2.25Cr-1Mo-0.25V加氢反应器的制造监督检验

丁春雄，任 毅，郇 冬

(江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏 南京 210036)

加氢反应器是石化、炼油、能源等加氢裂化、加氢精制装置中的核心设备。它长期处于高温、高压、临氢环境中运行。它在使用过程中面临着氢腐蚀、氢脆、高温硫化氢腐蚀、硫化物应力腐蚀开裂、堆焊层的剥离、铬钼钢的回火脆性等问题。

以笔者检验的某2.25Cr-1Mo-0.25V加氢反应器过程中碰到的一些问题和解决思路；给大家提供一些参考和借鉴。

2011年某制造厂制造了二台高度达8400/15200mm,壁厚最厚达340mm的2.25Cr-1Mo-0.25V加氢反应器。该塔设计温度为454℃，工作温度最低为435℃。

1 设备外形结构及技术特性

该加氢反应器的结构有如下几个特点：

(a)此加氢反应器采用球形封头，封头与筒体不等厚，连接处采用等强度结构，且焊缝远离过渡段。

(b)此加氢反应器内件的支撑形式不是采用一般的支撑圈式，而是采用凸台形式，采用堆焊2.25Cr-1Mo-0.25V，使支撑圈与筒体成为一体，成为一个完整的凸台。凸台外部进行堆焊，拐角处圆滑过渡，从而改善了该不连续部位的应力分布。

(c)加氢反应器筒体与裙座的连接形式采用整体锻环型式，锻环与下部裙座采用同种材料的对焊连接，既改善了焊缝的受力状态，又有利于保证制造时的焊接质量。

该加氢反应器的技术特性见表1。

表1 加氢反应器的技术特性

2 封头

封头由锻件厂出厂后，经过粗加工后100%UT、MT探伤合格后，发外协厂家进行热压成型。回厂喷丸后进行100%UT、MT复探，合格后按照工艺要求装焊缓冲环。由于成型封头端口外翻，需要加工平整后再装焊缓冲环。故根据需要装焊四件机加压块及两件吊耳。

首先在装配临时附件位置焊接隔离层，厚度不得小于6mm，焊后进行磁粉探伤，合格后装焊机加压块等临时附件。临时附件材质为碳钢，焊接用焊材为与碳钢相匹配的焊材，焊脚高为25mm。焊后经MT探伤合格后再进行后序工作。

下球形封头热处理后，在临时附件附近处发现弧形裂纹，裂纹弧长330mm，缺陷深度30～60mm，未贯穿，距工件下端(除缓冲环外)弧长700mm处开始，如图1所示。

上球形封头热处理后，从封头端面与缓冲环相焊部位往封头顶端出现裂纹，外表面裂纹弧长约400mm,内表面裂纹弧长约300mm，如图2所示。

图1 下封头缺陷照片

图2 上封头缺陷照片

我们通过冷裂纹敏感系数Pcm值确定2.25Cr-1Mo-0.25V钢存在较大的淬硬倾向和冷裂倾向。通过最高硬度法试验、铁研式试验和十字接头裂纹，确定了该钢的预热温度不得低于150℃，实际推荐焊接预热温度为200～250℃。

由于2.25Cr-1Mo-0.25V钢抗拉强度下限为585MPa，为保证材料经焊后热处理后的力学性能满足图样要求，且有一定的富裕量，锻件厂在锻造锻板时提高了材料的强度。根据封头缺陷附近硬度检测，测量值均在220～240HB之间，下封头模拟最小焊后热处理后的室温抗拉强度值为710～715MPa，冷裂纹敏感倾向非常严重，增加了焊接风险。焊接时稍有不慎，就会导致焊接热影响区开裂。

另制造厂对于加钒钢临时附件的焊接重视不够，派年轻的无经验的焊工进行焊接。焊前预热虽然达到了180℃，但实际上该温度仅仅为钢板表面温度，他们就开始实施焊接，焊后后热也不是很充分。如果这两个环节中某一环节执行不好的情况下，就会出现焊接冷裂纹。

后续制造厂在制造过程中，严格控制焊前预热温度和焊后后热，未在出现此类问题。

3 筒体锻件

本项目筒体共15件筒型锻件，目前已正火(水加速冷却)+回火12件，加模拟焊后热处理后力学性能检测完成11件，其中7件合格。4件不合格的质量问题主要表现在-30℃KV2冲击功不合格。

Cr-Mo钢有一个共性，其回火参数控制在20.2 ～20.8之间各项力学性能最佳，如果超过该范围，则力学性能中某个指标会发生急剧变化。

我们计算了锻件母材试样经正火(水加速冷却)后的回火675℃× 6h 及实际模拟最小焊后热处理685℃×7h，计算其回火参数如下：

[P]=(273+T)(20+logt) ×10-3

其中:T——回火热处理的温度，K；

t——回火热处理温度为T时折合出的保温时间，h。

经过累加，回火参数[P]=20.18<20.2。

根据室温抗拉强度模拟最小焊后热处理后均分布在690 ～715MPa之间，说明材料较硬，韧性较差，这可能是影响材料冲击韧性的主要原因。

调整热处理中的回火温度为：695℃×6h(相当于690℃× 7.69h)然后再模拟最小焊后热处理及最大焊后热处理工艺，进行抗拉强度和-30℃AKV的检测。此时最小回火参数为：[P]=20.34>20.2。

为了验证此事，我们在未热处理的余料上进行调整后的回火工艺+模拟焊后热处理，取样金相组织分析并和之前回火热处理后的试样进行比较：

3.1 断口断裂

断口形貌观察见图3。

图3 断口形貌观察

3.2 碳化物

碳化物分布形态见图4。

图4 碳化物分布形态

3.3 锻件组织的不均匀性

图5 晶粒内部及晶界上的白块组织

采用调整后的热处理工艺后，筒体锻件力学相关力学性能均已合格。

同时分析制造厂力学试样取试位置位于T/2壁厚处，白块组织为晶粒中碳含量偏低部分，可能由于正火(水加速冷却)冷速不足造成。而取样位置正好处于这一区间，容易导致低温冲击韧性不稳定。这也说明该产品锻件具有厚壁，锻造难度大等特点，晶粒内部及晶界上的白块组织见图5。

4 焊接

4.1 环缝焊接控制

加氢反应器Cr-Mo钢的焊接是制造的关键，也是确保其质量的关键[1]。

Cr-Mo钢焊接的关键在于焊前的预热和焊后立即进行消应力热处理。为达到和保证工艺规定的焊前预热温度为200～250℃，层间温度≤300℃要求，采用整体进炉加热、焊接过程中局部加热保温的方法，焊后立即安排进炉消应力处理，确保不致产生延迟裂纹。现在制造厂一般采用窄间隙埋弧焊进行筒体环缝的焊接。

4.2不锈钢堆焊

不锈钢堆焊在加氢反应器中占有重要位置。一般根据由于其产品特点、需堆焊部位结构形状差异较大而应选择不同的堆焊方法，一般采用带极堆焊、手工电弧焊、钨极氩弧焊(TIG)、药芯焊丝(MIG)气体保护焊四种不同的焊接方法来分别解决不同结构处的堆焊问题。则焊接弯管不太适宜。

5 无损检测

本次加氢反应器中的无损检测按照相关技术协议要求进行。我们在监督检验中重点做好筒体环缝TOFD、筒体堆焊层防剥离的UT检测的旁站见证[2]。

6 热处理

此加氢反应器在制造过程中，进行以下热处理：焊后消氢处理(DHT)、中间焊后热处理(ISR)、最终焊后热处理(PWHT)、封头热成形后恢复性能热处理。

6.1 焊后消氢处理

一般认为在300℃以内氢扩散能力急剧增强，300℃以上则明显下降。因此，在焊接工作完成后，立即对焊缝进行200～300℃之间保温≥4h的消氢处理，以使扩散氢尽快逸出，避免氢聚积。

6.2 中间焊后热处理

中间焊后热处理的主要目的是消除焊接内应力。需要注意的是，同样的零部件经历的中间热处理次数相差较大(如筒体)，而中间热处理的次数对最终的回火参数[P]值有一定影响。因此，从设备一开始制造，应必须有专门人员负责统计每个零部件中间热处理的次数和数据，以利于最终确定[P]值的需要。

6.3 最终焊后热处理

加氢反应器的最终热处理是整个制造过程中相当重要的工序之一，它必须在反应器一切焊接工作全部完成，且经检验合格确认不再施焊之后才能进行。而对加氢反应器而言，最终热处理不仅仅为了消除整体焊接应力、结构应力，其更为重要的则在于通过最终热处理以获得最佳的母材、焊缝的抗回火脆化性能和理想的综合力学性能。

7 结论

(1)锻焊结构加氢反应器目前已经广泛使用，目前来说只要能解决锻件问题，锻焊结构的加氢反应器制造难度并不太大，所以我们在制造监督检验过程中要更关注锻件的质量。

(2)2.25Cr-1Mo-0.25V锻件较2.25Cr-1Mo更具有明显的优点：具有均匀的贝氏体组织、良好的弯曲性能和硬度均匀分布性，常温强度值即使在705℃×40h之后仍有充分的裕量，具有更高的许用应力，更具有优秀的高温强度，步冷试验后无明显脆化，具有优良的回火脆性性能等。目前所设计的较重要的加氢反应器都选用了此种材料。

(3)2.25Cr-1Mo-0.25V大壁厚加氢反应器的环缝，各制造厂一般采用窄间隙埋弧焊，这一技术的采用不仅能大大提高劳动生产率、减少坡口加工量、降低生产成本，而且焊缝一次合格率也大大提高，焊缝外观也得到了改善。