张林 苗俊军 李松山（青岛兰石重型机械设备有限公司，山东 青岛 266000）

分析加氢反应器堆焊层裂纹的成因与对使用的影响

张林 苗俊军 李松山（青岛兰石重型机械设备有限公司，山东 青岛 266000）

在本案，笔者结合相关知识，简要分析加氢反应器双层堆焊层裂纹产生的原因及其对加氢反应器使用的影响。其中，裂纹的成因涉及热应力、氢脆和σ相转变的影响。鉴于基材的断裂韧性较高，则堆焊层裂纹难以向其延伸，因此不会对加氢反应器的正常使用造成不良影响。

加氢反应器；双层堆焊层；裂纹

加氢反应器是加氢装置和加氢工艺过程的核心设备，由于需要长期在高压、高温的临氢条件下工作，奥氏体不锈钢堆焊层易发生裂纹。一般而言，加氢反应器采用的是双层堆焊，其中基材选用2.25CrlMov或2.25CrlMo；第一层（与基材的过渡层）、二层（表层）分别选用TP309和TP347。据此，笔者首先分析加氢反应器堆焊层裂纹的成因，然后再简要分析其对加氢反应器使用的影响。

1 加氢反应器堆焊层裂纹的成因

研究发现，加氢反应器堆焊层产生裂纹的原因主要包括σ相转变、热应力、集中应力、氢脆等，具体分析如下：

1.1 σ相转变

按照规定，应将一定比例的铁素体加入奥氏体不锈钢堆焊层中，以防在焊接过程中，奥氏体不锈钢发生热裂纹。但在高温条件下，铁素体的σ相会发生转变，并引起堆焊层脆化。其中，在临氢环境下，堆焊层的断后伸长率将＜10%，这明显低于规范要求的＞18-22%。在普通工程中，区分韧性与塑性材料的标准为断后伸长率为5%。据此可知，在临氢环境下，堆焊层的性能与脆性材料较为接近。

1.2 氢聚积

比较发现，在奥氏体不锈钢堆焊层中，饱和氢的浓度比母材大，但其扩散系数比母材小。其中，在正常条件下，母材的氢浓度远比TP309和TP347堆焊层低。但在停工条件下，母材的氢扩散速度比堆焊层快，这将加大母材与堆焊层氢浓度的差距，其中堆焊层的氢浓度超过母材10倍以上，这极大的提高了堆焊层脆性开裂的几率。

1.3 热应力

研究发现，加氢反应器堆焊层材料的导热系数远比母材低，但其热膨胀系数却比母材大，则加氢反应器在开工时，温升将增大Cr-Mo钢母材与奥氏体不锈钢的膨胀差，其中在400℃条件下的膨胀差为1.676mm/m。加氢反应器在工作条件下，飞温的出现会增大膨胀差，此时堆焊层应力集中区产生的热应力较高；在停工条件下，母材的降温速度明显比堆焊层快，则堆焊层应用集中区产生的热应力也较高。针对这些区域的堆焊层，应力与热应力的集中将会引起屈服和屈服应变现象，并进一步引发疲劳应变；针对堆焊层的应力集中区域，如若加氢反应器在严重脆化条件下的开、停工温变速度过快，则堆焊层将在开、停工次数一定时产生裂纹。

2 加氢反应器堆焊层裂纹对使用的影响

综上所述，加氢反应器堆焊层裂纹是由奥氏体不锈钢的氢浓度过高及堆焊层中铁素体σ相转变引起的脆化所致，但基材选用的是2.25CrlMov或2.25CrlMo，因此其不具备产生脆化开裂的条件。在加氢反应器堆焊层中，如若裂纹扩展至基材与堆焊层的界面，堆焊层表面仅会产生很浅的裂纹，因此只需保证基材的断裂韧性，便可将堆焊层裂纹终止在界面上。

据实验显示，在不同氢浓度条件下，抗拉强度不同的2.25Cr-1Mo钢在加氢后的断裂韧性如图1所示。

图1 抗拉强度与K1H的关系图

鉴于加氢反应器用钢目前的抗拉强度＜700MPa及其在停工冷却的条件下，基材的实际氢浓度≤3ppm，外加2.25Cr-1Mo钢的洁净度较先前有所提高，则2.25Cr-1Mo钢加氢后的断裂韧性K1H应比图1所示大。在加氢条件下，国产加氢反应器用2.25Cr-1Mo钢与其焊缝的断裂韧性较高，则其可防止堆焊层的裂纹扩展至基材。

3 结语

针对加氢反应器堆焊层裂纹的成因及其对使用的影响，建议从如下方面来应对处理：①铁素体数FN取3-10，更严格时可限制在FN为8，通过金相检测来筛除网状铁素体组织，从而控制堆焊层在无热裂纹时发生σ相转变；②先进行最终热处理，再堆焊高应力区的TP347，以免其在热处理中发生σ相转变；③尽量在结构断续处进行圆角过渡，并通过增大转角的半径来防止应力过度集中；④稳定操作，以减少热应力交变载荷在工作温度波动时的循环次数及控制温度在开、停工时的温度变化速率，同时将热应力降至最低水平；⑤在停工条件下，在300-350℃温度下进行保温，从而完全释放用钢中的氢；⑥计划性地进行紧急停工，减少不必要的开停工；⑦加氢反应器催化剂床层的压降不得过大，防止氢扩散至堆焊层。总之，虽然加氢反应器堆焊层的裂纹不会对其使用造成影响，但对其进行有效控制可明显提高加氢反应器的使用效果，并提升反应器使用寿命，值得重视。

[1]杜兵,贾玉力,饶清鹏.加氢反应器不锈钢堆焊熔合区氢剥离行为的分析[J].焊接学报,2013,01:1-3+113.

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