 L 2 0 0 2 2 0 1 4 1 8 9 0 1 1 0 I C S P 温 1 0 0 4 1 2 1 2 2 热成形 由于 2 2 5 C r 一1 Mo一0 2 5 V钢 自身的特点 需要采用热压制成形的方法 参照弯管热成形工 艺 同时兼顾不锈钢的抗腐蚀性 确定的热成形工 艺 为 试验件随炉升温至 9 0 0 1 0 保温 1 h 然 后在压力机 上压制成 9 0 弯管 压制 时温度不能 低于 7 0 0 由于热成形温度接近不锈钢稳定化 处理的温度 8 5 0 9 0 0 o C 此 时 N b和 C形成碳 化物 固定 C的作用强 对 于抗腐蚀 和晶粒度都 有好处 因此对不锈钢堆焊层没有影响 J 1 2 3 调质处理 2 2 5 C r 一1 Mo一0 2 5 V钢经过热成形后性 能 发生变化 需 要进 行调 质处 理 参 照 2 2 5 C r一 1 Mo一 0 2 5 V钢 的调质工艺 同时兼 顾不锈钢 的 抗腐蚀性 确定的调质处理工艺 1 对试验件进行淬火处理 随炉升温至 9 1 0 9 5 0 oC 保温 1 h 投入水槽急速冷却 2 对试验件进行 回火处理 随炉升温至 6 9 0 4 1 0 保温 4 h 在炉 I 冷却至 3 0 0 o C后出炉 空冷至室温 避开了不锈钢堆焊层 4 7 5 6 5 0 o C的 敏化温度 1 2 4 模拟热处理 在焊接时 2 2 5 C r一1 M o一0 2 5 V钢要进行 焊后热处理 消除焊接残余应力 改善焊接接头的 综合 力学 性能 A P I 9 3 4要 求 2 2 5 C r一1 Mo一 0 2 5 V钢的拉伸试样和冲击试样均可经受最大模 拟热处理 9 制造时 加氢反应器 要经历多次 焊后热处理 参照 国内加氢反应器制造技术要求 确定 的试验件模拟热处理工艺为 在热处理炉 中 加热至 7 0 5 1 4 保温 2 6 h 在炉中冷却至 3 5 0 c 后 出炉 空冷至室温 升温速度和降温速度不大 于 5 6 h 1 3 尺 寸检 查 弯管压制变形时 在外力作用下 外侧受拉应 力作用而减薄 内侧受压应力作用而增厚 使管子 的横截面发生变形 产生椭圆 加氢反应器运行 9 0 弯管先堆焊后热成形技术 V o 1 3 1 N 0 7 2 0 1 4 时 弯管在内压应力作用下将使椭圆的横截面趋 于圆形 短轴增长 长轴缩短 产生 附加应力 椭 圆度越大 附加应力也越大 甚至形成高应力 区 出现局部塑性变形 将导致弯管承 载能力减低 而 破坏 所以 在加氢反应器技术规 范中对弯管的 壁厚减薄量和椭 圆度有严格的规定 J 因此 试 验件调质和模拟热处理后 采用超声波探伤 的方 法测量试验件的最小壁厚 计算壁厚减薄量 采用 刻度尺测量试验件横截 面内径的长短轴 计算椭 圆度 1 4 母 材性 能检验 采用拉伸试验检验母材的强度 试验试样尺 寸为 西 1 0 mi l l 试验温度为室温和 4 5 0 o C 试样取 自试验件热成形 调质和模拟热处理三种状态 共 6件 采用夏比 V形 冲击试验检验母材 的韧性 试 验试样尺寸为 1 0 m m 1 0 m m x 5 5 m m 试验温度 为 一 3 0 c IC 试样取 自试验件热成形 调质 模拟热 处理三种状态 共 3组 9件 1 5堆 焊层性 能检验 从堆焊层表 面刨 去 2 5 m m 然后在距 表面 2 5 3 0 m m范围内取样 分析热成形 调质 模 拟热处理两种状态堆焊层 的化学成分 然后按照 WR C一1 9 9 2 F N 图计算铁素体数 F N 采用侧弯试验检验堆焊层的塑性和堆焊层与 母材的熔合质量 试验按照 G B T 2 3 2 2 0 1 0 金 属材料弯曲试验方法 进行 试验试样尺寸为 1 0 i l l m x3 8 m m 2 0 0 m m 试样包含堆焊层 热影响 区和母材 试验条件为 D 4 a O t 1 8 0 试样取 自 试验件焊态 热成形 调质 模拟热 处理三种状 态 共 6件 采用晶问腐蚀试验检验堆焊层的抗晶间腐蚀 能力 试验按照 G B T 4 3 3 4 2 0 0 8 金属 和合金 的 腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法 进行 试验试样 尺寸为 3 mm 2 0 mm 8 0 m m 试样取 自焊态 热 成形 调质 模拟热处理三种状态 共 9件 采用氢剥离试验检验堆焊层的抗氢致剥离能 力 试验按照 A S T M G 1 4 6 0 l 进行 试验试样尺 寸为 3 m m 4 5 m m 试样取 自焊态 热成形 调 质 模拟热处理三种状态 共 3件 2 结果及讨论 2 1 尺 寸 试验件堆焊后平均厚度为 5 3 5 m m 调质和 模拟热处理后 采用超声波探伤方法测得最小壁 厚为 4 9 m i l l 计算得出壁厚减薄量为 8 4 表 3列 出采用刻度尺测量试验件两个横面的 最大直径和最小直径数值 按照式 1 计算得椭 圆度分别为 5 7 和 6 6 表3 弯管横面直径尺寸 成形 截面 1 截面 2 D mm 21 9 0 2 23 7 D mm 2 0 6 9 2 0 9 4 2 D 一 D D D j 1 0 0 1 式中 弯管椭圆度 D 弯管横截面的最大直径 m m D 弯管横截面的最小直径 m m 目前加氢反应器产 品制造技术条件 中 通常 要求弯管曲形后的最大壁厚减薄量为 1 0 最大 椭圆度为 7 本试验件的尺寸满足要求 2 2母 材性 能 表 4 母材 力学性 能试 验结果 室温拉伸 4 5 0 拉伸 性能指标 一 3 0 K V z J MPa 0 2 MP a 65 也f 6 MPa 0 2 MP a 验收值 5 8 0 7 6 0 4 1 5 6 2 0 1 8 4 5 4 6 3 3 3 9 5 4 热成形后 7 5 0 4 8 5 2 3 5 6 9 7 3 5 4 8 0 1 7 1 4 1 5 调质 6 7 3 5 5 8 2 3 4 7 8 9 5 5 0 4 8 4 3 0 5 2 9 9 2 8 7 模拟热处理 5 9 0 4 6 5 2 7 5 8 0 5 4 6 5 3 8 0 3 0 7 3 0 4 3 1 5 第 3 1 卷第 7期 压 力 容 器 总第 2 6 0期 母材 2 2 5 C r 一1 Mo一0 2 5 V钢 热成形 调 质和模拟热处理 三种状态 的拉伸和夏 比 V形冲 击试验结果见表 4 从试验 结果可 以得 出 母材 热成形后经过调质处理 韧性得以改善 母材再次 调质并模拟 7 0 5 2 6 h热处理后 强度和韧性 满足要求 2 3堆 焊层 性能 表 5列 出堆焊层热成形 调质 模拟热处理 后两种状态的化学成分 从试验结果可 以看出 堆焊层各元素成分含量均满足要求 铁素体数也 满足要求 表 5 堆焊层化学成分分析结果 元素 C S i Mn S P C r N i M o C u N b T a N F N 1 0 0 l 9 0 o 1 0 0 0 8 C 验 收值 0 0 2 5 0 9 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 5 0 0 2 0 0 0 5 3 8 2 5 0 21 0 0 1 2 0 0 1 0 0 热成形 0 0 2 5 0 4 1 2 3 2 0 0 0 2 0 0 2 0 1 9 3 7 1 0 8 6 0 0 4 0 1 1 0 6 5 0 0 3 5 6 2 0 调质 0 0 2 0 4 2 2 3 l 0 0 0 3 0 0 2 0 1 9 3 9 1 0 8 9 0 0 5 0 1 1 0 6 3 0 0 3 6 7 2 1 热处理 焊态 热成形 调质 模拟热处理三种状态 的 侧弯试验试样经弯曲后 均无开裂和超标缺陷 焊 态 热成形 调质 模拟热处理三种状态的晶问腐 蚀试样经敏化和弯曲后 均未发现晶间腐蚀裂纹 焊态 热成形 调质 模拟热处理三种状态的氢剥 离试验试样 经过一个充氢循环并且放置 7天后 经超声波和金相检验 均无剥离现象 从试验结果可以看 出 堆 焊层具有较好 的塑 性 抗 晶间腐蚀能力和抗氢致剥离能力 堆焊层与 母材的熔合质量较好 3 结论 从上述试验过程和试验结果可 以看出 加氢 反应器整体 9 0 弯管的制造可以采用先堆焊后热 成形的制造工艺 1 直管内壁不锈钢堆焊应选用稀释率低 热输入小和焊道成形质量 良好 的焊接方法 如钨 极填丝氩弧焊 2 母材 2 2 5 C r 一1 Mo一0 2 5 V钢 经热成 形后需重新调质 改善韧性 参考 文献 1 于义枫 费月涛 加氢反应器封头管12 I 9 0 弯管的制 造 J 石油化工设备 1 9 9 2 4 3 6 2 陈崇刚 我国加氢反应器制造面临的课题 J 炼油