林桂賢 朱曉燕 馬小兵 溫宇航 王志剛

摘要：為滿足對(duì)苯二甲酸加氫精制反應(yīng)器抗腐蝕要求，在殼體內(nèi)壁堆焊鎳基合金，確定了內(nèi)壁堆焊時(shí)采用國(guó)產(chǎn)鎳基合金EQNiCrMo-3焊帶進(jìn)行過(guò)渡，采用EQNiCrMo-4焊帶進(jìn)行表層電渣堆焊的工藝方案，進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定，得到最佳的焊接工藝參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)鎳基合金焊帶堆焊工藝性良好，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足產(chǎn)品制造技術(shù)要求，并完成產(chǎn)品制造。

關(guān)鍵詞：焊帶;鎳基合金;電渣堆焊

中圖分類號(hào)：TG 454

Abstract： To meet the corrosion resistance requirements of the terephthalic acid hydrotreating reactor， a nickel-base alloy was deposited on the inner wall of the shell. A domestic nickel-base alloy EQNiCrMo-3 welding strip was used for the transition layer and an EQNiCrMo-4 welding strip was employed for the surface layer during inner wall surfacing. Welding procedures were evaluated to obtain optimized welding parameters. The test results showed that surfacting process performance of the domestic nickel-based alloy welding strip was good， and the performance indicators met the technical requirements of product manufacturing. Terephthalic acid hydrotreating reactor was manufactured by domestic nickel-base alloy.

Key words： welding belt; nickel-based alloy; electroslag surfacing welding

0 前言

精對(duì)苯二甲酸（PTA）是關(guān)系到國(guó)民生計(jì)的衣用滌綸化纖聚酯產(chǎn)品的原料，目前滌綸化纖因其品質(zhì)優(yōu)良，是化學(xué)纖維中的首選品種，已占整個(gè)化纖產(chǎn)品的76%以上。對(duì)苯二甲酸加氫精制反應(yīng)器是生產(chǎn)PTA的關(guān)鍵設(shè)備，其內(nèi)部為復(fù)雜的強(qiáng)氧化性條件腐蝕介質(zhì)。而EQNiCrMo-4焊帶在濕氯、各種氧化性氯化物、氯化鹽溶液、硫酸與氧化性鹽及中低溫鹽酸等介質(zhì)中均具有很好的耐蝕性能。因此，采用EQNiCrMo-4焊帶對(duì)精對(duì)苯二甲酸精制反應(yīng)器內(nèi)壁進(jìn)行堆焊達(dá)到耐腐蝕性能的要求[1-3]。

受國(guó)內(nèi)冶煉水平及焊帶生產(chǎn)水平等因素限制，國(guó)內(nèi)EQNiCrMo-4焊帶堆焊材料生產(chǎn)困難，耐腐蝕性差，因此長(zhǎng)期主要依賴國(guó)外進(jìn)口。進(jìn)口焊接材料不但價(jià)格昂貴，而且供貨周期長(zhǎng)。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)水平提升，鎳基合金的冶煉水平和耐腐蝕性能得到大幅提高，為打破EQNiCrMo-4焊帶的國(guó)外壟斷，提高國(guó)內(nèi)石化行業(yè)EQNiCrMo-4焊接材料研究水平。依托新疆某項(xiàng)目中的精對(duì)苯二甲酸精制反應(yīng)器，開(kāi)展內(nèi)壁堆焊EQNiCrMo-4焊帶的技術(shù)工作。經(jīng)過(guò)研究后，與用戶和設(shè)計(jì)方等代表協(xié)商，確定選用哈爾濱威爾焊接有限公司研制的EQNiCrMo-4和EQNiCrMo-3焊帶進(jìn)行電渣堆焊，以達(dá)到共同推進(jìn)國(guó)產(chǎn)鎳基焊帶材料在大型反應(yīng)器等設(shè)備上應(yīng)用的目的。

1 焊接工藝試驗(yàn)方案的確定

1.1 設(shè)備情況

該加氫精對(duì)苯二甲酸精制反應(yīng)器，設(shè)備總長(zhǎng)25 000 mm，規(guī)格：4 000 mm×166 mm×16 870 mm（筒體長(zhǎng)度），封頭厚度102 mm，容器類別為Ⅲ類，容積242.8 m3。主殼體材料為SA387GrCL2型耐熱鋼，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 焊接方案

內(nèi)壁堆焊工作量較大，形狀規(guī)則，焊接位置以平焊為主，因此選擇效率高的焊帶電渣焊方法進(jìn)行堆焊。設(shè)備內(nèi)表面堆焊兩層，與殼體母材先接觸的堆焊層為過(guò)渡層，材質(zhì)選用EQNiCrMo-3焊帶，表層堆焊層為覆蓋層，材質(zhì)選用EQNiCrMo-4焊帶。焊接方法兩層均選電渣焊，雙層堆焊總厚為6.5 mm，其中表層最小有效厚度為3 mm。電源均采用直流正接，過(guò)渡層和表層焊帶的化學(xué)成分見(jiàn)表2，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

2 焊接工藝評(píng)定

2.1 工藝評(píng)定要求

按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》中耐蝕堆焊工藝評(píng)定的要求，結(jié)合設(shè)計(jì)技術(shù)要求進(jìn)行評(píng)定。堆焊的表層化學(xué)成分合格指標(biāo)見(jiàn)表4。

晶間腐蝕試驗(yàn)按照ASTM G28 A法進(jìn)行，堆焊層的腐蝕速率不大于12 mm/年。對(duì)堆焊試板熱處理后進(jìn)行解剖檢查，剖面取在焊道搭接處，剖面應(yīng)經(jīng)拋光、侵蝕，以便能清晰地分清熔合區(qū)和基體金屬，并用5倍放大鏡觀察是否有層下裂紋出現(xiàn)。硬度試驗(yàn)依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度》進(jìn)行，熱處理后在每塊試板的堆焊層表面上，任取4點(diǎn)測(cè)量表面硬度，測(cè)量斷面顯微硬度，記錄測(cè)量值。

2.2 試板焊接和后處理

根據(jù)產(chǎn)品的堆焊特點(diǎn)，筒體內(nèi)壁堆焊采用大規(guī)格焊帶60 mm×0.5 mm，封頭內(nèi)壁采用小規(guī)格焊帶50 mm×0.4 mm。故制作兩對(duì)堆焊試板，試板母材為SA387Gr11CL2鋼，厚度為46 mm，過(guò)渡層采用EQNiCrMo-3，表層采用EQNiCrMo-4，兩層均采用電渣堆焊。

試板的焊接按照表3中的工藝參數(shù)執(zhí)行。試板堆焊過(guò)渡層的預(yù)熱溫度≥150 ℃，層間溫度150～250 ℃，后熱（250～300） ℃×2 h，表層的預(yù)熱溫度≥15 ℃，層間溫度15～100 ℃，不需要后熱。試板焊接堆焊過(guò)程中外加磁控裝置，焊接成形美觀，搭接無(wú)咬邊，顏色較好。

試板的熱處理工藝為，裝爐溫度小于400 ℃，400 ℃以上加熱速度不高于70 ℃/h，保溫溫度690+15-10 ??℃，保溫時(shí)間26 h，400 ℃以上冷卻速度不高于80 ℃/h，爐冷至400 ℃后出爐空冷。

2.3 試板評(píng)定結(jié)果

試板耐蝕層堆焊化學(xué)成分見(jiàn)表5，化學(xué)成分符合要求值。對(duì)試板進(jìn)行解剖，按照NB/T 47016—2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)》進(jìn)行大小側(cè)彎試驗(yàn)以及硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6和表7。對(duì)兩塊試板取樣按ASTM G28-A法進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，1#和2#的腐蝕速率分別為5.21 mm/年和5.76 mm/年，均合格。硬度試驗(yàn)位置如圖2所示。

圖3為1#和2#試樣的顯微組織。經(jīng)過(guò)金相檢驗(yàn)，1#和2#試樣均未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，組織均為γ固溶體，晶界和晶內(nèi)均可見(jiàn)析出物，晶內(nèi)析出物呈顆粒狀（或小塊狀），晶界析出物主要呈斷續(xù)棉絮狀，未見(jiàn)微觀裂紋和其它微觀缺陷。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，評(píng)定試板的各項(xiàng)性能均滿足技術(shù)條件的要求，說(shuō)明該焊接材料適用于產(chǎn)品，滿足產(chǎn)品的工程技術(shù)要求。

3 產(chǎn)品內(nèi)壁堆焊

3.1 產(chǎn)品的堆焊要求

堆焊開(kāi)始前，基體焊接接頭必須經(jīng)過(guò)消應(yīng)力處理以及射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)，合格后所有待堆焊表面經(jīng)過(guò)打磨或噴砂，或者機(jī)械加工，并進(jìn)行磁粉檢測(cè)。堆焊完過(guò)渡層后進(jìn)行消氫處理或緩冷，堆焊完表層后應(yīng)進(jìn)行緩冷。

過(guò)渡層堆焊后進(jìn)行宏觀檢查，其厚度應(yīng)均勻，表面應(yīng)平滑，兩相鄰焊道之間的下凹量不得大于1 mm，焊道接頭的不平度不得超過(guò)1.0 mm。

3.2 產(chǎn)品內(nèi)壁堆焊

3.2.1 封頭內(nèi)壁堆焊

封頭因結(jié)構(gòu)的限制存在曲率，使得大規(guī)格的焊帶無(wú)法與封頭內(nèi)壁緊密貼合，故封頭堆焊的焊帶采用規(guī)格為50 mm×0.5 mm的焊帶堆焊。堆焊前封頭內(nèi)壁打磨光滑，經(jīng)磁粉檢測(cè)合格后進(jìn)行堆焊。因封頭上開(kāi)孔的接管較多，為了減少堆焊焊接工作量，節(jié)約堆焊焊接材料，故封頭開(kāi)孔后進(jìn)行堆焊，如圖4所示。

封頭堆焊過(guò)渡層為EQNiCrMo-3（50 mm×0.4 mm）/SJ82B，表層為EQNiCrMo-4（50 mm×0.4 mm）/SJ86B。焊接規(guī)范：焊接電流為720～780 A，電弧電壓為28～32 V，焊接速度≥10 m/h。封頭內(nèi)壁堆焊厚度6.5 mm，過(guò)渡層3 mm，表層3.5 mm。封頭內(nèi)壁的堆焊均為電渣焊，焊前需要加磁控裝置，避免在堆焊過(guò)程中產(chǎn)生咬邊、成型不美觀等問(wèn)題。磁控的大小需要根據(jù)封頭實(shí)際堆焊的過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)，因?yàn)槎押覆课坏牟煌?，磁控裝置的電流參數(shù)也不同[4]。封頭堆焊前需要進(jìn)行預(yù)熱，過(guò)渡層預(yù)熱溫度≥150 ℃，層間溫度150～250 ℃，后熱（250～300）℃×2 h。過(guò)渡層堆焊后，其厚度應(yīng)均勻，表面應(yīng)平滑，兩相鄰焊道之間的下凹量不得大于1 mm，焊道接頭的不平度不得超過(guò)1.0 mm，封頭堆焊成型如圖5所示，經(jīng)檢查外觀質(zhì)量滿足技術(shù)要求。

過(guò)渡層堆焊完成后需要進(jìn)行100%PT檢測(cè)，合格后進(jìn)行表層的堆焊。表層的預(yù)熱溫度≥15 ℃，層間溫度15～100 ℃，不需要后熱。表層的堆焊主要是層間溫度的控制，層間溫度控制不當(dāng)會(huì)降低堆焊層的耐腐蝕性能。表層堆焊完成后進(jìn)行100%PT+100%UT檢測(cè)。封頭堆焊完成后對(duì)封頭的厚度抽8點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)平均值為6.74 mm，最小值為6.60 mm，滿足技術(shù)要求。

3.2.2 筒體內(nèi)壁堆焊

筒體的堆焊可以采用大規(guī)格的焊帶進(jìn)行堆焊，過(guò)渡層為EQNiCrMo-3（60 mm×0.4 mm）/SJ82B，表層為EQNiCrMo-4（60 mm×0.5 mm）/SJ86B。焊接規(guī)范：焊接電流為900～1 000 A，電弧電壓為28～32 V，焊接速度9～11 m/h。筒體內(nèi)壁堆焊厚度6.5 mm，過(guò)渡層3 mm，表層3.5 mm。筒體所有焊接接頭經(jīng)探傷合格后進(jìn)行堆焊，其堆焊的要點(diǎn)和封頭相同。圖6為筒體堆焊效果，堆焊后PT檢測(cè)合格。

4 主要控制措施

（1）焊件清理。焊件表面的清潔度是成功堆焊EQNiCrMo-4材料的重要條件之一。S，P，Pb，Sn，Zn，Bi，Sb，As等凡是能和Ni形成低熔點(diǎn)共晶的元素都是有害元素，會(huì)增加焊接熱裂紋傾向。這些元素經(jīng)常存在于制造過(guò)程中所選用的一些材料中，例如油脂、油漆、標(biāo)記用蠟筆或墨水、潤(rùn)滑劑、著色探傷材料、切削冷卻液以及測(cè)溫蠟筆等。因此焊前徹底清理焊件表面是一道必須的工序，可以采用磨削加丙酮等清洗劑清理[5]。

（2）限制熱輸入量。選用較小的熱輸入量，使接頭的高溫停留時(shí)間減少，對(duì)控制和減少熱裂紋，提高耐腐蝕性均有利。由于鎳基合金液態(tài)焊縫金屬流動(dòng)性差，熔深淺，若增大焊接電流反而會(huì)增大熱裂紋敏感性，使焊縫金屬中脫氧劑過(guò)度燒損，造成氣孔或夾渣。所以只能選擇合適的焊接速度，以保證足夠的熔深。焊接速度過(guò)快或過(guò)慢都易產(chǎn)生氣孔、未熔合等缺陷。

（3）預(yù)熱。過(guò)渡層預(yù)熱溫度≥150 ℃，層溫溫度150～250 ℃，后熱（250～300） ℃×2 h。表層的預(yù)熱溫度≥15 ℃，層溫溫度15～100 ℃，不需要后熱。

（4）堆焊層的修補(bǔ)。對(duì)于超標(biāo)的表面缺陷，允許采用砂輪打磨，不得采用碳弧氣刨，以防增碳。所剩堆焊層厚度不得小于圖樣規(guī)定的最小厚度。打磨部位應(yīng)與周圍金屬平緩過(guò)渡，打磨后需經(jīng)滲透檢測(cè)合格。

5 結(jié)論

（1）選擇EQNiCrMo-3鎳基合金焊帶作為過(guò)渡層，EQNiCrMo-4焊帶作為表層的焊接工藝滿足精對(duì)苯二甲酸精制反應(yīng)器設(shè)備制造要求。在制造過(guò)程中，對(duì)待堆焊面的清理以及控制焊接熱輸入是焊接質(zhì)量的重要保證。

（2）采用國(guó)產(chǎn)鎳基合金焊帶堆焊耐腐蝕層的力學(xué)性能、抗腐蝕性能、化學(xué)成分等均能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件的要求，在精對(duì)苯二甲酸精制反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊中得到成功應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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