加氢反应器的焊接制造

一、概述

加氢反应器是炼油化工行业中加氢装置的核心设备，工作条件十分苛刻，要求设备既耐高温(约400 ~ 450℃)、高压(8 ~ 18MPa)，还要能抗氢腐蚀，为此，一般选用Cr-Mo耐热钢制造壳体，有的选用1Cr-0.5Mo或1．25Cr-0.5Mo-Si，但更多的选用2.25Cr-1Mo钢，为了适应更高温和抗氢性能更苛刻的条件，近年来又研制了3Cr-1Mo-0.25V及2.25Cr-1Mo-0.25V制造热壁加氢反应器。

从结构形式讲，加氢反应器分冷壁加氢反应器和热壁加氢反应器，20世纪60年代初由于冶炼水平与制造水平有限，加氢反应器多数冷壁结构形式，即在反应器内衬上很厚的大颗粒珍珠岩混凝土保温层以保证反应器壳体的壁温不致过热。20世纪70年代以后随着技术的不断发展逐渐由冷壁加氢反应器转向热壁加氢反应器。热壁加氢反应器克服了冷壁反应器的不足，内壁不需要衬保温层，具有有效体积利用率高、施工周期短、生产维护方便、安全可靠等特点，因此为世界各国普遍采用并且向大型化发展。

二、加氢反应器的焊接

现以最典型的加氢用钢2.25Cr-1Mo制造的热壁加氢反应器壳体作为焊接实例介绍加氢热壁反应器的焊接。

某石化总厂一台直径为Φ1 800mm，壁厚δ=108mm，长度为30869mm的热壁加氢反应器。主壳体包括筒体、封头，全部采用2.25Cr-1Mo钢板制造，接管法兰、弯管、直管全部采用2.25Cr-1Mo锻件制造，所有部件内壁堆焊双层不锈钢(309L+347L)耐蚀层。

在产品制造前，应按产品技术条件和JB 4708《钢制压力容器焊接工艺评定》进行以下评定：

① 用于筒体纵、环缝埋弧焊工艺评定一项；
② 用于接管法兰环缝、弯管间环缝手工钨极氩弧焊、焊条电弧焊工艺评定各一项；
③ 用于接管法兰与壳体焊接焊条电弧焊工艺评定一项；
④ 用于筒体内壁带极堆焊工艺评定一项；
⑤ 用于封头内壁带极堆焊工艺评定一项；
⑥ 用于Φ内<100mm的小管径内壁自动钨极氩弧堆焊工艺评定一项；
⑦ 用于弯管内壁自动钨极氩弧焊工艺评定一项；
⑧ 用于Φ内≥100mm接管内壁不锈钢药芯焊丝自动堆焊一项；
⑨ 焊条电弧焊堆焊工艺评定一项；

以工艺评定以依据，编制指导产品生产的焊接工艺规程。其主要零部件及主壳体焊接工艺规程如下：

1. 筒体纵、环缝

① 筒体材料 2.25Cr-1Mo(钢板)

② 焊接位置 平焊

③ 焊接方法 窄间隙埋弧自动焊+埋弧自动焊

④ 焊材 焊丝：US-521S(日本神钢) Φ4。焊剂：PF-200(日本神钢)。焊条（装配、点焊用）：CMA-106N(日本神钢) Φ4或Φ5

⑤ 焊接工序 焊接坡口100％干磁粉(MT)检测→预热(预热温度≥200℃)→装配、点焊→窄间隙埋弧自动焊→焊接外坡口(层间温度200 ~ 250℃)→内坡口碳弧气刨并打磨至露出金属光泽→内坡口清根部位100％干磁粉(MT)检测→内坡口埋弧自动焊(层间温度200 ~ 250℃) →后热(200 ~ 300℃×2h) →24 h后无损检测(100％MT+100％UT+100％RT)。

⑥ 焊接参数 焊接电流I=500 ~ 550A； 焊接电压U=28 ~ 30V； 焊接速度v=360 ~ 400mm/min。

2. 接管与法兰焊接

① 材料 2.25Cr-1Mo(锻件)。
② 焊接位置 水平转动。
③ 焊接方法 手工钨极氩弧焊打底+焊条电弧焊。
④ 焊材 氩弧焊焊丝TGS-2CM(日本神钢) Φ2.4。焊条：CMA-106N(日本神钢) Φ4或Φ5。
⑤ 焊接工序 焊接坡口100％干磁粉(MT)检测→预热(预热温度≥200℃) →装配、点焊→手工钨极氩弧焊打底(两层、层间温度200 ~ 250℃)→焊条电弧焊盖面→后热(200 ~ 300℃×2h) →24 h后无损检测(100％MT+100％UT+100％RT)。

⑥ 焊接参数

a. 手工钨极氩弧焊 电流I=160 ~ 180A；电压U=15 ~ 17V；速度v= 80mm/min；氩气流量16 ~ 18L/min；钨极直径D=2.4mm。

b. 焊条电弧焊 电流IΦ4=170 ~ 190A；电流IΦ5=190 ~ 210A；电压UΦ4、Φ5=22 ~ 26V；焊接速度vΦ4=130 ~ 150mm/min；焊接速度vΦ5=140 ~ 160mm/min。

3. 接管法兰与封头焊接

①接管与下封头焊接

a. 材料 接管2.25Cr-1Mo(钢板)，封头2.25Cr-1Mo(钢板)。

b．焊接位置 平焊。

c．焊接方法 双面焊条电弧焊。

d．焊材材料 CMA-106N(日本神钢) Φ3.2mm，Φ4mm，Φ5mm。

e．焊接工序 焊接坡口100％干磁粉(MT)检测→预热(预热温度≥200℃) →装配、点焊→外坡口焊条电弧焊(层间温度200 ~ 250℃，先用Φ3.2mm焊条打1~2层底，再用Φ4mm焊条焊两层，然后用Φ5mm焊条施焊)焊至外坡口1/3处→内坡口碳弧气刨并打磨至露出金属光泽→内坡口清根部位100％干磁粉(MT)检测→内坡口焊条电弧焊(层间温度200 ~ 250℃) →外坡口焊条电弧焊(层间温度200 ~ 250℃) →后热(200 ~ 300℃×2h) →24 h后无损检测(100％MT+100％UT+100％RT)。

f．焊接参数 电流IΦ3.2=90 ~ 120A；电流IΦ4=170 ~ 190A；电流IΦ5=190 ~ 210A，电压UΦ3.2=20 ~ 24V；电压UΦ4、Φ5=22 ~ 26V；焊接速度vΦ3.2=100 ~ 120mm/min；焊接速度vΦ4=130 ~ 150mm/min；焊接速度vΦ5=140 ~ 160mm/min。

② 大法兰接管与上封头焊接

a. 材料 接管2.25Cr-1Mo(锻件)，封头2.25Cr-1Mo(钢板)。

b．焊接位置 平焊。

c．焊接方法 埋弧自动焊+焊条电弧焊。

d．焊材材料 焊丝US-521S(日本神钢) Φ4。焊剂：PF-200(日本神钢)。焊条：CMA-106N(日本神钢) Φ4mm，Φ5mm。

e．焊接工序 焊接坡口100％干磁粉(MT)检测→预热(预热温度≥200℃) →装配、点焊→外坡口埋弧自动焊(层间温度200 ~ 250℃)→内坡口清根部位100％干磁粉(MT)检测→内坡口焊条电弧焊(层间温度200 ~ 250℃) →内坡口焊条电弧焊(层间温度200 ~ 250℃) →后热(200 ~ 300℃×2h) →24 h后无损检测(100％MT+100％UT+100％RT)。
f．焊接参数

焊条电弧焊 电流IΦ4=170 ~ 190A；电流IΦ5=190 ~ 210A，；电压UΦ4、Φ5=22 ~ 26V；焊接速度vΦ4=130 ~ 150mm/min；焊接速度vΦ5=140 ~ 160mm/min。
埋弧自动焊 焊接电流I=500 ~ 550A； 焊接电压U=28 ~ 30V； 焊接速度v=360 ~ 400mm/min。nextpage

4. 接管法兰与筒体焊接

① 大法兰接管与筒体焊接

a. 材料 接管2.25Cr-1Mo(锻件)，筒体2.25Cr-1Mo(钢板)。

b．焊接位置 平焊。

c．焊接方法 埋弧自动焊+焊条电弧焊。

d．焊材材料 焊丝US-521S(日本神钢) Φ2.4。焊剂：PF-200(日本神钢)。焊条：CMA-106N(日本神钢) Φ4mm，Φ5mm。

e．焊接工序 焊接坡口100％干磁粉(MT)检测→预热(预热温度≥200℃) →装配、点焊→外坡口埋弧自动焊(层间温度200 ~ 250℃，焊至外坡口1/3处)→内坡口碳弧气刨并打磨至露出金属光泽→内坡口清根部位100％干磁粉(MT)检测→内坡口焊条电弧焊(层间温度200 ~ 250℃) → 外坡口埋弧自动焊(层间温度200 ~ 250℃) →后热(200 ~ 300℃×2h) →24 h后无损检测(100％MT+100％UT+100％RT)。

f．焊接参数

焊条电弧焊 电流IΦ4=170 ~ 190A；电流IΦ5=190 ~ 210A，；电压UΦ4、Φ5=22 ~ 26V；焊接速度vΦ4=130 ~ 150mm/min；焊接速度vΦ5=140 ~ 160mm/min。
埋弧自动焊 焊接电流I=300 ~ 380A； 焊接电压U=28 ~ 32V； 焊接速度v=360 ~ 400mm/min。

② 小接管法兰与筒体焊接

a. 材料 接管2.25Cr-1Mo(锻件)，筒体2.25Cr-1Mo(钢板)。
b．焊接位置 平焊。
c．焊接方法 双面焊条电弧焊。
d．焊材材料 CMA-106N(日本神钢) Φ3.2mm，Φ4mm，Φ5mm。

e．焊接工序 焊接坡口100％干磁粉(MT)检测→预热(预热温度≥200℃) →装配、点焊→外坡口焊条电弧焊(层间温度200 ~ 250℃，先用Φ3.2mm焊条打1 ~ 2层底，再用Φ4mm焊条焊两层，然后用Φ5mm焊条施焊)焊至外坡口1/3处→内坡口碳弧气刨并打磨至露出金属光泽→内坡口清根部位100％干磁粉(MT)检测→内坡口焊条电弧焊(层间温度200 ~ 250℃) →外坡口焊条电弧焊(层间温度200 ~ 250℃) →后热(200 ~ 300℃×2h) →24 h后无损检测(100％MT+100％UT+100％RT)。

f．焊接参数 电流IΦ3.2=90 ~ 120A；电流IΦ4=170 ~ 190A；电流IΦ5=190 ~ 210A，电压UΦ3.2=20 ~ 24V；电压UΦ4、Φ5=22 ~ 26V；焊接速度vΦ3.2=100 ~ 120mm/min；焊接速度vΦ4=130 ~ 150mm/min；焊接速度vΦ5=140 ~ 160mm/min。

5. 90°弯管间环缝焊接

a. 材料 2.25Cr-1Mo(锻件)。
b．焊接位置 水平转动。
c．焊接方法 手工钨极氩弧焊+焊条电弧焊。
d．焊材材料 见表

90°弯管间环缝焊材

e．焊接工序 焊接坡口100％干磁粉(MT)检测→预热(预热温度≥200℃) →装配、点焊→手工钨极氩弧焊打底(两层、层间温度200 ~ 250℃)→焊条电弧焊盖面→后热(200 ~ 300℃×2h) →24 h后无损检测(100％MT+100％UT+100％RT)。

f．焊接参数

手工钨极氩弧焊 焊接电流I=160 ~ 180A； 焊接电压U=15 ~ 17V； 焊接速度v=80mm/min；氩气流量16 ~ 18L／min；钨极直径D=2.4mm。

焊条电弧焊 电流IΦ4=170 ~ 190A；电流IΦ5=190 ~ 210A，；电压UΦ4、Φ5=22 ~ 26V；焊接速度vΦ4=130 ~ 150mm/min；焊接速度vΦ5=140 ~ 160mm/min。

6. 内壁耐蚀层堆焊

① 封头内壁堆焊

a. 堆焊位置 平焊(堆焊时将封头放置于变位机上，堆焊时保证堆焊位置始终处于平焊状态)。
b. 堆焊方法 埋弧带极堆焊
c. 堆焊材料 见表

封头内壁耐蚀层堆焊焊材

注意因封头是曲面，采用HJ107、HJ107Nb焊剂与同类型进口焊剂相比，其熔深大，使堆焊层结合面不容易产生夹渣，堆焊质量好。

d. 堆焊工序 预热封头(预热温度≥150℃) →埋弧带极堆焊过渡层→后热(250 ~ 300℃×2h) →堆焊层表面着色检查(PT) →埋弧带极堆焊面层→堆焊层表面着色检查(PT) →结合面无损检测(UT)。

e. 焊接参数 干伸长：15mm。焊道搭接量：6mm。过渡层：电流I=700 ~ 800A，电压U=30 ~ 32V，焊接速度v=175mm/min。盖面层：电流I=700 ~ 800A，电压U=30 ~ 32V，焊接速度v=165mm /min。

② 筒体内壁堆焊

a. 堆焊位置 平焊。
b. 堆焊方法 埋弧带极堆焊(也可采用电渣堆焊)。
c. 堆焊材料 见表

筒体内壁耐蚀层堆焊焊材

d. 堆焊工序 预热筒体(预热温度≥150℃) →埋弧带极堆焊过渡层→后热(250 ~ 300℃×2h) →堆焊层表面着色检查(PT) →埋弧带极堆焊面层(温度≤100℃)→堆焊层表面着色检查(PT) →结合面无损检测(UT)。

e. 焊接参数 干伸长：15mm。焊道搭接量：5 ~ 10mm。过渡层：电流I=950 ~ 1050A，电压U=26 ~ 28V，焊接速度v=175mm/min。盖面层：电流I=950 ~ 1050A，电压U=26 ~ 28V，焊接速度v=165m m/min。

③ 小接管内壁堆焊

a. 材料 2.25Cr-1Mo(锻件)。
b. 堆焊位置 平焊
c．焊接方法 自动钨极氩弧堆焊。
d．焊材材料 见表

小接管内壁堆焊材料

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e. 堆焊工序 预热接管(预热温度≥150℃) →自动钨极氩弧堆焊过渡层→后热(250 ~ 300℃×2h) →过渡层可探部位表面着色检查(PT) →自动钨极氩弧堆焊面层→面层表面可探部位着色检查(PT)。

f. 堆焊参数 见表

小接管内壁堆焊参数

注1.过渡层零件旋转速度：n=v焊/πd(r/min)，其中v焊=100mm/min，d为工作半径，mm。
2. 盖面层焊接时，零件转速比过渡层慢 =0.01 ~ 0.03 r/min。

④ 90°弯管内壁堆焊

a. 材料 2.25Cr-1Mo(锻件)。
b. 堆焊位置 平焊
c．焊接方法 自动钨极氩弧堆焊。
d．焊材材料 见表

90°弯管内壁堆焊焊材

e. 堆焊工序 将90°弯管均分割为3段→预热30°弯管 (预热温度≥150℃) →自动钨极氩弧堆焊过渡层→后热(250 ~ 300℃×2h) →堆焊层表面着色检查(PT) →自动钨极氩弧堆焊面层→堆焊层表面着色检查(PT) →结合面无损检测(UT)。

f. 堆焊参数 见表

小接管内壁堆焊参数

⑤ 直管内壁堆焊

a. 材料 2.25Cr-1Mo(锻件)。
b. 堆焊位置 平焊
c．焊接方法 自动药芯焊丝CO_{2气体保护堆焊。
d．焊材材料 见表}

直管内壁堆焊焊材

e. 堆焊工序 预热直管(预热温度≥150℃) →自动药芯焊丝CO_{2气体保护堆焊过渡层→后热(250 ~ 300℃×2h) →堆焊层表面着色检查(PT) →自动药芯焊丝CO2气体保护堆焊面层(温度≤100℃)温度→堆焊层表面着色检查(PT) →结合面无损检测(UT)。}

f. 焊接参数 电流I=220 ~ 230A，电压U=32 ~ 33V，焊接速度v=230mm/min。干伸长：16mm。保护气体：纯CO_{2。气体流量：15-18L/min。}

⑥ 焊条电弧焊堆焊

加氢反应器内壁某些部位（如总装环缝内壁、弯管环缝内壁等）不能采用自动堆焊，可采用焊条电弧焊进行堆焊。

堆焊工序：预热堆焊部件(预热温度≥150℃) →焊条电弧焊堆焊过渡层→后热(250 ~ 300℃×2h) →堆焊层表面着色检查(PT) →焊条电弧焊堆焊面层→堆焊层表面着色检查(PT) →结合面无损检测(UT)。堆焊材料及焊接参数见表

焊条电弧焊堆焊材料及焊接参数