臨氫反應(yīng)器承重環(huán)耐蝕層裂紋的成因及對策

馬鐵鋼

（中國石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司， 黑龍江 大慶 163714）

臨氫反應(yīng)器是某石化公司130萬噸/年柴油加氫脫硫裝置的核心靜設(shè)備之一，屬三類臨氫熱壁反應(yīng)器。設(shè)計、制造符合JB4732《鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》。該反應(yīng)器主體材料為耐熱抗氫鋼12Cr2Mo1R(H)+雙層堆焊；筒體內(nèi)部設(shè)置有兩層催化劑床層承重環(huán)，該承重環(huán)由鉻鉬鋼材料堆焊基體，表面采用帶極堆焊+手工堆焊奧氏體不銹鋼TP347耐蝕層。

臨氫反應(yīng)器承重環(huán)焊接過程中，不銹鋼耐蝕層開裂是經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷之一。耐蝕層開裂出現(xiàn)的主要位置位于承重環(huán)表面及其棱角等形狀突變處。本臺臨氫反應(yīng)器承重環(huán)耐蝕層堆焊前，在帶極堆焊和手工堆焊試件，經(jīng)過檢測，我們發(fā)現(xiàn)了大量不銹鋼耐蝕層堆焊裂紋，為了解決這一難題，我們利用試件多次試驗，并要求專業(yè)人員進(jìn)行檢測、分析，最終掌握了裂紋產(chǎn)生的原因，并找到了控制方法。

1 臨氫反應(yīng)器技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)

1.1 技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 臨氫反應(yīng)器（R-5101）主要技術(shù)參數(shù)

1.2設(shè)備結(jié)構(gòu)

設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 臨氫反應(yīng)器（R-5101）設(shè)備簡圖

2 承重環(huán)耐蝕層裂紋產(chǎn)生的原因

臨氫反應(yīng)器用厚鋼板主要是2.25Cr-1Mo型，美標(biāo)為S A 3 8 7 G r 2 2 C l 2，國內(nèi)牌號為12Cr2Mo1R。本臺臨氫反應(yīng)器為板焊結(jié)構(gòu)，母材為12Cr2Mo1R(H)，壁厚102mm[1]。承重環(huán)基體采用2.25Cr-1Mo焊材進(jìn)行堆焊，堆焊完成后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，然后采用帶極堆焊+手工堆焊不銹鋼耐蝕層。不銹鋼耐蝕層由兩種材料組成，過渡層為309L焊材，面層為347L焊材。產(chǎn)品制造前，模擬承重環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接工藝評定試驗，焊接電流為100-150A，并控制層間溫度為100-150℃。表1給出了347L堆焊層和309L+347L堆焊層的化學(xué)分析結(jié)果和鐵素體含量。并在不銹鋼耐蝕層表面及拐角等形狀突變部位發(fā)現(xiàn)焊接裂紋，為長度不大的多裂紋形態(tài)，裂紋嚴(yán)重的地方，由于數(shù)量多，局部構(gòu)成密布網(wǎng)狀[2]。

表2 模擬試驗化學(xué)分析結(jié)果和鐵素體含量

2.1 低熔點共晶物的影響

309L和347L焊材顯微組織均為奧氏體+少量鐵素體。奧氏體焊縫的柱狀晶間存在低熔點共晶物，在凝固結(jié)晶后期以液膜的形式存在與奧氏體柱狀晶粒之間，在一定的拉應(yīng)力下起裂、擴(kuò)展，形成晶間開裂。能形成低熔點液膜的合金元素有Si、B、Ni及S、P、Sn、Sb等雜質(zhì)。圖2是結(jié)晶裂紋的典型形貌，從圖2中可見，裂紋為多源起裂。其形態(tài)主要分兩種，多數(shù)裂紋為橫向裂紋，裂紋長度與BTR溫度區(qū)間相關(guān)；另一部分為縱向裂紋，多位于焊縫的中間，嚴(yán)重時裂紋可貫穿整個焊縫。

圖2 結(jié)晶裂紋

S、P、Si等元素易在晶界形成低熔點共晶物，其含量對焊縫抵抗結(jié)晶裂紋的能力影響很大，應(yīng)該嚴(yán)格限制。焊縫中產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的雜質(zhì)元素含量與結(jié)晶模式關(guān)系密切，圖3是P+S含量與結(jié)晶裂紋的關(guān)系，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的P+S含量上限由(Cr/Ni)eq決定，(Cr/Ni)eq越低，對P+S含量的要求就越高，當(dāng)(Cr/Ni)eq小于1.5時，P+S含量小于0.01%才能避免結(jié)晶裂紋[3]。

圖3 按照Hammar & Svensson公式預(yù)測結(jié)晶裂紋

2.2 鐵素體含量的影響

純奧氏體不銹鋼具有較高裂紋敏感性，含有一定數(shù)量鐵素體的奧氏體不銹鋼具有較高的抗結(jié)晶裂紋能力。奧氏體不銹鋼焊縫凝固時，根據(jù)不同的化學(xué)成分，可能有三種結(jié)晶模式。即先結(jié)晶析出奧氏體并形成全奧氏體組織的模式（簡稱A模式）；先結(jié)晶析出奧氏體后在晶界產(chǎn)生鐵素體組織的模式（簡稱AF模式）和先析出鐵素體后產(chǎn)生奧氏體+鐵素體組織的模式（簡稱FA模式）。焊縫結(jié)晶模式不同，結(jié)晶裂紋敏感性也不同。FA模式的抗結(jié)晶裂紋能力最強(qiáng)，A模式的抗結(jié)晶裂紋能力最差。當(dāng)焊縫以FA模式結(jié)晶時，由于發(fā)生δ+L→γ反應(yīng)，產(chǎn)生晶界遷移，原枝晶偏聚的低熔點雜質(zhì)被包圍在γ相晶粒內(nèi)，因此具有非常好的抗裂性能。此外，鐵素體對S、P、Si等元素具有較高的溶解度，能有效地降低凝固時殘液中的雜質(zhì)含量，提高抗裂能力[3]。

2.3 焊接工藝參數(shù)及規(guī)范的影響

影響不銹鋼耐蝕層裂紋的焊接工藝參數(shù)主要包括焊接熱輸入和層間溫度。對于手工電弧焊，焊接電流對結(jié)晶裂紋的影響很大，電流增加，焊接熱輸入增加，高溫停留的時間增大，結(jié)晶裂紋敏感性增大。因此，奧氏體不銹鋼焊接常限制焊接熱輸入。此外，焊接電流過大，會造成焊條藥皮發(fā)紅，甚至脫落，嚴(yán)重影響熔池保護(hù)效果，進(jìn)而影響焊縫化學(xué)成分，也會影響結(jié)晶裂紋敏感性。同樣道理，層間溫度過高，高溫停留時間加長，也會增加結(jié)晶裂紋敏感性。因此，奧氏體不銹鋼焊接?？刂茖娱g溫度。

2.4 不銹鋼耐蝕層σ相脆化的影響

σ相是一種脆硬的金屬間化合物，主要析集于柱狀晶的晶界。在奧氏體焊縫中，γ相與δ相均可發(fā)生σ相轉(zhuǎn)變。如25Cr-20Ni型焊縫在800-900℃加熱時，將發(fā)生強(qiáng)烈的γ→σ的轉(zhuǎn)變；在奧氏體+鐵素體雙相組織的焊縫中，當(dāng)δ鐵素體含量較高時，如超過12%時，δ→σ的轉(zhuǎn)變將非常顯著，造成焊縫金屬的明顯脆化。σ相析出的脆化還與奧氏體不銹鋼中合金化程度相關(guān)，對于Cr、Mo等合金元素含量較高的超級奧氏體不銹鋼，易析出σ相。Cr、Mo具有明顯的σ化作用，提高奧氏體化合金元素Ni含量，防止N在焊接過程中的降低可有效地抑制它們的σ化作用，是防止焊接接頭脆化的有效冶金措施[3]。

2.5 不銹鋼耐蝕層應(yīng)力的影響

奧氏體不銹鋼的物理特性是導(dǎo)熱率小、線膨脹系數(shù)大，因此在焊接局部加熱和冷卻條件下，焊接接頭部位的高溫停留時間較長，焊縫金屬及近縫區(qū)在高溫承受較高的拉伸應(yīng)力與拉伸應(yīng)變，這是產(chǎn)生熱裂紋的基本條件之一。

對于奧氏體不銹鋼母材，當(dāng)上述雜質(zhì)元素的含量較高時，將易產(chǎn)生近縫區(qū)的液化裂紋。液化裂紋是晶界局部熔化造成的，造成晶界局部液化的成分可以是低熔點雜質(zhì)偏聚，也可以是析出物偏聚。與結(jié)晶裂紋不同的是，液化裂紋發(fā)生在熱影響區(qū)，可能發(fā)生在母材熱影響區(qū)，也可能發(fā)生在焊縫的熱影響區(qū)，由局部成分決定。對于347型不銹鋼，由于含有一定數(shù)量的Nb，可能會由于NbC在晶界的偏聚引起液化裂紋。而S、P等容易形成低熔點液膜的元素也促進(jìn)液化裂紋的產(chǎn)生。焊縫中存在一定數(shù)量的鐵素體，對阻礙液化裂紋的產(chǎn)生同樣有效，已有結(jié)果顯示：347型不銹鋼避免焊縫液化裂紋的鐵素體含量最好大于6%。

3 解決對策

綜合上述分析，可以得出避免臨氫反應(yīng)器不銹鋼耐蝕層堆焊出現(xiàn)裂紋的主要措施。

3.1 為了避免347L焊材堆焊過程中產(chǎn)生熱裂紋，應(yīng)嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素的含量，尤其P和S的含量，可以考慮的P和S含量是P≤0.02%，S≤0.01%。另外，堆焊部位的清潔程度對不銹鋼耐蝕層開裂也有很大影響，所以焊前應(yīng)對堆焊區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)格清理。同時注意清理焊接區(qū)，防止由于污染產(chǎn)生熱裂紋，尤其是經(jīng)著色探傷的堆焊表面，應(yīng)將著色劑徹底清理干凈。

3.2 盡量減少焊接熱輸入，避免σ相脆化轉(zhuǎn)變。E347L焊材合理的焊接電流控制：對于60mm寬焊帶焊接電流控制在1100A左右；直徑為φ4mm焊條焊接電流控制在110～150A。焊接電流對熱裂紋敏感性影響較大，過高的焊接電流不僅增加了焊接熱輸入，造成焊縫高溫停留時間增加，提高了熱裂紋敏感性，而且能夠改變焊縫的化學(xué)成分，進(jìn)而影響鐵素體含量，避免σ相脆化而引起的開裂。圖4為WRC-1992鐵素體含量圖[3]。以347L焊條堆焊層為例，正常焊接規(guī)范條件下，焊縫金屬的N含量為430～600ppm，其鐵素體含量約為4.7-6.2%；若采用過大的電流將會破壞藥皮對熔池的保護(hù)，增加焊縫的N含量，如果焊縫金屬的N含量為900ppm，則焊縫鐵素體含量會降低到3.3%，不滿足347型不銹鋼防止液化裂紋的要求。以309L+WEL347L焊條堆焊層為例，正常焊接規(guī)范條件下，焊縫金屬的N含量為600ppm，其鐵素體含量約為3.5%；如果焊縫金屬的N含量為900ppm，則焊縫鐵素體含量會降低到2.0%。

圖4 WRC-1992組織圖

3.3 層間溫度對鐵素體含量是有影響的，層間溫度較低時，即冷卻速度較高時，鐵素體含量會適當(dāng)增加[4]。嚴(yán)格控制道間溫度，防止焊縫過熱，最大道間溫度不應(yīng)大于150℃，適當(dāng)?shù)牡篱g溫度為100～150℃，也可以低于100℃。另外，焊接時每道搭接量需嚴(yán)格進(jìn)行控制，帶極堆焊每道搭接量控制在8-10mm，手工堆焊每道搭接量控制在3-5mm，且以焊道間無明顯溝痕為宜；焊接時保持短弧焊接以控制熔深。

3.4 承重環(huán)不銹鋼耐蝕層堆焊過程中選用適合不銹鋼焊縫打磨的角磨機(jī)砂輪片，打磨時要垂直焊接方向打磨且不要造成局部過熱，防止局部氧化。3.5 為了在不降低承重環(huán)不銹鋼堆焊層耐蝕性的前提下，選擇合理的熱處理規(guī)范對不銹鋼耐蝕層進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理，降低堆焊層的焊前和焊接過程所產(chǎn)生的應(yīng)力。

3.6 在承重環(huán)形狀突變部位，如承重環(huán)矩形的兩個棱角以及承重環(huán)與筒體根部都采用大圓角過渡，堆焊后打磨成大R角半徑，降低應(yīng)力集中[5]。

4 結(jié)論

4.1 臨氫反應(yīng)器承重環(huán)不銹鋼耐蝕層堆焊焊縫經(jīng)超聲檢測、滲透檢測、鐵素體含量檢測，均符合設(shè)計技術(shù)條件及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求[6][7]。

4.2 臨氫反應(yīng)器承重環(huán)不銹鋼耐蝕層由于低熔點共晶物析出、鐵素體含量超標(biāo)、焊接工藝參數(shù)及規(guī)范不合理、σ相脆化轉(zhuǎn)變以及堆焊層高應(yīng)力而產(chǎn)生開裂。

4.3 臨氫反應(yīng)器承重環(huán)不銹鋼耐蝕層焊接難度大，E347L是一種使用廣泛的不銹鋼焊接材料，也常用于堆焊，只要焊條質(zhì)量好，焊接工藝合理，完全能夠得到?jīng)]有焊接裂紋的滿足使用要求的不銹鋼耐蝕堆焊層，重點是嚴(yán)格控制焊接材料的質(zhì)量；焊前清潔；焊接工藝參數(shù)及規(guī)范的選擇確定；焊后熱處理規(guī)范的合理制定等，通過采取上述措施，完全可以避免臨氫反應(yīng)器承重環(huán)不銹鋼耐蝕層堆焊焊縫出現(xiàn)裂紋。

4.4 本臺臨氫反應(yīng)器于2016年9月投用，經(jīng)過一年多的生產(chǎn)運行，各項運行參數(shù)符合設(shè)計要求，滿足了相應(yīng)工況（高溫、高壓、臨氫）下的使用要求，臨氫反應(yīng)器承重環(huán)的強(qiáng)度和耐蝕性是安全可靠的。

◆參考文獻(xiàn)

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[6] NB/T 47013.5-2015，承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測[S].

[7] NB/T 47013.3-2015，承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測[S].