15CrMoR不銹鋼復(fù)合板設(shè)備制造工藝的改進(jìn)

楊 毅 李雪秦

(廣西壯族自治區(qū)桂林化工機(jī)械廠)

廣西某化工廠兩臺(tái)在役的低壓廢熱鍋爐由國內(nèi)某工程公司設(shè)計(jì)、制造，主體材料為15CrMoR+00Cr19Ni10(18+3)，管箱設(shè)備法蘭、進(jìn)出口法蘭和接管均采用15CrMoⅣ堆焊00Cr19Ni10(過渡層堆焊A402、面層堆焊A002)，設(shè)計(jì)壓力為4MPa,設(shè)計(jì)溫度為280℃，介質(zhì)為變換氣。

設(shè)備運(yùn)行一年后大修，發(fā)現(xiàn)管箱內(nèi)不銹鋼側(cè)焊縫附近、法蘭和接管的堆焊層均產(chǎn)生大量裂紋，經(jīng)打磨發(fā)現(xiàn)部分裂紋無法消除，且已經(jīng)裂至基層面，如繼續(xù)使用將帶來安全隱患。

1 原焊接和熱處理工藝流程存在的缺陷

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察，發(fā)現(xiàn)管箱不銹鋼側(cè)焊縫附近、法蘭和接管的堆焊層產(chǎn)生大量裂紋，而復(fù)合板面沒有裂紋，也沒有任何損傷和缺陷。查閱設(shè)計(jì)文件和設(shè)備出廠資料，其焊接、檢測(cè)和熱處理工藝流程為：縱縫基層焊接→RT、MT檢測(cè)→過渡層堆焊→PT檢測(cè)→面層堆焊→PT檢測(cè)→環(huán)縫基層焊接→RT、MT檢測(cè)→過渡層堆焊→PT檢測(cè)→面層堆焊→PT檢測(cè)→接管與筒體基層焊接→接管、法蘭過渡層堆焊→PT檢測(cè)→面層堆焊→PT檢測(cè)→整體熱處理(650±20℃×1.5h)、冷卻(速度200℃/h)→法蘭密封面機(jī)加工。

由于焊接(特別是在堆焊和熱處理過程)過程中，溫度在450～850℃范圍內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng)，致使碳化鉻在晶間沉淀，造成晶界附近貧鉻，使焊縫和焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生晶間腐蝕。而僅經(jīng)一次整體熱處理和快速冷卻，基層的焊接和過渡層堆焊產(chǎn)生的焊接應(yīng)力并沒有得到有效消除。文獻(xiàn)[1]表明：在H2S存在情況下，經(jīng)過焊接或者在430～815℃范圍內(nèi)敏化過的奧氏體不銹鋼最易引起連多硫酸晶間腐蝕，接著引起連多硫酸應(yīng)力腐蝕破壞。因此，初步判定管箱焊縫、焊縫附近和堆焊層產(chǎn)生的裂紋是奧氏體不銹鋼被敏化，進(jìn)而造成晶間腐蝕，最終導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕破壞。而上述工藝過程無法消除晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕傾向。

2 新焊接和熱處理工藝流程及焊接工藝評(píng)定結(jié)果

根據(jù)用戶提供的信息：近年生產(chǎn)原料所用的煤品質(zhì)比委托工程公司的設(shè)計(jì)要求差，管程變換氣中的S、H2S含量較高，導(dǎo)致不銹鋼晶間腐蝕傾向、應(yīng)力腐蝕傾向更大，雙方商量決定將不銹鋼主體材料改為15CrMoR+022Cr17Ni12Mo2(18+3)，法蘭、接管采用15CrMo1V堆焊022Cr17Ni12Mo2(過渡層堆焊A402、面層堆焊A022)。

筆者編制焊接、檢測(cè)、熱處理工藝流程為：縱縫基層焊接→RT、MT檢測(cè)→消除應(yīng)力熱處理→堆焊過渡層→PT檢測(cè)→中間熱處理→堆焊面層→PT檢測(cè)→接管、法蘭堆焊過渡層→PT檢測(cè)→中間熱處理→堆焊面層→PT檢測(cè)→接管與法蘭、筒體焊接→MT檢測(cè)→消除應(yīng)力熱處理→堆焊過渡層→PT檢測(cè)→中間熱處理→堆焊面層→PT檢測(cè)→環(huán)縫基層焊接→RT、MT檢測(cè)→消除應(yīng)力熱處理→堆焊過渡層→PT檢測(cè)→中間熱處理→堆焊面層→PT檢測(cè)→整體熱處理(590±15℃×1.0h)，冷卻(速度260℃/h)→機(jī)加工法蘭密封面。

為了避免奧氏體不銹鋼再次中溫加熱致使敏化區(qū)腐蝕，上述工藝過程中堆焊、過渡層和覆層的焊接工序也采取了相應(yīng)措施：接管、法蘭堆焊是置工件于流動(dòng)水槽中，硬泡深度為焊件厚度的2/3，且要求前一焊道與后一焊道之間距離為100mm，目的在于更好地控制堆焊層間溫度；復(fù)合板過渡層、覆層焊接時(shí)采用直徑φ3.2mm的焊條、焊接電流140～150A、電弧電壓22～24V、焊接速度13～15cm/min和線能量16.61kJ/ cm。焊接過程中檢驗(yàn)人員使用紅外線測(cè)溫儀對(duì)焊接熱量進(jìn)行監(jiān)控，要求焊縫兩邊50mm處溫度不得高于300℃。

以上工藝流程中基層15CrMoR與15CrMo1V之間焊后即進(jìn)行650℃×1.5h的熱處理，使焊縫和熱影響區(qū)硬度下降到規(guī)定值以下，焊接應(yīng)力被完全消除。所有過渡層堆焊后也經(jīng)過中間熱處理，使得基層堆焊過渡層產(chǎn)生的應(yīng)力得以釋放。為保證復(fù)合層的耐腐蝕性，復(fù)合板焊后熱處理溫度應(yīng)低于純基層材料的熱處理溫度，面層不銹鋼進(jìn)行590℃×1.0h的熱處理[2]，且以較快的速度進(jìn)行冷卻，減少不銹鋼材料在450～850℃范圍內(nèi)停留時(shí)間過長(zhǎng)而被敏化和可能發(fā)生的σ相析出可能性。對(duì)以上工藝流程中的焊接工藝按文獻(xiàn)[2]進(jìn)行評(píng)定，晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果合格。

3 其他過程的控制

為確保管箱的制造質(zhì)量，在管箱制造過程中除嚴(yán)格執(zhí)行以上焊接、檢測(cè)和熱處理工藝流程外，對(duì)其他各環(huán)節(jié)也需加強(qiáng)控制：嚴(yán)把材料關(guān)，對(duì)所用的復(fù)合板逐張檢查鋼板表面質(zhì)量和材料標(biāo)記，進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能、冷彎性能和超聲檢測(cè)復(fù)驗(yàn)；為了避免鐵離子污染不銹鋼，管箱制造在專用場(chǎng)地(不銹鋼車間)完成，從材料的吊裝、下料切割、卷板、組焊到試壓、酸洗鈍化，整個(gè)過程必須按照本廠作業(yè)指導(dǎo)書《不銹鋼容器制造管理規(guī)定》進(jìn)行；按以上工藝流程做焊接試板，對(duì)復(fù)合不銹鋼、焊接接頭及其熱影響區(qū)按文獻(xiàn)[2]做彎曲試驗(yàn)，試樣表面沒有晶間腐蝕裂紋后方能施焊；清除管箱內(nèi)壁焊縫上的熔渣和兩側(cè)的飛濺物，打磨焊縫棱角，使焊縫與母材圓滑過渡，減少應(yīng)力集中；整體熱處理后，再次沿200mm間距格子線按文獻(xiàn)[3]進(jìn)行超聲檢測(cè)，檢查復(fù)合板的貼合率，不銹鋼表面按文獻(xiàn)[4]進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，1級(jí)為合格。

4 設(shè)備使用情況

兩臺(tái)低壓廢熱鍋爐管箱2009年2月份制造完畢，3月中旬交付使用，至今運(yùn)行三年多，中間經(jīng)過兩次檢修，經(jīng)檢查，焊縫、焊縫附近和堆焊層均沒有裂紋，使用正常，用戶滿意。

5 結(jié)束語

15CrMoR 不銹鋼復(fù)合板按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定制備，基層15CrMoR焊后必須進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理，而復(fù)層奧氏體不銹鋼接觸晶間腐蝕環(huán)境，有晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕傾向，又必須避免中溫加熱和緩冷，防止敏化區(qū)腐蝕，只采取一次整體熱處理難以完全消除焊接應(yīng)力和奧氏體不銹鋼敏化。采取焊接、分層中間熱處理和無損檢測(cè)的工藝流程制造設(shè)備，保證了設(shè)備制造質(zhì)量。

[1] 任凌波，任曉蕾.壓力容器腐蝕與控制[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：249.

[2] HG 20584-1998，鋼制化工容器制造技術(shù)要求[S].北京：國家石油和化學(xué)工業(yè)局，1998.

[3] GB/T 4334.5-2000，不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法[S].北京：國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2000.

[4] JB4730.3-2005，承壓設(shè)備無損檢測(cè)：超聲檢測(cè)[S].北京：國家發(fā)展和改革委員會(huì)，2005.