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等离子弧焊焊接尿素合成塔 不锈钢衬里的试验研究 王坚， 杨俊 ， 钱石旭 ， 左 占科 ( 云南大为化工装备制造有限公司， 云南 曲靖6 5 5 3 3 8 ) 摘要： 通过对焊接接头的化学成分分析、 力学性能试验 、 晶间腐蚀、 选择性腐蚀试验和金相检查， 证 明等离子弧焊可 以用于焊接尿素合成塔的尿素级不锈钢衬里 ， 且效率高、 焊接质量稳定， 建议将该 焊接方法纳入相关规范和工程设计标准加 以使用。 关键词： 尿素级不锈钢 ； 衬里焊接 ； 等离子焊 中图分类号： T G 1 4 2 7 ； T G 4 0 6 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 4 8 3 7 ( 2 0 0 9 ) 0 5 0 0 0 90 4 d o i ： 1 0 。 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 0 9 0 5 0 0 1 Re s e a r c h o f Pl a s m a W e l d i n g Us e d f o r W e l d t he Ur e a Cl a s s S t a i n l e s s St e e l Li ni ng o f Ur e a Re a c t o r WAN G J i a n， YA NG J u n， Q I AN S h i X U， Z UO Z h a nk e ( Y u n n a n D a w e i C h e m i c a l E q u i p me n t F a b ri c a t i o n C o ， L t d ， Q u j i n g 6 5 5 3 3 8， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ac c o r d i n g t o t h e r e s u l t o f c h e mi s t r y t e s t ，me c ha ni c a l p r o p e r t i e s t e s t ，i n t e r g r a i n u l a r c o r r o s i o n t e s t ，s e l e c t i v e c o r r o s i o n t e s t a n d me t a l l o g r a p h i c e x a mi n a t i o n，t h a t t h e p l a s ma we l d i n g c a n b e u s e d f o r we l d t h e u r e a c l a s s s t a i n l e s s s t e e l l i n i n g o f u r e a r e a c t o r ， for i t ' S e f fi c i e n t a n d h i g h q u a l i t y， i t i s s u g g e s t e d t h a t t h e pl a s ma we l d i ng c a n b e a c c e p t e d b y s t a n da r d a n d e n g i n e e r i n g s p e c i fi c a t i o n Ke y wo r d s： u r e a c l a s s s t a i n l e s s s t e e l ； l i n i n g we l d； p l a s ma we l d i n g 1 前言 尿素合成塔是尿素生产关键设备 ， 因操作条件 苛刻， 腐蚀严重。 目前采用 的解决方法之一是在设 备内部衬尿素级不锈钢材 ， 通过采用合理的焊接方 法和焊接工艺 ， 来控制最薄弱 的衬里焊接接头的质 量。多年来 ， 国产尿素合成塔衬里焊接接头的控制 主要依据 H G T 3 1 8 0 -2 0 0 2 ( 尿素高压设备衬里板 及内件的焊接工艺评定 和焊工技能评定 和工程公 司的工程标准进行， 通过控制焊接工艺、 提高焊工技 能进行产 品质量控制。因 HG T 3 1 8 0和工程标准 均规定“ 本标准仅适用于钨极氩弧焊( G T A W) 、 焊条 电弧焊( S M A W) 及这两种方法的组合” ， 使衬里焊 接质量受到了人 的因素影响， 且焊接效率 比较低 ， 能 否寻找到更为稳定 、 高效 的焊接方法和焊接工艺一 直是各制造单位所关注的问题。 2 尿素合成塔的腐蚀及其控制 尿素合成反应中， 存在 N H 3 ， C O ， N H C O O N H 2 ， H ： O， 还有微量的 H S ， N H C N O和 H C N O等， 在高 温、 高压下 ， 对设备衬里会产生强烈的腐蚀。 · 9 · 等离子弧焊焊接尿素合成塔不锈钢衬里的试验研究 V o 1 2 6 N o 5 2 O O 9 为对尿素合成塔 的腐蚀进行控制， 除对结构设 计进行改进外 ， 各国相继开发 了具有优 良的耐腐蚀 性能的尿素级不锈钢 ， 较为典型的材料有 3 1 6 L mo d 、 X 2 G r N i Mo N 2 5 2 2 2和 X 2 G r N i Mo 1 8 1 4 3 ( mo d ) 等。 结构的改进和衬里母材耐腐蚀性能的提高虽为提高 尿素合成塔的耐腐蚀提供 了良好 的基础条件， 但衬 里最终的耐腐蚀性能如何 ， 则在很大程度上取决于 制造过程中对衬里焊接接头的质量控制 。 尿素级不锈钢属奥氏体不锈钢 ， 控制焊接接头 碳化铬等的析出造成晶界邻近区域贫铬是焊接中必 须考虑的关键问题。碳化铬等的析出是在敏化温度 区域停留产生的， 对尿素级不锈钢， 该敏化温度区域 约在 4 5 0 8 5 0。焊接时 ， 焊接接头两侧温度梯次 递减 ， 热影响区不可避免地处于敏化温度区域， 易产 生晶间腐蚀。故焊接时 ， 采用合适的焊接方法和工 艺 ， 缩小焊缝热影响区、 降低热影响区在敏化温度区 域的停留时间， 均是提高焊接接头耐腐蚀性能的有 效方法。 3 尿素级不锈钢衬里材料及焊接 目前 ， 尿素生产工艺有水溶液全循环法、 二氧化 碳汽提法和氨汽提法三种 。尿素合成塔衬里材料选 用主要根据尿素生产工艺方法 ， 设备 内甲铵浓度和 操作温度的高低 ， 正常通氧量的多少与稳定性 ， 冲刷 腐蚀 的状况 等综合考 虑。常用 的材 料 主要 为 3 1 6 L mo d 、 X 2 Gr Ni Mo N2 52 22和 X2 G r Ni Mo 1 8 1 4 3 ( m o d ) 等。 尿素 合 成 塔 衬 里 的 焊 接 ，目前 依 据 HG T 3 1 8 0 -2 0 0 2 4 尿素高压设备衬里板及内件的焊接工 艺评定和焊工技能评定 和某些工程公司的工程设 计标准进行， 据此编制焊接工艺规程和对焊工技能 进行评定。H G T 3 1 8 0 、 工程设计标准均规定适用 于钨 极 气 体 保 护 焊 (G T A W )和 手 工 电 弧 焊 ( S M A W) ， 但由于钨极气体保护焊和手工电弧焊焊 接效率较低 ， 且焊接质量受个人的因素影响很大 ， 导 致尿素合成塔衬里 焊接时间长 、 焊接质量不稳定 。 为解决 这一问题 ， 对采用 全 自动 等离子 弧焊方 法 ( 以下简称等离子弧焊) 焊接 X 2 G r N i M o N 2 5 2 22 材料尿素合成塔衬里进行了分析。 等离子弧焊( P l a s m a A r c We l d i n g ) 是在钨极氩 弧焊基础上发展起来的焊接方法。等离子弧是一种 压缩的钨极氩 弧， 能量 集 中( 能量密度 可达 1 0 1 0 。 W c m ) ， 温度高 ( 弧柱 中心温度可达 1 8 0 0 0 2 4 0 0 0 K以上) ， 焰 流速度大 ( 可达 3 0 0 m s以上 ) ， 刚直性好等特点。等离子弧焊具有下列优点： ( 1 )在不开坡 口， 不加填充焊丝的情况下可一 次焊透 81 0 mm厚的不锈钢板 ， 在相同条件下 ， 焊 接速度要快得多 ， 焊接效率明显提高； ( 2 )等离子弧的形态接近圆柱形 ， 发散角很小 ( 约 5 。 ) ， 且挺直度好 ， 弧长变化对加热斑 点的面积 影响很小 ， 热影响区窄 ， 对提高焊接接头的耐腐蚀性 能有利 ； ( 3 ) 钨极不接触工件， 无夹钨； 电弧搅动性好， 熔池温度高， 利于熔池气体释放 ， 产生气孔概率小； ( 4 ) 等离子焊焊接时 ， 可 以产生稳定 的小孔效 应 ， 通过小孔效应 ， 正面施焊时可以获得 良好的单面 焊双面成形 ； 同时， 小孔效应的存在降低了焊接接头 的残余应力 。 从等离子弧焊的特点看 ， 使用其进行尿素合成 塔衬里焊接是 可行 的， 但焊接 接头 性能是 否满足 H G T 3 1 8 0 -2 0 0 2 尿素高压设备衬里板及 内件的 焊接工艺评定和焊工技能评定 的要求需通过焊接 试验加以验证。 4 全自动等离子弧焊试验 焊接试验选用 ) ( 2 G r N i Mo N 2 52 22材料 ， 厚 度 8 m m， 采用手工 电弧焊 、 钨极气体保护焊和全 自 动等离子弧焊( P A W) 三种焊接方法制备试板， 按 HG T 3 1 8 0 -2 0 0 2 尿素高压设备衬里板及 内件的 焊接工艺评定 和焊工技 能评定 要求 进行 化学分 析 、 力学性能 、 晶间腐蚀 、 选择性腐蚀和金相检查 ， 进 行对比。 4 1 化学成分分析 、 力学性能试验 从表 1可见 ， 填充焊丝的焊接方法 ， 碳 、 硫、 磷等 的含量较高 ， 而等离子弧焊不需填充焊丝 ， 熔敷金属 的化学成分基本与母材接近。等离子弧焊熔池温度 虽然很高， 但焊接后铬 、 镍 、 钼 、 锰元素的损失很少。 从表 2可见 ， 等离子弧焊的力学性能与母材很接近； 虽然三种焊接方法焊接接头的强度和伸长率均符合 标准要求 ， 但等离子弧焊焊接接头 的伸长率要高于 手工电弧焊和钨极气体保护焊。 从成分看 ， 等离子 弧焊 的焊接 接头碳 、 硫、 磷等 有害元素含量显著降低 ， 对于焊接接头力学性能 、 耐 腐 蚀性能的提高是有利的； 碳 、 硫 、 磷 等有害元素含 第 2 6卷第 5期 压 力 容 器 总第 1 9 8期 项 目 C M n P S C r N i Mo 母材 2 4 5 2 1 0 1 9 标准值 0 0 2 0 0 4 0 2 0 0 0 2 0 O 0 1 5 2 5 5 2 3 0 2 3 母材 0 0 1 6 0 2 9 5 1 6 0 0 0 8 O 0 0 1 2 4 8 9 2 1 3 2 2 0 0 ( 复验 ) PAW 0 01 9 0 27 1 5 9 0 0l 1 0 001 24 5 2 21 3 8 2 0 0 SMAW 0 031 0 41 3 2l 0 0 25 0 O0 4 24 61 2 2 0 0 2 2 0 GTAW 0 02 0 O 1 5 3 2l 0 0 25 O 00 5 24 2 7 21 8 5 2 0 3 表 2 焊接接 头力学性 能试 验数据 试验温度 抗拉强度 伸长率 焊接方法 R ( N m m ) A( ( ) 标准值 2 O 5 3 0 3 0 PAW 2 0 6 4 0 41 6 0 S MAW 2 0 7 0 0 3 8 4 8 GTAW 2 0 7 0 o 3 0 4 0 母材 ( 复验数据) 2 0 645 4 9 9 0 量的显著降低， 使焊接接头的伸长率增加， 提高了衬 里焊接接头的安全性 。 4 2晶 间腐蚀 试验 表 3 列出了3 种焊接方法焊接试样的晶间腐蚀 试验结果， 等离子弧焊焊接接头的腐蚀率分散度最 小 ； 同时 ， 每个周期 的腐蚀率和 5个周期平均腐蚀率 均小于标准规定的 1 0 Ix m 4 8 h ， 且第 4 、 5周期腐 蚀率 的增长值 ， 没有一个超过第 3 、 4周期腐蚀率较 低值 的 5 0 。而手工 电弧焊和钨极 气体保护焊每 个周期的腐蚀率和 5个周期平均腐蚀率虽然小于 1 0 m 4 8 h ， 但试验数值比较分散， 第4 、 第 5 周期 的腐蚀数值均出现超过第 3 、 4周期的腐蚀数值 中较 低值 5 0 的情况。说明等离子弧焊耐腐蚀性能不 但 能满足标准要求 ， 并且抗 晶间腐蚀性能更稳定 、 可 靠。 表 3晶间腐蚀趋向试验 腐蚀量( I m 4 8 h ) ， 周期 4 8 h 标准值 试件 l 2 3 4 5 平均 腐蚀量 1 0 tx m 4 8 h 焊条电弧焊 试件 1 0 4 5 9 3 0 1 4 4 1 0 2 4 3 2 0 1 6 6 6 0 2 4 3 2 0 2 5 1 2 ( S MA W) 试 件 2 0 4 5 0 7 0 0 7 3 8 0 1 2 7 0 0 1 2 2 9 0 1 4 3 4 0 1 8 3 6 钨极气体保护焊 试件 1 0 3 1 7 0 0 1 4 0 4 0 0 7 2 5 0 1 1 7 8 0 1 1 3 2 0 1 5 2 1 ( G T A W) 试件2 0 3 4 9 9 0 1 8 2 2 0 1 6 7 6 0 1 0 0 7 0 1 5 8 1 0 1 9 1 7 等离子弧焊 试件 1 0 3 4 5 3 0 3 8 2 0 0 2 6 7 5 0 2 0 9 1 0 2 6 7 5 0 2 7 4 3 ( P A W) 试件 2 0 3 5 3 2 0 3 3 3 9 0 2 6 l 3 0 1 8 8 7 0 2 3 2 3 0 2 7 3 9 4 3金 相检 验 通过金相检验 ， 等离子弧焊焊接接头的金相组 织 比较理想 ， 为奥 氏体 ， 呈枝状 晶， 未发现 相 、 碳 化铬及气孔、 夹渣、 裂纹等缺陷， 也没有在熔敷金属 中发现热裂纹， 符合 H G T 3 1 8 0 要求。见图 1 ， 2 。 图 1 P A W 焊缝金属显微组织4 0 0× 4 4选择 性腐 蚀检 查 3种焊接方法的选择性腐蚀检查结果 ( 见表 4 ) 所表现出的现象同晶间腐蚀试验类似。等离子弧焊 图 2 P A W 非金属夹杂 物1 0 0 试样按标准要求进行检查的各个部位腐蚀其浸蚀深 度数值 比较集 中， 在 4 O5 5 m之 间， 且符合标准 所规定的47 0 m， 试样各部位局部腐蚀也未超标； 等离子弧焊试样的铁素体含量 0 1 1 ， 满足标准规 定 0 6 的要求， 略低于手工电弧焊和钨极气体保 护焊 的试样。这也说明等离子弧焊不论是在焊缝部 位 、 热影响区或在母材其它部位 ， 耐腐蚀性能是稳定 和可靠 的。 C P V T 等离子弧焊焊接尿素合成塔不锈钢衬里的试验研究 V o 1 2 6 N 0 5 2 0 O 9 表 4 选择性腐蚀检查 S M A W选择性腐蚀( t r m) 焊缝及母材 部位 最大 平均 部位 最大 平均 1 40 。 7 3 0 。 2 5 0 3 5 8 3 0 _ 3 6 0 4 0 9 2 0 。 4 40 _ 1 0 30 。 5 5 0 3 0 l1 45 3 0 。 。l。 。 闲 f 6 30 ，_ 12 30 。 铁素体测定 铁素体含量 0 1 3 G T A W选择性腐蚀( 肺) 焊缝及母材 一 部 位 最大 平均 部位 最大 平均 1 6 O 3 0 7 2 0 _ 2 1 0 _ 8 8 0 4 0 3 4 0 _ 9 2 0 _ 4 3 0 _ 1 0 5 0 3 0 。 1 。 闻 ， f 5 60 30 11 60 3O 6 10 _ 12 60 35 铁素体测定 铁素体含量0 1 3 P A W选择性腐蚀( Iz m) 焊缝及母材 试样编号示意图 l ， l l s 部 位 最 大 平 均 部 位 最 大 平 均 1 5 0 3 0 5 4 5 3 0 7 I L ! 2 5 0 3 0 6 4 0 3 0 I P A W 3 40 2 5 7 55 35 f 4 l 2 f6 4 4 0 2 5 8 4 0 3 0 铁素体测定 铁素体含量0 1 1 5 结 语 ( 1 ) 采用全 自动等离子弧焊焊接尿素合成塔不 锈钢衬里的试验表明， 等离子弧焊焊接接头的化学 成分、 力学性能、 金相组织、 抗晶问腐蚀和选择性腐 蚀性能均能达到 H G T 3 1 8 0 -2 0 0 2 ( 尿素高压设备 衬里板及内件的焊接工艺评定和焊工技能评定 和 有关工程设计标准的要求。 ( 2 ) 与手工 电弧焊 和钨极气体保护焊相 比， 全 自动等离子弧焊效率高 ， 焊接质量更为稳定 、 可靠。 ( 3 ) 建议在制订尿素级不锈钢焊 接相关标准 、 规范时 ， 考虑纳入全 自动等离子弧焊方法。 · 1 2· 参考文献 ： 2 3 H G T 3 1 8 0 -2 0 0 2 ， 尿素高压设备衬里板及内件的焊 接工艺评定和焊工技能评定 S 压力容器实用技术丛书编写委员会 压力容器制造和 修理 M 北京： 化学工业出版社， 2 0 0 4 中国机械工程学会焊接学会 焊接手册 M 北京： 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 1 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 5 0 2 作者简介： 王坚( 1 9 5 8一) ， 高级工程师， 云南大为化工装备 制造有限公司副总经理兼总工程师， 云南云维集团有限公司 副总工程师 ， 一直从事化工设备制造工艺研究及设备运行管 理和维修工作 ， 通讯地址： 6 5 5 3 3 8云南省曲靖市沾益县花山 工业园区云维集团信息中心。