国产钢带_焊剂电渣堆焊工艺在热壁加氢反应器中的应用_雷万庆

1、国产钢带、焊剂电渣堆焊工艺在热壁加氢反应器中的应用The Application of Electreslag Strip Overlaying Combing with Domesticstrips and Flaxes in the High Pressure Hydrofmer Vessel Realtor 兰州石油化工机器总厂 雷万庆 兰 明 木文针对哈尔滨焊接研完所研制的适用于电渣堆焊工艺的钢带、焊剂，对其所进行的工艺试验研究.以及应用于热壁加氢反应器内壁堆焊的工作情况作一介绍，以促进压力容器内壁不锈钢堆焊焊材的国产化。关键词:电渣堆焊 钢带 焊剂 国产化 应用近年来，带极堆焊工艺被

2、经常应用于压力容器内表面大面积堆焊.以提高其耐蚀性。已被开发并付诸实际应用的带极堆焊法，可分为埋弧焊和电渣型两种。前者，我厂应用国内外生产的焊材已相当成熟，而比埋弧堆焊具有更多优点的电渣堆焊工艺，特别是匹配国产焊材，应用与炼油厂热壁加氢反应器内壁大面积堆焊，在国内还是一个空白。本文就采用带极电渣堆焊工艺，匹配国产钢带、焊剂应用于热壁加氢反应器内壁堆焊情况作一介绍。 1. 产品技术特点 我厂为某炼油厂制造的一台加氢反应器其设计参数，设计压力:8.64MPa；最高工作压力:8.21MP；温度:435；介质:油、H2S、H2等，规格2400mm22000mm 80mm，主体材料为2.25Cr-1Mo

3、钢板，要在其内壁堆焊不锈钢耐蚀层.其堆焊技术要求如下: a.反应器采用双层堆焊，过渡层为E309L，表层为E347型。正式堆焊前，应对堆焊工艺按JB4708-92进行焊接工艺评定。b.评定试验所用的母材试板、焊接材料，热处理状态均需和产品制造时一致。 c.堆焊表层应按GB150-89附录H进行渗透探伤。堆焊层应进行超声波探伤。 d.表面以下3mm处化学成分应满足下列要求: C0.05%；Si0.90%；Mn=1.0%2.5%；Cr=18.0%21.0%；Ni=9.0%11%；P0.04%；S0.03%；Nb=8C1.00%；Mo0.5% e.铁素体含量=4%10%(schaeffler图法)。

4、 f. 2个纵向大侧弯；2个横向大侧弯；3个横向小侧弯；均180无裂合格。 g.晶间腐蚀按GB4334.5-90不锈钢硫酸一硫酸铜腐蚀试验方法进行。 h.堆焊焊道搭接处的不平度1.5mm，产品结构示意图如图1。 图1 热壁加氢反应器产品结构示意图 2. 堆焊焊材为满足加氢反应器堆焊技术要求，我厂一般选用进口堆焊焊材。而选用进口焊材.不仅价格高.采购周期长，为了降低成本，推广我国堆焊焊材的广泛应用。我们选用了哈尔滨焊接研究所研制的适用于电渣堆焊工艺的钢焊带、焊剂。钢带:过渡309L，规格500.4(mm)；表层347L，规格750.4(mm)。其化学成分见表1，表层及过渡层焊剂均匹配SJ-15型

5、。表1 钢带化学成分(%)3. 试验研究对于加氢反应器，其内壁耐腐蚀不锈钢堆焊层的质量主要从堆焊层外观质量、理化性能、抗氢剥离性能三方面来衡量，而对制造厂来说，不仅要考虑上述三方面的要求，且还要考虑焊材的工艺性能。为此，我们进行了大量的试验研究以此来检验所选用焊材的可靠性，以便获取能满足上述几方面要求的最佳焊接参数。 3.1工艺试验 焊接试板，采用2.25Cr-1Mo钢板，焊前打磨.用煤气预热至100。焊剂焊前经3502h烘干。试验用焊机为ESAB公司生产的LAD-1400型。一般来说，电渣堆焊焊接时，由于熔渣导电使焊道容易产生咬边缺陷，故在导电嘴两侧要附加磁探装置，以消除焊接(咬边)缺陷。但

6、是，在试板堆焊时，我们根据实际情况，调整规范、地线装接位置，消除了焊道两侧的咬边。所以，工艺试验时没有附加磁控装置。 3.1.1焊接电压 对于电渣堆焊来说焊接电压是电渣堆焊电渣过程能否稳定的一个重要参数。电压太高，如高于26伏的电压，会引起电弧发生率增加，而且增大电流在熔融焊剂中的分流，导致熔透能力的削弱，造成夹渣，而电渣过程和电弧过程的交替，也会引起熔合比的急剧波动，并且增大飞溅。电压低于24伏.带极存在粘连母材的倾向，且堆焊过程变得不稳定，适宜的电压为2425V之间。 3.1.2焊接电流 电渣堆焊时，焊接电流要合适，如电流太大，渣池飞溅大。由于电渣焊时，导电嘴后方不铺撤焊剂，飞溅大，将在导

7、电嘴处粘结成块。结块长大到一定程度，掉进熔池.会在焊道上产生凹坑，影响焊道表面成形质量，影响脱渣性，稀释率也会提高，并且堆焊厚度增加浪费焊材；反之电流过小，堆焊层厚度减薄，焊渣也减薄造成脱渣困难，并且还容易造成卷带、断弧。焊接电流一般在95011OOA之间为宜。 3.1.3焊接速度 在试验中我们发现焊速太快、焊道容易咬边，这是因为焊速太快渣池在未成型时随着熔池流动，造成焊道咬边。并且随着焊速提高稀释率增大，导致成分与组织改变，影响堆焊层的耐蚀性能。焊速与稀释率的关系如图2。图2 焊速与稀释率关系 3.1.4干伸长、焊剂厚度 干伸长对堆焊质量影响主要是干伸长太长，会导致搭接处易出现缺陷，严重时还

8、会出现焊带后拖影响焊接过程，渣池不稳定，飞溅增加。反之，容易烧损导嘴。焊剂铺撒太薄，飞油增大，脱渣困难，有时会对溶池保护不利；太厚，焊道成形不平滑，浪费焊剂，增加焊工劳动强度。 3.1.5焊道搭接量 如果堆焊时，搭接量太小，会在道与道之间产生凹坑影响堆焊层平度，增加了补焊工序，影响外观成形。搭接太多，虽然稀释率降低，但容易产生夹渣(图3)，浪费焊材。通过解剖试板证明，一般两焊道间搭接量510mm ,质量最好。在实际平板平位堆焊时，对以上参数严格控制就可以堆出焊道成形美观，焊接外观质量较高的不锈钢堆焊层。图3 3.2筒休见证件的焊接 为了验证该工艺在筒体内表面堆焊的适用性，以及模拟产品的堆焊，我

9、们为此在1800 90mm(材质为2.25Cr-1Mo)筒体内进行堆焊。考虑到见证件筒体和产品堆焊需在车间进行。为此需改装用于产品的电渣堆焊设备。经认真考证，堆焊时焊接设备采用ESAB公司生产的EHD系统操作机和防偏移滚轮架，易于筒体环向堆焊。同时对该公司生产的LAD-1400电源的外特性进行了分析，电流每增加1OOA电压下降不到1V近似平特性，能适应电渣堆焊的要求。由于在堆焊过程中，熔融的渣池没有焊剂覆盖，其辐射热作用于长时间工作的焊头导电部分，温度升高，影响正常焊接，并且考虑到大电流堆焊时，咬肉是要解决的一个重要问题。为此，选用了SOUDMETAL公司生产的水冷焊头及磁控系统。经过试焊发现

10、电渣堆焊工艺同埋弧堆焊工艺一样，焊带在筒体中的位置对于焊接质量有十分重要的影响。另外，电渣焊工艺磁控电流对堆焊焊道咬边是否消除起决定性的作用，所以除平板试验的焊接参数外.在筒体内壁堆焊时，还应对焊带在筒体中的位置以及磁控电流进行试验，以寻求此两项的最佳参数，使筒体内壁电渣堆焊焊道获得最佳的成形。 3.2.1钢带在筒体中的相对位段 钢带在筒体中的位置，可分为上坡、下坡两个位置，它们不仅影响焊接过程的稳定性及焊道形状，而且也影响稀释率。当带极处于较大的下坡位置时，熔渣前流稀释率减小，容易产生夹渣.并且焊道中间下凹形成“M”型，焊剂两侧厚，中间薄，导致脱渣困难。当带极处于较大上坡堆焊位置时，电弧发生

11、率提高，飞溅严重，稀释率增大焊道成形差，脱渣困难。因此对于不同直径的筒体选择合适的H值(图4)是非常重要的。在1800内径的筒体内壁电渣堆焊时B=2535mm为宜。图4 带级在筒体中的位置 3.2.2磁控电流 电渣堆焊时焊接电流在整个带极宽度上分布，并流经导电熔渣形成磁场，按照夫累明左手定则电流就会在熔池中产生一个力，这个力从熔池的两侧指向中心，这样使熔融的渣和金属向中心流动，结果焊道的宽度变窄，在焊道两侧容易发生咬肉。为克服这种现象，将一外加磁场加于焊接熔池位置，试验用磁控装置为两个加在带极宽度两侧稍后的电磁线圈，线圈芯子端部离母材15mm左右较合适。磁控电流以获得平坦的焊道且厚度均匀没有咬

12、边最佳。当磁控电流太大，焊道宽度增宽、堆高减小，影响堆焊层厚度和稀释率，还会出现两侧厚，中间下凹现象；磁控电流太小，焊道搭接处不平滑，甚至咬边缺陷不能消除，失去磁控电流作用的意义。在使用的焊接电流范围内，磁控电流在0.53.5A为宜，且左右两个磁控电流一般不等。 3.2.3筒体见证件堆焊及检验 经过上述试验工作后，我们在筒体内壁进行了堆焊。过渡层堆焊时，焊剂脱渣性能好，均为自动脱渣，并且焊道成形美观。堆焊焊道没有咬边，不平度 0.3mm。堆焊后进行了铁素体含量的测定、着色检查、结合面超声波探伤。表层堆焊时.焊剂脱渣性与过渡层堆焊时的相比稍差，但堆焊焊道外观质量与其相差无几。堆焊后测定了铁素体含

13、量，进行了着色检查。检验结果:过渡层4.0%6.0%、表层4.2%7.8%，着色PT检查，结合面超声波UT探伤均100%合格。完全满足加氢反应器技术要求。 3.3 堆焊焊接工艺评定 在工艺试验筒体见证件验证的基础上，选取了最佳焊接规范。对钢带、焊剂进行验证，对其堆焊的堆焊层理化性能按JB4708-92和加氢反应器技术条件进行评定。堆焊用试板采用2.25Cr-1Mo钢板，规格为60035060(mm)，焊材为:第一层309L(500.4mm)+SJ-1，第二层347L(75mm X0.4mm)+SJ-15,焊后对第一层、第二层表面进行100%着色检查，结果为合格。对堆焊层结合面进行了100%超声

14、波检查，结果为合格。然后按加氢反应器技术条件热处理制度对堆焊试板进行了热处理，见图5。图5 热处理温度曲线图 堆焊试板经解剖取样，其堆焊层性能如下: 3.3.1力学性能 侧弯:7件(4件大侧弯，其中2件横向，2件纵向；3件横向小侧弯).d=4a，a=180均含格。堆焊层硬度HVmax:202 3.3.2堆焊层硫酸一硫酸铜试验，按GB4334.5-90执行2件通过。 3.3.3堆焊层显微组织堆焊表层:奥氏体+铁素体；堆焊过渡层:奥氏体+铁素体十相，经热处理后靠近熔合线有增碳层。3.3.4堆焊层化学成分见表2表2 3.3.5用磁力法测定表面铁素体含量。焊态为（%）平均时:9.06%。用化学成份按s

15、chaeffler diagram 计算为（%）:8。 从上面各项性能看堆焊层虽经热处理，但各项性能还是比较好.均能满足JB4708-92和加氢反应技术条件要求。 3.4氮剥离试验 为了了解压力容器在役时氢对其堆焊层剥离的影响以及和普通埋弧带极堆焊对比。我们在抚顺石油三厂设备研究室进行了氢剥离试验，试样取自堆焊工艺评定试板，试验条件如下:(1)压力条件:升压速度:15.8MPa/h，系统压力:15.8MPa；降压速度:15.8MPa/h，氢分压:15MPa。(2)温度条件:试验温度450 ，恒温时间:48h，升温速度50/h，降温速度70 /h。试验后，试样经探伤没有发现剥离。此结果与我厂采用

16、带极埋弧堆焊焊接工艺时结果一样，并且与一些学者认为焊接方法对抗氢剥离性能影响不大的观点相吻合。而对于电渣堆焊工艺降低抗氢剥离性能的观点，主要在宽带极( 150mm )，慢焊速(69m/h)时容易发生，而以我厂使用的这种钢带宽度仅50mm，焊接速度(9. 6llm/h)，其抗氢剥离性能与埋弧堆焊工艺在目前加氢反应器容器使用条件下没什么区别，故采用这种堆焊工艺方法在高压加氢反应器内壁堆焊不锈钢是适宜的。 4. 产品焊接及检验 根据工艺试验，筒体见证件堆焊试验以及工艺评定，确定了获得高质量堆焊层的焊接规范（见表3)。焊接前，简体内壁喷砂、打磨，并用煤气予热至100以上(过渡层)。按表3焊接规范在产品

17、筒体内壁进行了堆焊，由于试验工作做得比较充分。堆焊后，焊道成形美观(具体工艺性能见（表3)。产品堆焊顺利完成，堆焊层按产品堆焊技术条件进行了检验:(1)堆焊层探伤:过渡层、表层均100%PT检查产品；堆表3焊层结合面 100%UT检查合格。(2)堆焊表层在焊态下其铁素体磁性法测定平均值（%）为5.2 。经用化学成分按schaeffler图计算结果为：4.8。(3)堆焊层化学成分如表4所示。(4)堆焊层厚度为6.08.7mm。(5)堆焊层不平度lmm，以上各项技术指标检测结果均满足要求，并且完全与进口堆焊焊材堆焊的质量相媲美。由哈尔滨焊接研究所研制的电渣堆焊用钢带，焊剂成功的在高压加氢反应器内壁堆焊中得到应用。表4 5. 结论 （1）哈焊所研制的钢带及电渣型焊剂可获得隐定的电渣堆焊过程。 (2)磁控有效地克服了咬边，改善焊道成形，可以获得满意的堆焊表面质量。 (3)电渣带极堆焊各项性能指标检验均能满足加氢反应器技术条件要求。 (4)由于焊剂在过渡层，表层焊接时，均为一种SJ-15型，便于使用厂家进行焊材管理。 (5)焊剂消耗较小(钢带、焊剂消耗比为1：0.5)可降低成本。 (6)今后应进一步提高SJ-15在堆焊表层时的脱渣工艺性。 生产实践证明，我厂首次运用哈焊所研制的焊材309