壁加氢反应器材料及焊接技术

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1、热壁加氢反应器材料及焊接技术近30年来，加氢技术发展迅速，加氢反应器由内部衬非金属隔热层的冷壁结构发展成为壳体内壁堆焊不锈钢层的热壁结构即热壁加氢反应器。热壁加氢反应器具 有有效体积利用率高、施工周期短、生产维护方便、器壁不易过热及安全可靠等特 点，因此为世界各国普遍应用。我国从20世纪80年代初开发热壁加氢反应器获得成功后，近20年来，由兰州石油化工机器总厂（简称兰石厂）、第一重机厂（简称一重）和上海锅炉厂（简称上锅厂）等单位制造了板焊式、锻焊式结构的热壁加氢反 应器近百台，满足了国内使用厂家的需求，这些设备已投入使用多年，运行情况良 好。加氢反应器在1025MPa高压、400480 C高温

2、、临氢及硫化氢等条件下工作， 为防止氢脆、氢腐蚀、硫化物腐蚀、Cr - Mo钢回火脆化以及难焊层的剥离等严重损伤，对该设备设计要求高、难度大，制造工艺复杂，对材料、焊接技术以及焊接质 量都有很高要求。1壳体材料应用及发展在热壁加氢反应器壳体内壁堆焊不锈钢防蚀层，形成双金属结构。其壳体材料 在临氢条件下工作，主要依据耐尔逊（Nelson）曲线来确定，自20世纪60年代以来,2. 25Cr- 1Mo钢被广泛应用于加氢设备上，是热壁加氢反应器主选材料。随着人们 对设备损伤认识上的深入以及冶炼技术的不断提高，该钢的纯洁性、均质性、抗氢 性和综合力学性能不断得到改善和提高，表1为不同时期对板焊式加氢反应

3、器钢板化学成分的要求。表1不同时期对板焊式加氢反应器钢板化学成分要求化学成分80年代90年代丨化学成分80年代90年代|CW0 15W0 15 |Ni W08|SiW025.0 10 |Cu W(20|Mn 0. 30.6 0.3 0.6 | As 016|S0010 0.010|Sn 015|P0012 0.012|Sb 013|Cr 2 02.5 2.0 2.5 * X10 6 25 20|Mo 0. 91.1 0.9 1.1 | J 200 150| 注：X= （Si + Mn） （ P+ Sn） X104; J= （10P+ Sb+ 4Sn+ As） X10 2。从表1可看出，为减小长

4、期在高温下工作的回火脆化倾向，对用于热壁加氢反应器2. 25Cr-1Mo的含Si量及含P量控制的很低，且对一些微量元素的影响也作了相 应的控制。为了评定材料抗回火脆化性能，世界各国均用步冷处理前后韧性的变化 来衡量。在20世纪80年代初，回火脆化指标为 VTr54 + 1 . 5 VTr54 38C, 90年代 初为 VTr54 + 2. 5 VTr5438C, 而目前设计要求更高，即 VTr54+2 . 5 VTr5410 C或 VTr54 + 3 VTr54 2笙,X与 J系数也提高到 X 15 X06, J 100（VTr54为步冷处理前相对于54J冲击功的转变温度， VTr54。为步冷

5、处理后转变温度的增量）。对材料的韧性指标要求也在提高，20世纪80年代要求-10 C的复比 冲击功为61J,而90年代要求-30 C的AKV为55J。随着加氢装置规模不断扩大，反应器尺寸也越来越大，同时设备的设计条件更加苛刻，若采用一般的 2. 25Cr- 1Mo来制造大型反应器，往往会造成器壁太厚，反 应器总质量过大，给制造、运输和安装都带来了很大困难，当然也会使综合投资增 加。从抗氢性能和抗蠕变性能考虑，2. 25 Cr 1Mo最高温度极限达到454C，满足不了某些油品深加工和煤油加氢液化的要求。因此近十几年来，国际上相继开发了 改进型的Cr Mo类抗氢新钢种2. 25Cr 1Mo-0 .

6、 25V、 3Cr 1Mo 0. 25V等，其成 分见表2,力学性能见表3。表2抗氢钢种化学成分 化学 2.25Cr-1Mo 3Cr-1Mo 化学 2.25Cr-1Mo 3Cr-1Mo成分-0.25V -0.25V 成分-0.25V -0.25VC 0 17 W 0.17 Mo 0.9 1.1 0.871.1Si 0 10 0 10 V 0.250.35 0.25 0.35Mn 0 . 30. 6 0. 30. 6 Ti 0.035 0.035P 0 015 0 010 B 0.003S 0 010 .0 010 X/ TO-6 15 15Ni .0 25 .0 40 J 100 310 51

7、689 18(530C)2. 25Cr 1Mo 0. 25V 415 58760 18 (54 18 C)3Cr 1Mo-0 . 25V 415 58760 18 (418 C)改进型Cr Mo钢具有较高的抗蠕变性能及抗回火脆化性能，其回火脆化指标要求提高到 VTr54 + 3 VTr540C。由于钢中含有非常稳定的矶碳化物，使H和C不易反应，所以有很好的抗氢腐蚀和氢脆能力。同时，V对设备停工过程中氢向堆焊交界面的扩散有阻隔作用，因此使堆焊层抗氢剥离的性能大为提高。2焊接材料发展2. 1壳体焊接材料随着加氢反应器设计条件不断，提高焊接材料也在不断发展。主要表现在：由于焊接技术的发展，严格控制了

8、焊接材料中的0、N、S、P的含量，使焊缝的韧性大幅度提高。现在焊缝-30 C的Akv实物水平，从20世纪80年代的70J达到现在的150J左右。影响回火脆性的微量元素控制的更低，X系数从20世纪80年代初的25X10 6已降低到现在15 X10 6。开发了高碱度的埋弧焊剂，保证了焊缝的纯净 性、高韧性和低氢抗裂性。焊缝金属对制造过程中热处理的适应性提高，并且其 抗回火脆性试验评定指标也由20世纪80年代初的VTr54 + 1. 5 VTr54 38C，提高到现在VTr54+2 . 5 VTr54 10C。目前国内应用比较多的 2. 25Cr 1Mo钢焊接材料见表4。表4 2 . 25Cr-1M

9、o钢焊接材料生产厂家 日本住友 日本神钢 法国沙福焊条 CM-2A CM-106N 2STC焊丝 W-CM201 US521S S225焊剂 B-2CM PF200 F537我国从20世纪80年代后期也开发出适用 2 . 25Cr 1Mo钢的焊接材料，例如焊条R407H、焊丝H13Cr2 . 5Mo1A、焊剂ST603，这些焊材虽能满足设计条件的要求，但 其工艺适应性及实物的韧性指标水平与国外的焊材还有一定差距。近年来，国外较系统研究了 V、Nb对Cr-Mo钢焊缝性能的影响，开发出了适于 2.25Cr- 1Mo 0. 25V和3Cr 1MO 0. 25V等钢种的焊材，如日本神钢开发的 US 5

10、31焊丝配PF500高碱度焊剂，焊缝的力学性能、抗回火脆性以及抗氢性能都达到了 与母材同等的水平。2. 2堆焊材料目前制造热壁加氢反应器应用的堆焊方法主要是电弧带板堆焊和电渣带极难焊， 考虑到母材稀释的因素，采用双层堆焊。 焊带为309L和347L，焊带规格为宽30100m m,厚0. 40. 5mm。目前常用双层堆焊焊带成分见表5。由于烧结焊剂的堆积密度比较小，其成分易于控制，焊接过程稳定，并且提供 选择的品牌也很多，所以目前埋弧堆焊或电渣堆焊、烧结焊剂得到了广泛应用。用 于管子堆焊的TiG焊用焊丝以及CO2保护焊的药芯焊丝，在国外均有比较成熟的品牌， 例如神钢的TGS309C、TGS347

11、及DW309L、DW347L等在国内应用都比较普遍。自动堆 焊使用的焊丝特别是药芯焊丝，在我国虽然有其相应的产品，但在表面质量以及堆 焊工艺性能等方面与国外比较，还存在一定的差距。表5常用双层堆焊焊带成分成分 C Mn Si P S Cr Ni Nb Mo Cu309L w 0.05 12.5 w 0.5 0.020 0.030组13.0 0.20 0.20347L w 0.05 12.0 w 0.5 w 0.020 w 10.5 8C 1 w W3焊接工艺方法3. 1兰壳体焊接效壁加氢反应器壁厚一般在 100300mm ,因此壳体纵环缝焊接工作量及难度都 很大，且埋弧焊焊接工艺过程稳定，焊接

12、质量易于保证，所以对纵环缝目前主要采 用埋弧自动焊。从1984年兰石厂首先引进第1台窄间隙埋弧焊设备以来，窄间隙埋弧焊工艺已在厚壁加氢装置上得到普遍应用。窄间隙焊接技术采用两道一层的多层 焊接法，焊缝两侧溶合良好，成分及力学性能均匀，焊缝质量好。与普通埋弧焊相 比，其填充金属量减少，节省焊材，生产效率提高1/31 / 2,同时能量消耗大为降低，经济效益十分明显。加氢反应器位于封头中心部位的物料进出口，借助变位机可实现埋弧自动焊焊 接，改善工人劳动强度，提高焊接质量。上锅厂对大直径接管与壳体的马鞍型焊缝 采用我国研制的马鞍型自动焊机，实现了埋弧自动焊接。以560t锻焊结构加氢反应器为例，共焊 2

13、5个接管，波日深210mm，保证了质量。3.2不锈钢层准焊(1) 20世纪70年代，国外在加氢反应器大面积堆焊方面采用了单层带极堆焊 方法，但用后发现堆焊易产生氢剥离行为，因此，国内反应器的制造多采用双层堆 焊工艺。(2) 带极堆焊方法有埋弧堆焊(SAW)和电渣堆焊(ESW)两种，常用的有第 一层埋弧带极堆焊，第二层电渣堆焊，也有二层用同一种工艺方法堆悍的。(3) 电渣带板堆焊时由于电流通过熔渣产生磁收缩效应，会使焊道中间增厚而两侧产生咬边。为了改善焊道成型，克服咬边，需加磁控装置。目前国内应用比 较多的是从SoudrnetaI公司购进的水冷焊头及磁控装置。(4) 20世纪80年代初，日本神钢

14、又开发了高速带极堆焊新工艺，堆焊速度在 14m/h以上，目的在于改善堆焊层的抗剥离性能。甘肃工业大学和兰石厂也开展了 这方面的研究，取得试验性结果。(5) 加氢反应器小直径接管内壁采用自动TiG堆焊或自动药芯焊丝气保焊堆焊也得到了广泛应用，且极大地提高了生产效率。自动 TiG堆焊可堆焊管子的最小内径为50mm，长度达2m。哈尔滨焊接研究所还研制了90弯管的自动TiG堆焊设备,满足了国内多家工厂的需要。此外兰石厂、上锅厂对较大直径的接管内壁还采用了 自动药芯焊丝气保堆焊，极大地提高了堆焊效率和质量。4结语目前开展的壳体埋弧焊高碱度焊剂及高纯净焊丝的研究开发，将使焊缝的韧性 和抗回火脆化的指标得到进一步提高。结合产品技术要求开发新的工艺方法，如纵 焊缝双丝埋弧焊、法兰密封面全位置自动 TiG堆焊等，以提高焊接生产率和焊接质量。同时应加快新型 Cr - Mo抗氢钢焊接工艺应用研究，包括新钢种、可焊性试验、 焊接接头抗回火脆性、抗氧腐蚀的研究以及焊接工艺技术的开发等，以适应石化工 业发展的需求。