15CrMoR不锈钢复合板设备制造工艺的改进

杨 毅 李雪秦

(广西壮族自治区桂林化工机械厂)

广西某化工厂两台在役的低压废热锅炉由国内某工程公司设计、制造，主体材料为15CrMoR+00Cr19Ni10(18+3)，管箱设备法兰、进出口法兰和接管均采用15CrMoⅣ堆焊00Cr19Ni10(过渡层堆焊A402、面层堆焊A002)，设计压力为4MPa,设计温度为280℃，介质为变换气。

设备运行一年后大修，发现管箱内不锈钢侧焊缝附近、法兰和接管的堆焊层均产生大量裂纹，经打磨发现部分裂纹无法消除，且已经裂至基层面，如继续使用将带来安全隐患。

1 原焊接和热处理工艺流程存在的缺陷

经现场考察，发现管箱不锈钢侧焊缝附近、法兰和接管的堆焊层产生大量裂纹，而复合板面没有裂纹，也没有任何损伤和缺陷。查阅设计文件和设备出厂资料，其焊接、检测和热处理工艺流程为：纵缝基层焊接→RT、MT检测→过渡层堆焊→PT检测→面层堆焊→PT检测→环缝基层焊接→RT、MT检测→过渡层堆焊→PT检测→面层堆焊→PT检测→接管与筒体基层焊接→接管、法兰过渡层堆焊→PT检测→面层堆焊→PT检测→整体热处理(650±20℃×1.5h)、冷却(速度200℃/h)→法兰密封面机加工。

由于焊接(特别是在堆焊和热处理过程)过程中，温度在450～850℃范围内停留时间较长，致使碳化铬在晶间沉淀，造成晶界附近贫铬，使焊缝和焊缝热影响区产生晶间腐蚀。而仅经一次整体热处理和快速冷却，基层的焊接和过渡层堆焊产生的焊接应力并没有得到有效消除。文献[1]表明：在H2S存在情况下，经过焊接或者在430～815℃范围内敏化过的奥氏体不锈钢最易引起连多硫酸晶间腐蚀，接着引起连多硫酸应力腐蚀破坏。因此，初步判定管箱焊缝、焊缝附近和堆焊层产生的裂纹是奥氏体不锈钢被敏化，进而造成晶间腐蚀，最终导致应力腐蚀破坏。而上述工艺过程无法消除晶间腐蚀和应力腐蚀倾向。

2 新焊接和热处理工艺流程及焊接工艺评定结果

根据用户提供的信息：近年生产原料所用的煤品质比委托工程公司的设计要求差，管程变换气中的S、H2S含量较高，导致不锈钢晶间腐蚀倾向、应力腐蚀倾向更大，双方商量决定将不锈钢主体材料改为15CrMoR+022Cr17Ni12Mo2(18+3)，法兰、接管采用15CrMo1V堆焊022Cr17Ni12Mo2(过渡层堆焊A402、面层堆焊A022)。

笔者编制焊接、检测、热处理工艺流程为：纵缝基层焊接→RT、MT检测→消除应力热处理→堆焊过渡层→PT检测→中间热处理→堆焊面层→PT检测→接管、法兰堆焊过渡层→PT检测→中间热处理→堆焊面层→PT检测→接管与法兰、筒体焊接→MT检测→消除应力热处理→堆焊过渡层→PT检测→中间热处理→堆焊面层→PT检测→环缝基层焊接→RT、MT检测→消除应力热处理→堆焊过渡层→PT检测→中间热处理→堆焊面层→PT检测→整体热处理(590±15℃×1.0h)，冷却(速度260℃/h)→机加工法兰密封面。

为了避免奥氏体不锈钢再次中温加热致使敏化区腐蚀，上述工艺过程中堆焊、过渡层和覆层的焊接工序也采取了相应措施：接管、法兰堆焊是置工件于流动水槽中，硬泡深度为焊件厚度的2/3，且要求前一焊道与后一焊道之间距离为100mm，目的在于更好地控制堆焊层间温度；复合板过渡层、覆层焊接时采用直径φ3.2mm的焊条、焊接电流140～150A、电弧电压22～24V、焊接速度13～15cm/min和线能量16.61kJ/ cm。焊接过程中检验人员使用红外线测温仪对焊接热量进行监控，要求焊缝两边50mm处温度不得高于300℃。

以上工艺流程中基层15CrMoR与15CrMo1V之间焊后即进行650℃×1.5h的热处理，使焊缝和热影响区硬度下降到规定值以下，焊接应力被完全消除。所有过渡层堆焊后也经过中间热处理，使得基层堆焊过渡层产生的应力得以释放。为保证复合层的耐腐蚀性，复合板焊后热处理温度应低于纯基层材料的热处理温度，面层不锈钢进行590℃×1.0h的热处理[2]，且以较快的速度进行冷却，减少不锈钢材料在450～850℃范围内停留时间过长而被敏化和可能发生的σ相析出可能性。对以上工艺流程中的焊接工艺按文献[2]进行评定，晶间腐蚀试验结果合格。

3 其他过程的控制

为确保管箱的制造质量，在管箱制造过程中除严格执行以上焊接、检测和热处理工艺流程外，对其他各环节也需加强控制：严把材料关，对所用的复合板逐张检查钢板表面质量和材料标记，进行化学成分、力学性能、冷弯性能和超声检测复验；为了避免铁离子污染不锈钢，管箱制造在专用场地(不锈钢车间)完成，从材料的吊装、下料切割、卷板、组焊到试压、酸洗钝化，整个过程必须按照本厂作业指导书《不锈钢容器制造管理规定》进行；按以上工艺流程做焊接试板，对复合不锈钢、焊接接头及其热影响区按文献[2]做弯曲试验，试样表面没有晶间腐蚀裂纹后方能施焊；清除管箱内壁焊缝上的熔渣和两侧的飞溅物，打磨焊缝棱角，使焊缝与母材圆滑过渡，减少应力集中；整体热处理后，再次沿200mm间距格子线按文献[3]进行超声检测，检查复合板的贴合率，不锈钢表面按文献[4]进行100%渗透检测，1级为合格。

4 设备使用情况

两台低压废热锅炉管箱2009年2月份制造完毕，3月中旬交付使用，至今运行三年多，中间经过两次检修，经检查，焊缝、焊缝附近和堆焊层均没有裂纹，使用正常，用户满意。

5 结束语

15CrMoR 不锈钢复合板按相关标准规定制备，基层15CrMoR焊后必须进行消除应力的热处理，而复层奥氏体不锈钢接触晶间腐蚀环境，有晶间腐蚀和应力腐蚀倾向，又必须避免中温加热和缓冷，防止敏化区腐蚀，只采取一次整体热处理难以完全消除焊接应力和奥氏体不锈钢敏化。采取焊接、分层中间热处理和无损检测的工艺流程制造设备，保证了设备制造质量。

[1] 任凌波，任晓蕾.压力容器腐蚀与控制[M].北京：化学工业出版社，2003：249.

[2] HG 20584-1998，钢制化工容器制造技术要求[S].北京：国家石油和化学工业局，1998.

[3] GB/T 4334.5-2000，不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法[S].北京：国家质量技术监督局，2000.

[4] JB4730.3-2005，承压设备无损检测：超声检测[S].北京：国家发展和改革委员会，2005.