加氢反应器产品制造焊接质量的控制

张瑶，卢俊文，王肖逸，周璐璐，陈敏

（河北省特种设备监督检验研究院唐山分院，河北唐山063000）

加氢反应器作为炼化加氢工艺中的核心设备，其工作环境极为苛刻，一般在高温、高压且临氢介质状态下工作，对设备的制造工艺、原材料、焊接技术的要求很高［1］。随着制造材料的更新，目前大部分加氢反应器都采用2.25Cr-1Mo-0.25V材料制造，此种材料焊接主要问题是易产生冷裂纹及再热裂纹，控制焊接质量是设备制造的关键技术，稍有不慎就会产生焊接缺陷［2］。文中以从制造原材料及焊接材料的控制、焊接工艺参数的研究、热处理工艺技术的运用等方面进行分析探讨，总结出产品制造焊接质量控制措施。

1 加氢反应器概述

加氢反应器的工作压力为10～30 MPa，工作温度为400～480℃，属于Ⅲ类压力容器，以往常采用2.25Cr1Mo钢制造，随着石油炼化装置大型化对加氢反应器工艺要求的提高，2.25Cr1Mo钢已不能完全满足使用要求，经常添加一定量的V元素来提高钢材的力学性能，即3Cr-1MoV和2.25Cr-1Mo-0.25V钢2种材料［3］。

实际生产中发现2.25Cr-1Mo-0.25V钢制造的反应器性能更优，且随着煤液化技术的发展对反应器使用温度要求提高到了482℃，使3Cr1MoV钢材已不能满足设计要求，目前大部分加氢反应器均采用2.25Cr-1Mo-0.25V钢制造。

由于添加了合金元素V和其它易产生强碳化物的合金元素，导致材料的强度提高、韧性下降，可焊接性能降低，容易产生焊接冷裂纹及热处理后的再热裂纹［4］，加大了制造工艺的难度，需要控制焊缝的热处理温度及保温时间来解决焊接接头回火脆性问题。

2 制造及焊接材料的控制

2.25Cr-1Mo-0.25V钢是美国ASME标准推荐的加氢反应器用钢，一般供货状态为正火+回火，回火温度一般不低于675℃，其常温下抗拉强度为585～760 MPa、屈服强度为415～620 MPa、延伸率≥18%，材料进场后参照ASME SA-182标准进行材质验收，并做好材质验收标志，2.25Cr-1Mo-0.25材质验收化学成分见表1。

表1 2.25Cr-1Mo-0.25V材质验收化学成分/%

选择焊接材料时其力学性能应与母材相匹配，为降低焊缝金属出现再热裂纹可能性，焊接材料的含碳量应比母材略低，控制在0.08%～0.12%之间为宜，焊材的回火脆化敏感系数X≤15×10-6。在此优先选用US-521H焊丝和PF-500焊剂，埋弧焊焊材金属化学成分见表2。

表2 埋弧焊焊材金属化学成分/%

由于焊接过程中坡口处母材金属受热熔化，与焊材金属一起构成了焊缝金属的化学成分，而焊缝金属化学成分直接影响其力学性能，为提高焊缝合格率并保证其力学性能满足要求，所选焊材的化学成分应与母材相近。从表1及表2母材及焊材验收数据可看出，US-521H焊丝和PF-500焊剂的化学成分与母材接近，且实测指标均在标准范围内，可用于2.25Cr-1Mo-0.25V母材的焊接。

3 焊接工艺评定的制定

由于加氢反应器的壁厚均在100 mm以上，为了减少焊材用量并缩短焊接时间，在保证焊接质量的前提下尽量采用窄坡口焊接。采用埋弧自动焊方法可使焊接坡口在20～30 mm范围内，有效降低焊缝金属填充量，且焊接应力及收缩变形量均比其它焊接方法较小。

焊接前应采用机械加工方法并按图纸要求加工坡口，并清除坡口2侧100 mm范围内的金属氧化物等杂质［5］，然后用磁粉或着色探伤方法检查坡口表面，焊接坡口型式见图1。

图1 焊接坡口形式

按图1坡口形式制备6组焊接试件，焊接速度控制在370～420 mm/min，3组试件用于3种不同层间温度的焊接操作，确定合理的层间温度后，3组试件用于相同层间温度不同焊接电流及电压的焊接操作。

焊接电流490～550 A、电压30～33 V为宜，焊接速度控制在330～380 mm/min，焊丝直径Φ4.0 mm，焊剂使用前进行300～350℃保温烘干处理2～4 h，采用多层焊接，每层焊缝金属厚度4.0～5.0 mm为宜，预热温度≥180℃，层间温度为170～230℃，焊后在300～350℃下恒温4 h消氢并冷却至常温。

4 焊后热处理工艺

4.1 回火脆性的要求

焊接完毕后应当进行热处理以便消除焊接残余应力［6］，在热处理过程中焊接接头将受热变形，当变形量超过金属本身在该温度下的塑性变形能力就会产生再热裂纹，尤其是热处理温度加热到600℃左右时易产生再热裂纹，一般起始于焊缝与母材的熔合线处，沿母材表面呈晶间开裂状向细晶区扩展。由于Cr、Mo、V等微量元素在焊接时极易生成碳化物，当焊后冷却速度过快时无法析出，导致焊缝及热影响区产生再热裂纹。

由于P、Sb、As等金属元素在熔化后的焊接金属重新结晶时，出现晶界偏聚现象导致Fe原子在晶界处凝聚力下降，此时受到外力冲击就容易沿晶界开裂，从而降低了焊接接头的回火脆性。

4.2 热处理工艺的制定

按照焊接工艺施焊完毕并消氢处理后，制备3组焊接试件并对其进行100%射线及表面磁粉探伤，然后分别在720℃、695℃、705℃下恒温8 h进行热处理试验，再对热处理后的试件进行力学性能试验［7］。从试验数据可以看出，在720℃下试件的抗拉强度为575 MPa，屈服强度为410 MPa，均不能满足强度要求，-30℃的焊缝冲击功为11 J，远低于标准值54 J；在695℃下试件的抗拉强度为810 MPa，屈服强度为695 MPa，高于标准要求的上限值；在705℃下的试件抗拉强度为656 MPa，454℃高温屈服强度为525 MPa，-30℃的焊缝冲击功为153 J，各项指标均满足要求，因此最终焊后热处理选择705℃×8 h。并对最终热处理后的合格试件进行100%射线探伤检查及100%磁粉探伤检查，未见裂纹缺陷存在。

5 焊接接头性能试验验证

5.1 冲击试验

分别从焊缝厚度的3个位置各取1个焊接试件，试件1取自焊缝厚度的1/4处，试件2取自焊缝厚度的1/2处，试件3取自焊缝厚度的3/4处。分别进行焊缝以及热影响区的冲击试验，试件的夏比缺口冲击试验数据见表3。

表3 试件夏比缺口冲击试验数据（试验温度-30℃）

5.2 拉伸试验

为验证焊接接头整体热处理后的韧性，分别从焊缝厚度的3个位置各取1个焊接试件，进行常温和设计温度（454℃）下的拉伸试验，取样的位置及试件编号与冲击试验试件相同。

2.25 Cr-1Mo-0.25V钢其常温下抗拉强度应为585～760 MPa、屈服强度为415～620 MPa、454℃下的高温屈服强度≥350 MPa，实验数据满足上述要求，说明焊缝的力学性能沿厚度方向分布均匀。

6 结束语

加氢反应器产品材料进厂时应验收分析其化学成分，焊接材料应选用与母材化学成分相近的材料，其力学性能与母材相匹配，才能保证焊缝力学性能达到标准要求。控制试验获得的焊接电流、电压、焊接速度及预热温等参数，可阻止焊接冷裂纹缺陷和再热裂纹的产生。