甲醇合成塔大型管板堆焊技术

甲醇合成塔大型管板带极堆焊技术
摘要:通过对大直径20MnMo锻件管板带极堆焊309LMo的焊接及生产应用的研究,合理选择过渡层焊接材料及堆焊各层的工艺规范参数，减小堆焊层合金元素稀释率，控制铁素体含量，保证了堆焊质量，解决了管板堆焊变形的问题，成功用于产品制造。

关键词:管板；带极堆焊;20MnMo锻件;防变形
引言
化工装置的大型化，对容器的制造提出了更高要求，大型甲醇合成反应器的直径达到φ4000mm，为兼顾经济性和满足使用要求,越来越多地采用低合金管板作为基层,并在其与腐蚀介质接触一面堆焊一层或多层耐蚀合金。

埋弧带极自动堆焊具有熔敷率高,合金元素稀释率低,堆焊层表面光滑、平整、美观,堆焊层质量稳定等特点,被广泛应用于换热器管板的堆焊。

本文通过20万吨/年甲醇合成反应器20MnMo锻件管板堆焊309LMo的实例,介绍其焊接过程。

1堆焊技术要求
1.1 管板及堆焊层主要指标
管板基层采用20MnMo锻件，接触介质一侧单面堆焊不锈钢耐蚀层，堆焊加工后结构尺寸如图1，20MnMo的化学成分见表1，力学性能见表2。

表120MnMo锻件化学成分％
表220MnMo锻件力学性能
堆焊共二层，第一层为过渡层，第二层为面层。

堆焊材料：过渡层采用AWS ER309L,面层采用AWS ER309LMo。

堆焊方法：采用埋弧带极堆焊，手工堆焊（仅用局部）焊条为E309MoL。

焊带金属化学成分见表 3，熔敷金属化学成分见表4，堆焊层机械性能见表5。

金相组织：铁素体（10~20）%+奥氏体。

表3 焊带金属化学成分(%)
表
4 熔敷金属化学成分（%）
表 5 堆焊层机械性能
1.2 堆焊层合金元素的稀释率
堆焊层的化学成分和金相组织在很大程度上取决于基层对堆焊层合金元素稀释率的大小、堆焊层厚度及熔深的大小。

高的稀释率不仅会降低堆焊层的耐腐蚀性能,而且会导致堆焊层焊接材料消耗量的增加,故要求基层对堆焊层稀释率尽量低,并需要通过试验来选择合理的工艺规范参数。

1.3 铁素体含量的控制
过量的δ铁素体在一定条件下会转化成σ相,造成脆化。

为使堆焊过渡层具有良好的抗裂性、塑性和韧性,以保证面层具有良好的耐蚀性,要求铁素体的质量分数控制在w ( Fe) = 10～20%。

所以,在选择堆焊用焊接材料及焊接参数时,既要保证适当的熔深,又要严格控制熔敷金属
中的铁素体含量。

堆焊时,除熔深外,还应特别注意相邻焊道之间的搭接量,一般控制在6 ～8 mm。

2埋弧带极堆焊工艺
2.1 堆焊用焊接材料
在低合金钢基层上堆焊高合金钢时,熔合区会形成硬度很高的马氏体层,从而导致结合面塑性下降,在冲击载荷作用下堆焊层易出现剥离现象;堆焊部件在高温下工作时,熔合区低合金钢侧的碳会逐步向高合金堆焊层扩散,从而使堆焊层的高温持久强度和耐腐蚀性下降。

堆焊层金属和母材的线膨胀系数差别较大,会使堆焊部件在焊后热处理或高温运行中产生很大的热应力,并有可能导致裂纹的出现。

因此,过渡层应选用一层铬镍含量较高的材料,以使堆焊结合面的马氏体减到最少限度,并有效地遏制碳向堆焊层的扩散。

根据堆焊层要求的化学成分和过渡层焊接材料的要求,过渡层选用AWS ER309L焊带,面层采用AWS ER309LMo焊带。

2.2 堆焊焊剂的选择
焊剂对堆焊过程的物理化学性能有较大的影响,要求堆焊过程稳定,焊道与焊道之间及焊道与母材之间熔合良好,脱渣容易,焊道表面成形良好。

焊剂中加入适量的铁合金和其他必要的合金元素,可使硅、锰脱氧,并使堆焊金属达到要求的化学组成。

选用具有上述特点的烧结焊剂SJ304。

2.3 带极堆焊工艺参数
焊接电流和电弧电压是影响堆焊质量和成形的重要因素。

电流过小或电弧电压过低,会使焊道过窄、边缘不均匀、电弧燃烧不稳定;电流过大或电弧电压过高,则会造成熔深过大,堆焊层合金元素稀释率高,焊道形状不规则、咬边。

另外,适宜的与焊接规范相匹配的焊接速度,也是保证熔深和较高堆焊效率所必需的因素。

综合考虑以上诸多因素,并经评定试验, 确定用于堆焊的工艺参数见表6。

表6 埋弧带极堆焊工艺参数
2.4 焊接操作和手工堆焊
从管板心部向外采用环形堆焊，严格控制各层之间搭接量6～8mm ，过渡层堆焊厚度4.0～4.5mm,面层单层堆焊厚度3～4mm 。

堆焊表面平滑,两相临焊道之间凹下量不大于0.5mm ，焊道接头平面度不超过0.5mm ，管板实际堆焊效果见图2。

对于带极堆不到的地方(心部)和局部缺陷采用手工堆焊，手工堆焊工艺参数见表7。

表7 堆焊缺陷返修和手工焊工艺参数
图2 管板堆焊效果图
2.5 热处理
过渡层焊接完成并经检测合格后，进行中间热处理，考虑不锈钢的特点,宜采用相对较低的热处理温度,中间热处理的时间也要少于产品最终热处理时间,热处理工艺曲线见图3。

图3 热处理工艺曲线
2.6 防变形措施
非堆焊侧可先加工成平面，采取两块管板背靠背的方式，将两块管板沿周向用筋板刚性焊接固定，来增加整个管板的抗变形能力，但需要50t以上的大型变位机。

受设备能力限制，实际采用了在非堆焊侧打加强筋措施，对于堆焊后产生的3～6mm少量变形，采用了压力机校型办法，经校型后整个管板不平度小于3mm，然后上立车加工，保证了堆焊层的厚度要求。

3结论
20MnMo锻件管板采用带极堆焊成复合管板,应进行必要的焊接工艺评定试验,并通过采取以下有效措施,获得尽可能小的稀释率和铁素体含量,同时控制焊接变形:
1) 选用过渡层焊带时,宜选用Cr、Ni含量相对较高的材料;
2) 选用的焊剂应能保证堆焊金属的化学成分,并且堆焊稳定,熔合良好,脱渣容易;
3) 选择合理的堆焊工艺和堆焊规范参数,保证各焊道之间的搭接量，焊接顺序应有利于控制变形;
4）应采取防变形措施，保证加工后的堆焊层厚度和管板形状尺寸精度。

我公司采用上述堆焊工艺堆焊了多台甲醇合成塔的管板,设备均已投入使用,满足设备使用要求，效果良好。

参考文献:
［1］中国工程机械学会焊接学会.焊接手册［M］.北京:机械工业出版社,2000.
［2］全国压力容器标准化技术委员会.JB4708-2000压力容器焊接工艺评定［S］.北京:中国标准出版社,2000.
作者简介：官云胜(1965-),男,黑龙江克山人,高级工程师,1990年毕业于哈尔滨工业大学机械
系,硕士研究生,长期从事石油化工设备制造工作。

Surfacing with band-electrode for large-diameter tubeplate GUAN Yun-sheng （Construction Material Company of Daqing Oilfield，Daqing 163453，China）Abstract：Based on the welding test and production applications on the belt built up welding 309LMo to the 20MnMo forging pipe steel, it is expounded that key to guarantee the welding quality ,reduce the al by element dilution ratio of the built up welding and control ferrite is the reasonable choice of the transitional layer welding material and process parameters. Take prevention measure to control welding distortion, succeed in the manufacture of methanol synthetic towers.
Key words：large-diameter tube plate； surfacing with band-electrode； 20MnMo forged piece; prevents distortion。