国产2.25Cr1Mo0.3V钢板加氢反应器的试制

国产2.25Cr1Mo0.3V钢板加氢反应器的试制
王雪;胡天江
【摘要】2.25CrlMo0. 3V steel,excellent material of hydro - reactor,has higher intensity,higher ability of anti - hydrogen - erosion, anti - hydrogen - brittleness, anti - hydrogen - desquamation, and less tendency of temper brittleness. Along with the improvement on the quality of indigenous steel, many factories in our country which used to import the raw materials try to use indigenous steel to make hydro - reactor. Based on the successful fabrication of the hydro - reactor which was made by indigenous steel, and the key technical data of welding and heat treatment were introduced. It provided reliable reference for the future.%2.25Cr1Mo0.3V钢具有强度高、抗氢侵蚀、抗氢脆和抗氢致剥离等特点,多用于制造加氢反应器.以往国内采用进口加钒钢板,随着国产钢板质量的提高,不少制造厂尝试使用国产板制造加氢反应器.通过国产加钒钢板板焊式加氢反应器的试制,介绍焊接和热处理的关键技术参数,为今后这类钢板的制造提供借鉴.
【期刊名称】《压力容器》
【年(卷),期】2012(029)011
【总页数】5页(P73-77)
【关键词】国产2.25Cr1Mo0.3V钢板;加氢反应器;焊接与热处理
【作者】王雪;胡天江
【作者单位】甘肃省锅炉压力容器检验研究中心,甘肃兰州730020;兰州兰石重型
装备股份有限公司,甘肃兰州730050
【正文语种】中文
【中图分类】TH142.2;TQ052.6;TQ050.6
0 引言
加氢反应器是石油炼制、煤化工等工业装置中的核心设备，具有容积大、壁厚大、结构复杂、制造要求高的特点［1－2］。

该设备在高温高压的临氢工况下运行，
要求容器的材料必须具有较高的抗氢脆、抗氢剥离及抗氢腐蚀性能;同时还具有较
高的强度，特别是高温强度、低温韧性以及抗回火脆化等综合指标［3］。

为保证设备长期安全运转，所选择的材料必须满足上述要求。

1 加氢反应器所用材料简介
多年来，2.25Cr1Mo一直是加氢反应器的设计经典传统用材［3］。

但是随着加
氢反应器规格的增大，设计条件更加苛刻，一般的2.25Cr1Mo钢难以满足要求［4－5］。

20世纪80年代国外着手开发加钒的改进型Cr－Mo钢［6］，由于
钒的加入，通过细晶强化和沉淀强化作用［7－8］，其抗回火脆化性能、抗氢腐
蚀性能、抗拉强度、蠕变极限和抗不锈钢堆焊层氢致剥离能力都有不同程度的提高［6］。

据悉，钢材中每加入0.1%的钒，钢材的强度可能增加10% ～20%，结构重量减轻15%～25%。

但因钢中添加钒后会产生碳化钒析出，在焊接和热处理时
影响氢陷阱、氢扩散与应力松弛，使得加钒钢容器制造过程中硬度升高、韧性降低、裂纹敏感性增加［9］。

相比之下进口钢材的质量较好，不过近年国内一些钢厂参照ASME规范相继生产出该锻件和钢板，缓解了我国对加钒钢需求的紧张状况，
缩短了产品制造周期［10］。

当然，国内外冶金及热处理技术存在差异，这使得
适用于国外的经验数据并不完全适应国产加钒钢板的制造。

文中介绍应用国产加钒钢板制造板焊式加氢精制反应器过程中，处理焊接和热处理技术难题的一些措施，为今后生产类似设备提供依据。

2 国产加钒钢与进口加钒钢理化试验对比
国产加钒钢和进口加钒钢除分别满足GB 713—2008和 ASME/ASTM SA387 Grade 22 Class 2的要求外，还应满足设备制造的更严格的技术条件。

为寻求国
产板和进口板制造技术的差异，首先应对其化学成分、力学性能、金相组织进行对比分析，针对国产板的性能，探索其合适的并满足设计要求的焊接和热处理工艺。

试验用2.25Cr1Mo0.3V钢板化学成分见表1，其中进口板是由法国阿塞洛钢铁公司生产，牌号为SA542TYPE D CL.4A，厚度 140 mm;国产板是由河北钢铁集团
舞阳钢铁有限责任公司生产，厚度112 mm。

表1 国产和进口的加钒钢板化学成分 %?
由表1可知，两种板材的化学成分均满足技术条件的要求，杂质含量控制得比较
严格，且裂纹敏感系数相差不大，Mo和V的含量两者相近，只是国产板材的Cr
含量稍高。

师瑞霞等［11］运用余氏理论，计算了不同温度下αFe－Me，Fe－C
和Fe－C－Me单元的价电子结构，并分析发现，合金元素与C的结合力比Fe与
C的结合力强，Mo对Fe的自扩散抑制作用显著，V能加剧自扩散，Cr的作用不明显。

因此国产板材与进口板材在Fe和C的扩散方面性能差别不大。

力学性能、硬度及金相组织对比见表2，3，可看出国产板材的强度较高。

金相照
片对比见图1，国产钢板表面与芯部可能因冷却速率的差异，在钢板中心有较大区域的组织存在铁素体。

因此，国产钢板气割后坡口淬硬倾向大，可焊性较进口板差，容易导致横向氢致裂纹，坡口须机加工。

3 国产加钒钢板加氢反应器的制造要点
3.1 设备的主要技术参数
该产品是某公司焦油加氢项目10万t/a煤焦油加氢装置中的重要设备，选用
2.25Cr－1Mo－0.3V钢板制造，容器类别:Ⅲ;设计压力:18.0 MPa;设计温度:450℃;操作介质:煤焦油、氢气;水压试验压力:26.26 MPa(卧置);设备规格:设备内径×(壳体厚度+堆焊层厚度)×设备总长为Ø1773 mm ×(110+6.5)mm ×22276 mm;设备
总重:119.186 t。

表2 国产加钒钢板和进口加钒钢板力学性能对比?
表3 国产加钒钢板和进口加钒钢板硬度及金相组织对比?
图1 进口钢板和国产钢板T/4处金相照片对比
3.2 主体材料
设备主壳体是某公司提供的2.25Cr1Mo0.3V钢板，筒体厚度112 mm，封头厚
度89 mm。

设备所用2.25Cr1Mo0.25V锻件由另一公司提供的。

设备主体焊缝
采用日本神钢生产的CMA106HD焊条、US521H焊丝及PF500焊剂。

3.3 筒节及封头的成形
使用的加钒钢板强度高、壁厚，且筒节直径相对较小，曲率大，因此卷制筒体较为困难，但近几年国内对生产设备进行了大规模的改进和升级，筒节采用温卷温校技术，已经能够达到技术要求［12］。

具体参数为:加热温度℃，保温4 h，空冷。

筒体中间消应力退火处理参数见表4。

该反应器封头为球形封头，整板下料，无拼缝，由某公司外协制造。

到厂后对封头进行正火加回火热处理，正火加热温度为℃，保温140 min，出炉后入水槽冷却;
回火加热温度℃，保温180 min，出炉后空冷。

表4 筒体中间消应力热处理规范?
3.4 焊接工艺
(1)裂纹成因分析
钒能与碳元素生成稳定的碳化物，在回火过程中析出碳化钒，产生显著的强化作用，
提高了高温蠕变断裂强度［13］。

但冷却时，当温度降到Ms(马氏体转变点)焊缝金属和焊接热影响区附近冷裂敏感性增加，易形成穿晶扩展的冷裂纹，通常为延迟裂纹，有时甚至焊后数天或者更长时间发生。

同时，该钢还有再热裂纹倾向［9，14］。

焊缝及其热影响区产生裂纹的倾向与此区域金属的硬度、金相组织、扩散
氢的含量和应力状态有关，还与焊接过程中焊接条件及预热温度有关。

(2)实际焊接参数
文献表明，2.25Cr1Mo0.25V 钢焊接预热温度不得低于150℃［15］，另外，国
产板其预热温度比进口板材应有所提高，190℃是预热最低要求，如果再考虑实际生产中的拘束应力等情况，预热温度最好达到200～250℃。

本产品主要采用焊条电弧焊和埋弧自动焊，采用多层多道焊，层间温度≤250℃，焊后立即进行(300～350)℃ ×4 h消氢处理，对防止冷裂纹有效。

经无损检测，大部分焊缝内在质量稳定、合格，少量焊缝经100%UT复探发现有多处横向裂纹，缺陷位置在焊缝熔合
线附近，裂纹距内表面深度为10～15 mm。

由于缺陷离内表面较近，特采用碳弧气刨+砂轮打磨将整条焊缝从内表面去除焊缝缺陷和原焊缝的热影响区，选用原焊缝所使用的神钢焊材进行修复焊，其工艺见表5。

表5 焊条电弧焊和埋弧自动焊焊接规范参数?
3.5 焊后热处理工艺
(1)再热裂纹成因分析
因为V的加入，再热开裂的临界应力σcr显著下降，再热裂纹倾向显著增大。

对
于厚壁设备，若热处理前焊缝中原来就存在微裂纹，热处理过程中，原有的冷裂纹尖端由于应力松弛作用，高应力区将发生塑性变形，当晶界局部塑性变形能力不能满足实际变形量要求时，将形成再热裂纹［14］。

但同时该钢中含有一定量的Ca，且弱化晶间的杂质元素极低，若焊接及热处理规范适当，产生再热裂纹的敏感性降低［16］。

(2)实际热处理参数
加氢精制反应器整体进炉进行最终焊后热处理，能够降低焊接热影响区硬度峰值，调整焊接接头性能，指定的参数为退火加热温度℃，保温8 h，装炉温度≤400℃，升降温速度≤50℃/h。

4 水压试验
对设备进行卧置水压试验，试验压力26.26 MPa，试压用水氯离子含量为10 ppm，水压试验一次合格。

5 结语
通过对国产和进口2.25Cr1Mo0.3V钢的对比试验表明:经过多年冶炼技术的改进，我国生产的加钒钢板在化学成分、力学性能、组织结构及硬度方面已经与进口钢板相近，但其淬硬倾向和可焊性仍有差异。

这就需要使用单位在运用国产加钒钢板制造压力容器的过程中加以探索。

介绍了国产加钒钢板制造的加氢反应器焊接及热处理方面的具体参数，经设备出厂一年多使用的考核表明:设备制造是成功的。

这类设备的事例也引起行业的关注，
它为加氢反应器选材的国产化以及设备制造工艺的规范化提供借鉴。

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