CN108356397B - 一种基于残余应力调控的大型容器耐蚀层宽带极堆焊方法 - Google Patents

一种基于残余应力调控的大型容器耐蚀层宽带极堆焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于残余应力调控的大型容器耐蚀层宽带极堆焊方法，该方法是在一般方法的基础上，加入对残余应力调控的考虑，为降低残余应力对反应器内表面、过渡层以及耐腐蚀层的影响，再与实际条件结合，选择了100mm宽度的带极，150℃的预热温度以及670℃*6h的焊后热处理条件；在较大带极宽度的情况下，加入磁控装置，并给出合适的磁控装置临界电流，从而抵消了了磁收缩效应，促进了熔融态与固态金属混合物的均匀流动，改善了咬边现象，进一步减少了残余应力产生的影响。与传统方法相比，该方法显著降低了焊后残余应力，从而提高了焊接质量和腐蚀层的强度，不但保留了较高的堆焊效率，而且提高了反应器的安全性与耐用性。

Description

一种基于残余应力调控的大型容器耐蚀层宽带极堆焊方法
技术领域
本发明属于钢铁材料焊接技术领域，特别是涉及一种基于残余应力调控对12Cr2Mo1R(H)这种大型容器用钢内壁堆焊异种材料腐蚀层的焊接方法。
背景技术
大型上流式加氢反应器多用于各种石油炼化的反应过程，容器中介质的腐蚀性强，因此，容器的内壁需要堆焊耐腐蚀层。如果耐腐蚀层发生脱落或者开裂，反应器的寿命将会大大降低，因此发生的停产以及泄露等一系列后果，不仅危害工人的安全，而且会造成严重的经济损失，严重影响了企业的效益。
工程中多采用带极电流堆焊的方法进行耐腐蚀层的焊接。带极电流堆焊利用导电熔渣的电阻热将母材与焊带融化，从而在母材表面进行堆焊。与传统方法相比，带极堆焊具有更高的熔敷率，更低的焊剂消耗，更优良的焊层质量以及更高的堆焊速度。
然而，现有的带极电流堆焊方法对焊接产生的残余应力考虑较少。由于高度集中的瞬时热输入，在焊接后将产生相当大的焊接残余应力。焊接残余应力和焊接变形会严重影响制造过程本身和焊接结构的使用性能，焊接残余应力可能引起结构的脆性断裂，拉伸残余应力会降低疲劳强度和腐蚀抗力，压缩残余应力会减小稳定性极限。可以看出，焊接残余应力是焊件变形和开裂等工艺缺陷的主要原因。
因此，应采取适当的措施来减小焊接残余应力产生的的不利影响。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出一种基于残余应力调控的大型容器耐蚀层宽带极堆焊方法，该方法在传统带极电流堆焊工艺的基础上，加入了对残余应力调控的考虑，在保证焊接效率的情况下有效的降低了残余应力的影响，提高了设备的安全性。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种基于残余应力调控的大型容器耐蚀层宽带极堆焊方法，包括以下步骤：
(1)反应器内壁表面预处理
去除反应器内壁表面的油锈，并进行打磨处理；
(2)焊前预热
在反应器外壁与地面之间安装火焰加热炬，并将加热速度控制在50℃/h，待温度提升至150℃后进行保温；
(3)带极宽度选择
选择100mm的带极宽度；
(4)堆焊过渡层
过渡层的焊接工艺为：焊接电流的类型采用直流反接，焊接电流1650-1850A，电弧电压28-30V，带极尺寸为0.5×100mm；焊接速度控制在230-240mm/min，以将堆焊层厚度控制在3.2-3.8mm，搭接量控制在5-10mm，层间温度控制在120-250℃，焊接过程中，焊带递送速度为300-320mm/min；
同时施加磁场进行调控，具体是：在熔融金属的两侧施加磁场，以抵消磁收缩效应产生的熔融金属聚集现象，从而改善了咬边的现象；
(5)堆焊耐腐蚀层
待过渡层温度降至200℃时，在过渡层表面进行耐腐蚀层的堆焊；耐腐蚀层的堆焊工艺为：电流类型采用直流反接，焊接电流1700-1850A，电弧电压26-28V；焊接速度控制在210-220mm/min，以将耐腐蚀层厚度控制在3-3.4mm，搭接量控制在5-10mm，层间温度控制在90-110℃；
同时施加磁场进行调控，具体操作方式及工艺参数与步骤(4)中所述相同；
(6)焊后热处理
待耐腐蚀层堆焊完成之后，等待该段反应器筒体冷却至室温，随后将反应器运至大型台车式加热炉中进行整体热处理；
热处理工艺如下：在400℃以下时，升温速度为200℃/h，温度在400℃以上时将升温速度控制在50℃/h，待温度升高至670℃后将焊件保温6小时，保温结束后将降温速度保持在50℃/h，直到温度降低至400℃，然后空冷至室温。
优选的，步骤(2)中：火焰加热炬分多段对反应器进行预热，在当前分段的反应器内壁腐蚀层堆焊将要完成之前，先将火焰加热炬沿轴向移动到下一段待焊区域，待下一段预热初步完成后再进行相应的焊接操作。
优选的，步骤(4)中，磁场调控的具体措施是：在焊机的机头处安装磁控装置，整个焊接过程中，磁控装置随焊机机头一起移动，以实现在熔融金属的两侧施加磁场；对于选择的100×0.5mm的电极尺寸，经过试验验证，磁控装置的临界电流需控制在3.4A-4.2A，在此电流下能够保证100mm宽带极堆焊层的平整性。
本发明的有益技术效果是：
本发明在传统的带极电流堆焊工艺的基础上，提出了一种新型的基于残余应力调控的大型加氢反应器内壁耐腐蚀层宽带极堆焊方法，该方法在保留了原方法焊接效率高的优点的基础上，针对耐腐蚀层的安全性问题，加入了对焊接残余应力的考虑，提出了合理的焊接工艺，从而有效的降低了残余应力，提高了耐腐蚀层的寿命以及强度，增强了大型加氢反应器的安全性。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明进行详细说明：
图1示出堆焊层剖面图；
图2示出焊接时的磁场作用图；
图3示出磁场调控前存在咬边现象；
图4示出磁场调控后堆焊层平整；
图5示出反应器预热的侧视原理图；
图6示出反应器的三维示意图，内部为堆焊层，每一道宽度为100mm；
图7示出焊后热处理温度曲线。
具体实施方式
本发明公开了一种基于残余应力调控的大型容器耐蚀层宽带极堆焊方法，反应器材料为12Cr2Mo1R(H)，过渡层焊接材料采用10SW焊剂与22.11.L焊带；耐腐蚀层焊接材料采用37S焊剂与19.9LNb焊带。为降低残余应力对反应器内表面、过渡层以及耐腐蚀层的影响，再与实际条件结合，选择了100mm宽度的带极，150℃的预热温度以及670℃*6h的焊后热处理条件。在较大带极宽度的情况下，加入磁控装置，并给出了合适的磁控装置临界电流，从而改善了磁收缩效应，促进了熔融态与固态金属混合物的均匀流动，改善了咬边现象，进一步减少了残余应力产生的影响。与传统方法相比，该方法显著降低了焊后残余应力，从而提高了焊接质量和腐蚀层的强度，不但保留了一般方法较高的堆焊效率，而且提高了反应器的安全性与耐用性。
本发明的设计思路主要是在一般方法的基础上，加入了对残余应力调控的考虑，通过一系列工艺步骤及条件选取，在原有方法保证焊接效率的情况下有效的降低了残余应力的影响，提高了设备的安全性。
下面结合附图对本发明方法步骤进行详细说明。
一种基于残余应力调控的大型容器耐蚀层宽带极堆焊方法，包括以下步骤：
(1)反应器内壁表面预处理
去除反应器内壁表面的油锈，并进行打磨处理。
(2)焊前预热
为了改善焊接变形，降低残余应力，在焊接前进行预热，预热的具体实施步骤为：在反应器外壁与地面之间安装直排火焰加热炬，并将加热速度控制在50℃/h，待温度提升至150℃后进行保温并开始焊接，待焊接结束之后停止保温。由于大型反应器尺寸过于庞大，现有火焰加热炬只能分多段进行预热，因此，在当前分段的大型反应器内壁腐蚀层堆焊将要完成之前，先将火焰加热炬沿轴向移动到下一段待焊区域，待下一段预热初步完成后再进行相应的焊接操作。
(3)带极宽度选择
为了进一步提高焊接的质量与效率，需要选择适当的带极宽度。经实验和数值计算等方法进行评估后，针对带极宽度的选择，得出如下结论：随着带极宽度的逐渐增加，所需的焊道数量逐渐减少，因此堆焊层受残余拉应力作用的区域的面积明显减少。然而，一味提高带极宽度，需要进一步增加磁控装置的电流强度，但是在现有的技术条件下，无法在更高的电流强度下保持磁场稳定。因此最终决定选择100mm的带极宽度。相对于传统堆焊方法的带极宽度，该带极宽度可使残余应力的拉应力影响区面积比原有方法减少30％以上，有效降低了焊接残余应力的影响，提高了设备的安全性。
(4)堆焊过渡层
由于耐腐蚀层材料与反应器内壁材料之间的焊接性能不好，需要先堆焊一层过渡层。过渡层的焊接工艺为：焊接电流的类型采用直流反接(DCEP)，焊接电流1650-1850A，电弧电压28-30V，带极尺寸为0.5*100mm。通过将焊接速度控制在230-240mm/min，可将堆焊层厚度控制在3.2-3.8mm。搭接量控制在5-10mm，层间温度控制在120-250℃。焊接过程中，焊带递送速度为300-320mm/min。
由于带极尺寸较宽，焊接过程中熔融金属产生磁收缩现象。因此需要施加磁场进行调控，具体实施措施为：在焊机的机头处安装磁控装置，整个焊接过程中，磁控装置随焊机机头一起移动，在熔融金属的两侧施加磁场，以抵消磁收缩效应产生的熔融金属聚集的现象。磁场的施加位置与方向如图2所示。在焊接过程中，焊件为熔融金属与熔渣的混合体，由于带极宽度较大，通电将产生磁场，在该磁场作用下，熔渣带动熔融态金属向带极中心流动，导致熔融金属聚集在中心位置，而边缘处缺乏熔融态金属，导致热输入不足以熔透焊材，因此产生咬边现象，如图3所示。而通过外加磁场，可以以相同的原理控制熔融金属向带极两侧流动，熔融态金属的分布更加均匀，在保证堆焊层平整的同时，促进了晶粒大小的均匀化，增加了耐腐蚀层材料的强度，改善了焊层边缘的咬边现象，降低了残余应力的影响，如图4所示。对于选择的100*0.5mm的电极尺寸，经过试验验证，磁控装置的临界电流需控制在3.4A-4.2A，在此电流下可以保证100mm宽带极堆焊层的平整性。图3与图4表示了进行磁场调控前后的效果对比。
(5)堆焊耐腐蚀层
待过渡层温度降至200℃时，在过渡层表面进行对耐腐蚀层的堆焊。耐腐蚀层的堆焊工艺为：电流类型采用直流反接(DCEP)，焊接电流1700-1850A，电弧电压26-28V。通过将焊接速度控制在210-220mm/min，可将耐腐蚀层厚度控制在3-3.4mm。搭接量控制在5-10mm，层间温度为90-110℃。耐腐蚀层堆焊过程中仍需施加磁场，具体操作方式及工艺参数与步骤(4)中所述相同。
(6)焊后热处理
待耐腐蚀层堆焊完成之后，对大型加氢反应器进行焊后热处理。焊后热处理的具体实施步骤为：焊接完成后，等待该段大型反应器筒体冷却至室温，同时，将火焰加热炬撤回，并将焊机等相关装置移出加氢反应器筒体内部。待该段反应器筒体冷却至室温后，将筒体运至大型台车式加热炉中进行整体热处理。最佳的热处理工艺通过实验以及模拟的方法确定，具体的热处理温度曲线如图7所示，在400℃以下时，升温速度为200℃/h，温度在400℃以上时将升温速度控制在50℃/h，待温度升高至670℃后将焊件保温6小时，保温结束后将降温速度保持在50℃/h，直到温度降低至400℃，然后空冷至室温。反应器总长为12376mm，整个大型加氢反应器采用分段制造，筒体部分分为四段，每段长度为2500mm，对每段进行热处理操作，需重复热处理过程四次。
过渡层与耐腐蚀层的焊接工艺如下表1。
表1
Figure GDA0002312063580000051
经过试验与模拟等方式进行验证得出，采用该方法后，最大形变量由4.1mm降低至3.2mm，降低程度达到21.9％；堆焊层峰值残余应力由传统方法的207.3MPa降低至166.3MPa，降低程度达到19.8％。通过降低残余应力，堆焊层的应力腐蚀开裂现象得到了缓解，整个反应器的安全性相比传统方法得到了提高。

Claims (2)

1.一种基于残余应力调控的大型容器耐蚀层宽带极堆焊方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)反应器内壁表面预处理
去除反应器内壁表面的油锈，并进行打磨处理；
(2)焊前预热
在反应器外壁与地面之间安装火焰加热炬，并将加热速度控制在50℃/h，待温度提升至150℃后进行保温；
(3)带极宽度选择
选择100mm的带极宽度；
(4)堆焊过渡层
过渡层的焊接工艺为：焊接电流的类型采用直流反接，焊接电流1650-1850A，电弧电压28-30V，带极尺寸厚×宽为0.5×100mm；焊接速度控制在230-240mm/min，以将堆焊层厚度控制在3.2-3.8mm，搭接量控制在5-10mm，层间温度控制在120-250℃，焊接过程中，焊带递送速度为300-320mm/min；
同时施加磁场进行调控，具体是：在熔融金属的两侧施加磁场，磁控装置的临界电流控制在3.4A-4.2A，以抵消磁收缩效应产生的熔融金属聚集现象,从而改善了咬边的现象；
(5)堆焊耐腐蚀层
待过渡层温度降至200℃时，在过渡层表面进行耐腐蚀层的堆焊；耐腐蚀层的堆焊工艺为：电流类型采用直流反接，焊接电流1700-1850A，电弧电压26-28V；焊接速度控制在210-220mm/min，以将耐腐蚀层厚度控制在3-3.4mm，搭接量控制在5-10mm，层间温度控制在90-110℃；
同时施加磁场进行调控，具体操作方式及工艺参数与步骤(4)中相同；
(6)焊后热处理
待耐腐蚀层堆焊完成之后，等待反应器整体冷却至室温，随后将反应器运至大型台车式加热炉中进行整体热处理；
热处理工艺如下：在400℃以下时，升温速度为200℃/h，温度在400℃以上时将升温速度控制在50℃/h，待温度升高至670℃后将焊件保温6小时，保温结束后将降温速度保持在50℃/h，直到温度降低至400℃，然后空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种基于残余应力调控的大型容器耐蚀层宽带极堆焊方法，其特征在于，步骤(2)中：火焰加热炬分多段对反应器进行预热，在当前分段的反应器内壁腐蚀层堆焊将要完成之前，先将火焰加热炬沿轴向移动到下一段待焊区域，待下一段预热初步完成后再进行相应的焊接操作。
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