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摘要：由于加氢反应器的焊缝金属容易出现回火脆化、氢腐蚀、氢脆以及氢诱发裂纹，硫化氢介质的存在还可能造成晶间腐蚀以及应力腐蚀开裂，因此焊接和热处理是制造过程中极其重要的环节，本文结合复合钢板加氢反应器的制造，对焊接工艺及热处理工艺进行了详细的介绍。
关键词：加氢反应器；焊接工艺；热处理工艺
中图分类号：TG15 文献标识码：A 文章编号：
加氢反应器是炼油工业的核心设备，由于它长期在高温、高压条件下工作，设计、工艺、加工制造以及生产操作等都有着极为严格的要求。反应器的制造成功，从某种意义上说是体现一个制造厂家总体技术水平的重要标志之一。过去，世界上只有少数工业发达国家能够制造。我国的炼油工业所采用设备，也基本从国外进口，价格十分昂贵。1982年，兰州石化完成了国产第一台热壁式加氢反应器的制作，开拓了我国制造加氢反应器的先河。但由于加氢反应器的关键性和高技术含量性，虽然经历20余年的发展，目前我国能生产该产品的企业仍然屈指可数。2008年，中原油田工程建设总公司金属结构厂承接并生产了山东德润化工有限集团公司制造的两台复合板容器:主加氢反应器和预加氢反应器，成功掌握了这一具有世界领先水平的生产制造技术，也填补了豫北地区不能生产加氢反应器的空白。
这两台容器主体材质为复合钢材15CrMoR+00Cr19Ni10，反应介质为苯、甲苯、二甲苯、氢气以及硫化氢，设计温度为280℃/550℃。由于容器本身长期处于高温状态下，对接焊缝金属极容易出现回火脆化、氢腐蚀、氢脆以及氢诱发裂纹现象，并且硫化氢介质的存在还可能导致晶间腐蚀及应力腐蚀。因此，焊接和热处理是整个制造过程中的重点和难点。
一、焊接性分析
容器主体材质为复合钢材---15CrMoR+00Cr19Ni10，它是由化学成分和物理性能有很大差异、焊接性也有重大差异的两层钢板组合而成的，因而不可能用单种焊接材料和焊接工艺进行焊接。而应将基层和覆层区别对待，基层的焊接采用与基层强度相匹配的焊条（或焊丝），其焊接工艺与相应的珠光体钢相同。根据对覆层不锈钢的性能要求，覆层焊缝金属的成分应当尽量与覆层钢板相同，同时要考虑两个问题：一是要考虑覆层不锈钢本身存在的焊接性问题。例如，在生产实践上常常防止焊缝出现热烈纹，不得不允许焊缝金属的成分稍稍偏离母材成分，以换取含有少量铁素体相的组织；二是要考虑基层对覆层焊缝的稀释作用，为了克服这一缺陷，合理的办法是在基层同覆层的结合面处设置一个过渡层，完成由基层到覆层的成分过渡。因此，不锈复合钢板焊接的关键问题在于处理好覆层与基层交界部位的焊接性，即过渡层的问题。另外，15CrMoR属于低合金珠光体耐热钢，在焊接过程中容易出现冷裂纹，热裂纹以及再热裂纹，因此在焊接时也需要采取相应措施。
为保证过渡层能完成化学成分由基层到覆层的过渡，很重要的是选择焊接材料和稳定工艺参数及保证熔合比。同时在考虑过渡层与覆层，基层的两个熔合区和焊接金属时，要使它们均达到对不锈复合钢板所要求的界面抗剪强度，所以过渡层宜薄不宜厚。而且还要防止由于覆层与基层金属之间的热特理性能（特别是膨胀系数）差别较大，而引起在焊后冷却过程中或今后服役过程中因温差应力而开裂。应当保证过渡层具有优良的塑性和韧性，使它能够起到吸收和缓冲力对两金属交界面的有害作用，避免焊接接头产生裂纹。
二、焊接工艺评定
1、焊接材料的选用
不锈复合钢板焊接材料的选择应综合考虑接头的组织应力、热应力分布对抗裂性的影响以及接头组织成分对耐腐蚀性的影响，为了获得纯奥氏体或奥氏体加少量一次铁素体组织的焊缝金属成分，运用舍夫勒焊缝组织图（图一）进行比较分析，用A302焊接过渡层，用A002焊接覆层金属。根据基层金属的特点，选用R307焊接基层金属。
2、焊接方法
珠光体钢与奥氏体钢焊接时应注意选用熔合比小、稀释率低的焊接方法，在一般生产条件下焊条电弧焊使用最方便，适应性强，而且熔合比调节范围小，因此主体焊缝过渡层及覆层采用熔合比较小的焊条电弧焊，降低焊缝的稀释程度，避免裂纹的产生。基层采用焊条电弧焊打底，埋弧焊缝盖面，保证焊缝外观成型美观。采用组合焊接方法达到了质量合格，外观成型好的双重目的。
3、坡口形式
根据容器本身壁厚以及减小熔合比的需要，容器主体A B类焊缝采用以下坡口形式：
图二坡口形式
4、焊前预热
为防止基层焊缝出现冷裂纹，焊前需进行预热，预热温度为150℃-200℃，预热方式采用电加热带加热，加热区域为坡口两侧各200mm范围内。测温方式采用远红外测温仪，待达到所要求的温度时开始焊接。焊件在整个焊接过程中不得低于预热温度。
5、焊接參数及焊接顺序
根据复合钢焊接的特点，一般先焊接基层，再焊接过渡层，最后焊接覆层。焊接基层时保持层间温度不得低于预热温度，焊接过程中防止焊接飞溅污损伤复层表面，不得在复层表面随意引弧。焊接过渡层前预热，温度为150-200℃，过渡层为2-4mm，如图一。焊接过渡层时控制高温停留时间，以防止出现马氏体组织。异种钢焊接时，如果母材存在着导致裂纹的硬脆化合物中间相或产生易淬火硬化的合金，则可能在焊接处萌生裂纹。因此为防止出现裂纹，应采用良好的工艺措施，使得熔合区过渡层比较薄，这种有害的组成相就会比较小或根本不形成，因此焊接过渡层采用小热输入，直线运条多层多道焊。
焊接参数如下表：
表 一
6、焊后热处理
金属的氢脆现象已比较为人们所关注，氢进入金属后，机械性能会发生明显的破坏，强度和塑性都有所降低，溶解于金属晶格中的氢，使钢在缓慢变形时发生脆性破坏，材料在氢环境下服役将会慢慢吸收氢。当残余应力与焊缝中的氢结合时将促使热影响区硬化，导致冷裂纹以及延迟裂纹的产生。对于焊缝中吸收的氢，比较有效的办法就是采取焊后热处理。它即可达到松弛和缓解焊接残余应力，改善焊缝金属及近缝区的组织和性能，提高焊缝金属的延性及断裂韧性，也可使焊接区及其附近的氢等有害气体扩散逸出。加氢反应器由于涉及到两种不同材质的焊后热处理，两种材料热处理制度本身又有较大的差异，因此在进行焊后热处理时要格外的慎重。
焊后消氢处理应在基层焊接完毕后立即进行，后热温度为200
℃-350℃，保温时间为2h。
而整体消应力退火应在整体焊接完毕后进行，热处理后不允许施焊。
耐热钢15CrMoR的热处理制度一般为600℃以上，保温时间根据JB/T4708-2000以及GB150-1998的规定进行最短保温时间的计算：
当δPWHT≤125mm 时，
h =δPWHT/25但最短时间不低于1/4h
奥氏体不锈钢00Cr19Ni10一般不进行焊后热处理，因为Cr-Ni型奥氏体不锈钢在400～850℃时保温或缓慢冷却时会发生严重的晶间腐蚀，这是由于晶界上析出富鉻的Cr23C6，使其周围基体形成贫鉻区造成的。钢中的含碳量越高，晶间腐蚀倾向越大。因为00Cr19Ni10含碳量WC≤0.03%，因此在400～850℃加热不会发生晶间腐蚀。
综合考虑两种材料的热处理制度，最终热处理制度定在保温温度660±20℃，保温时间为1h。热处理严格按照热处理工艺进行，热处理后24h进行100%RT探伤，以检测是否有再热裂纹产生。
7、晶间腐蚀试验
根据设计要求，焊接工艺评定试样在热处理后，依据GB/T4334.3-2000在北京钢铁研究总院进行了不锈钢65%硝酸腐蚀试验，实验结果为下表：
表 二
实验结果合格。
8、力学性能试验
对工艺评定试件进行了屈服强度、抗拉强度 、伸长率、 侧面弯曲、 低温冲击 、常温冲击等多项试验，实验结果如下表：
表 三
表 四
表 五
三、容器焊接工艺以及焊接措施
容器在焊接过程中，焊接工艺规程以焊接试验和焊接工艺评定为基本依据编制。
1、焊工要求
所有施焊焊工必须由持有相应焊工资格证，所焊项目应与其资格证书核准的项目相符，焊工必须严格执行焊接工艺规程。
2、焊接过程
1）、定位焊应在基层上进行，若发现定位焊缝出现裂纹或其他不允许存在的缺陷时应予铲除，并移位再焊。
2）、 焊接前对影响焊接质量的切割表面层应用冷加工方法去除，应按焊接工艺规程的技术要求对焊丝表面和坡口两侧至少100mm范围内的油污、锈迹、金属屑、氧化膜及其他污物用磨光机打磨干净或用有机溶剂清除，多层多道焊接时，必须清除前道焊缝表面的熔渣和缺陷。、焊接前必须清理干净热切割熔渣及氧化皮，切割面缺口应用砂轮修磨圆滑过渡，机械加工的边缘或坡口面焊前应清除油迹等污物，最好采用丙酮擦净坡口表面。焊丝表面应将防锈油清除干净，焊条及焊剂应严格按照焊接工艺规程及焊材产品说明书进行烘干。
3）、 焊接时，先焊基层，再焊过渡层，最后焊复合层。焊接基层时，其焊道不得触及和熔化复材，采用低热输入即小的热输入量焊接。焊接过渡层时，保证熔合良好的前提下，尽量减少基层金属的熔入量，采用较小直径的焊条及焊接线能量，过渡层厚度不得小于2mm。焊接复层时，尽可能保持表面平整、光洁。不锈钢焊接时层间温度保持60℃以下。内侧焊缝与母材圆滑过渡。
4）复材表面质量保护，在施工过程中要注意保护复材表面质量，在卷板、校圆时，应将滚轴表面清理干净，不得用铁锤锤击复层表面，要防止焊接飞溅污损伤复层表面，不得在复层表面随意引弧。
5）、 焊缝及热影响区表面不得有裂紋、未焊透、未熔合及咬边、弧坑、夹渣。
3、焊接缺陷返修， 同一部位返修不得超过两次，严格按照返修焊接工艺卡进行返修。
4、复层防污染措施
1）、在制造过程中，禁止不锈钢复合板复层与碳钢接触；
2）、焊接时严禁在复层侧进行引弧；
3）、在复层侧对接焊缝及接管焊缝附近涂刷白垩粉（石灰粉），防止飞溅污染复层。
四、容器热处理制度
容器热处理制度以焊接工艺评定热处理制度为依据进行，但工艺评定试件热处理保温时间不得小于容器热处理保温时间的80%。
五、结论
加氢反应器焊接工艺和热处理工艺要点是以焊接试验为基础选择合适的焊接材料控制碳迁移，以工艺评定为依据确定坡口种类、接头形式、焊接层数工艺的同时，还要根据珠光体钢和奥氏体钢的特点控制焊缝中的氢含量，减小熔合比，采取必要的焊前预热措施，选择合理的焊后热处理工艺以防止出现氢腐蚀、氢脆、氢诱发裂纹以及晶间腐蚀现象。
附：参考文献
1、张其枢，堵耀庭。《不锈钢焊接》。北京：化学工业出版社，2000:434～447。
2、中国机械工程学会.焊接手册(第二卷)。北京：机械工业出版社，2001:807～808
关键词：加氢反应器；焊接工艺；热处理工艺
中图分类号：TG15 文献标识码：A 文章编号：
加氢反应器是炼油工业的核心设备，由于它长期在高温、高压条件下工作，设计、工艺、加工制造以及生产操作等都有着极为严格的要求。反应器的制造成功，从某种意义上说是体现一个制造厂家总体技术水平的重要标志之一。过去，世界上只有少数工业发达国家能够制造。我国的炼油工业所采用设备，也基本从国外进口，价格十分昂贵。1982年，兰州石化完成了国产第一台热壁式加氢反应器的制作，开拓了我国制造加氢反应器的先河。但由于加氢反应器的关键性和高技术含量性，虽然经历20余年的发展，目前我国能生产该产品的企业仍然屈指可数。2008年，中原油田工程建设总公司金属结构厂承接并生产了山东德润化工有限集团公司制造的两台复合板容器:主加氢反应器和预加氢反应器，成功掌握了这一具有世界领先水平的生产制造技术，也填补了豫北地区不能生产加氢反应器的空白。
这两台容器主体材质为复合钢材15CrMoR+00Cr19Ni10，反应介质为苯、甲苯、二甲苯、氢气以及硫化氢，设计温度为280℃/550℃。由于容器本身长期处于高温状态下，对接焊缝金属极容易出现回火脆化、氢腐蚀、氢脆以及氢诱发裂纹现象，并且硫化氢介质的存在还可能导致晶间腐蚀及应力腐蚀。因此，焊接和热处理是整个制造过程中的重点和难点。
一、焊接性分析
容器主体材质为复合钢材---15CrMoR+00Cr19Ni10，它是由化学成分和物理性能有很大差异、焊接性也有重大差异的两层钢板组合而成的，因而不可能用单种焊接材料和焊接工艺进行焊接。而应将基层和覆层区别对待，基层的焊接采用与基层强度相匹配的焊条（或焊丝），其焊接工艺与相应的珠光体钢相同。根据对覆层不锈钢的性能要求，覆层焊缝金属的成分应当尽量与覆层钢板相同，同时要考虑两个问题：一是要考虑覆层不锈钢本身存在的焊接性问题。例如，在生产实践上常常防止焊缝出现热烈纹，不得不允许焊缝金属的成分稍稍偏离母材成分，以换取含有少量铁素体相的组织；二是要考虑基层对覆层焊缝的稀释作用，为了克服这一缺陷，合理的办法是在基层同覆层的结合面处设置一个过渡层，完成由基层到覆层的成分过渡。因此，不锈复合钢板焊接的关键问题在于处理好覆层与基层交界部位的焊接性，即过渡层的问题。另外，15CrMoR属于低合金珠光体耐热钢，在焊接过程中容易出现冷裂纹，热裂纹以及再热裂纹，因此在焊接时也需要采取相应措施。
为保证过渡层能完成化学成分由基层到覆层的过渡，很重要的是选择焊接材料和稳定工艺参数及保证熔合比。同时在考虑过渡层与覆层，基层的两个熔合区和焊接金属时，要使它们均达到对不锈复合钢板所要求的界面抗剪强度，所以过渡层宜薄不宜厚。而且还要防止由于覆层与基层金属之间的热特理性能（特别是膨胀系数）差别较大，而引起在焊后冷却过程中或今后服役过程中因温差应力而开裂。应当保证过渡层具有优良的塑性和韧性，使它能够起到吸收和缓冲力对两金属交界面的有害作用，避免焊接接头产生裂纹。
二、焊接工艺评定
1、焊接材料的选用
不锈复合钢板焊接材料的选择应综合考虑接头的组织应力、热应力分布对抗裂性的影响以及接头组织成分对耐腐蚀性的影响，为了获得纯奥氏体或奥氏体加少量一次铁素体组织的焊缝金属成分，运用舍夫勒焊缝组织图（图一）进行比较分析，用A302焊接过渡层，用A002焊接覆层金属。根据基层金属的特点，选用R307焊接基层金属。
2、焊接方法
珠光体钢与奥氏体钢焊接时应注意选用熔合比小、稀释率低的焊接方法，在一般生产条件下焊条电弧焊使用最方便，适应性强，而且熔合比调节范围小，因此主体焊缝过渡层及覆层采用熔合比较小的焊条电弧焊，降低焊缝的稀释程度，避免裂纹的产生。基层采用焊条电弧焊打底，埋弧焊缝盖面，保证焊缝外观成型美观。采用组合焊接方法达到了质量合格，外观成型好的双重目的。
3、坡口形式
根据容器本身壁厚以及减小熔合比的需要，容器主体A B类焊缝采用以下坡口形式：
图二坡口形式
4、焊前预热
为防止基层焊缝出现冷裂纹，焊前需进行预热，预热温度为150℃-200℃，预热方式采用电加热带加热，加热区域为坡口两侧各200mm范围内。测温方式采用远红外测温仪，待达到所要求的温度时开始焊接。焊件在整个焊接过程中不得低于预热温度。
5、焊接參数及焊接顺序
根据复合钢焊接的特点，一般先焊接基层，再焊接过渡层，最后焊接覆层。焊接基层时保持层间温度不得低于预热温度，焊接过程中防止焊接飞溅污损伤复层表面，不得在复层表面随意引弧。焊接过渡层前预热，温度为150-200℃，过渡层为2-4mm，如图一。焊接过渡层时控制高温停留时间，以防止出现马氏体组织。异种钢焊接时，如果母材存在着导致裂纹的硬脆化合物中间相或产生易淬火硬化的合金，则可能在焊接处萌生裂纹。因此为防止出现裂纹，应采用良好的工艺措施，使得熔合区过渡层比较薄，这种有害的组成相就会比较小或根本不形成，因此焊接过渡层采用小热输入，直线运条多层多道焊。
焊接参数如下表：
表 一
6、焊后热处理
金属的氢脆现象已比较为人们所关注，氢进入金属后，机械性能会发生明显的破坏，强度和塑性都有所降低，溶解于金属晶格中的氢，使钢在缓慢变形时发生脆性破坏，材料在氢环境下服役将会慢慢吸收氢。当残余应力与焊缝中的氢结合时将促使热影响区硬化，导致冷裂纹以及延迟裂纹的产生。对于焊缝中吸收的氢，比较有效的办法就是采取焊后热处理。它即可达到松弛和缓解焊接残余应力，改善焊缝金属及近缝区的组织和性能，提高焊缝金属的延性及断裂韧性，也可使焊接区及其附近的氢等有害气体扩散逸出。加氢反应器由于涉及到两种不同材质的焊后热处理，两种材料热处理制度本身又有较大的差异，因此在进行焊后热处理时要格外的慎重。
焊后消氢处理应在基层焊接完毕后立即进行，后热温度为200
℃-350℃，保温时间为2h。
而整体消应力退火应在整体焊接完毕后进行，热处理后不允许施焊。
耐热钢15CrMoR的热处理制度一般为600℃以上，保温时间根据JB/T4708-2000以及GB150-1998的规定进行最短保温时间的计算：
当δPWHT≤125mm 时，
h =δPWHT/25但最短时间不低于1/4h
奥氏体不锈钢00Cr19Ni10一般不进行焊后热处理，因为Cr-Ni型奥氏体不锈钢在400～850℃时保温或缓慢冷却时会发生严重的晶间腐蚀，这是由于晶界上析出富鉻的Cr23C6，使其周围基体形成贫鉻区造成的。钢中的含碳量越高，晶间腐蚀倾向越大。因为00Cr19Ni10含碳量WC≤0.03%，因此在400～850℃加热不会发生晶间腐蚀。
综合考虑两种材料的热处理制度，最终热处理制度定在保温温度660±20℃，保温时间为1h。热处理严格按照热处理工艺进行，热处理后24h进行100%RT探伤，以检测是否有再热裂纹产生。
7、晶间腐蚀试验
根据设计要求，焊接工艺评定试样在热处理后，依据GB/T4334.3-2000在北京钢铁研究总院进行了不锈钢65%硝酸腐蚀试验，实验结果为下表：
表 二
实验结果合格。
8、力学性能试验
对工艺评定试件进行了屈服强度、抗拉强度 、伸长率、 侧面弯曲、 低温冲击 、常温冲击等多项试验，实验结果如下表：
表 三
表 四
表 五
三、容器焊接工艺以及焊接措施
容器在焊接过程中，焊接工艺规程以焊接试验和焊接工艺评定为基本依据编制。
1、焊工要求
所有施焊焊工必须由持有相应焊工资格证，所焊项目应与其资格证书核准的项目相符，焊工必须严格执行焊接工艺规程。
2、焊接过程
1）、定位焊应在基层上进行，若发现定位焊缝出现裂纹或其他不允许存在的缺陷时应予铲除，并移位再焊。
2）、 焊接前对影响焊接质量的切割表面层应用冷加工方法去除，应按焊接工艺规程的技术要求对焊丝表面和坡口两侧至少100mm范围内的油污、锈迹、金属屑、氧化膜及其他污物用磨光机打磨干净或用有机溶剂清除，多层多道焊接时，必须清除前道焊缝表面的熔渣和缺陷。、焊接前必须清理干净热切割熔渣及氧化皮，切割面缺口应用砂轮修磨圆滑过渡，机械加工的边缘或坡口面焊前应清除油迹等污物，最好采用丙酮擦净坡口表面。焊丝表面应将防锈油清除干净，焊条及焊剂应严格按照焊接工艺规程及焊材产品说明书进行烘干。
3）、 焊接时，先焊基层，再焊过渡层，最后焊复合层。焊接基层时，其焊道不得触及和熔化复材，采用低热输入即小的热输入量焊接。焊接过渡层时，保证熔合良好的前提下，尽量减少基层金属的熔入量，采用较小直径的焊条及焊接线能量，过渡层厚度不得小于2mm。焊接复层时，尽可能保持表面平整、光洁。不锈钢焊接时层间温度保持60℃以下。内侧焊缝与母材圆滑过渡。
4）复材表面质量保护，在施工过程中要注意保护复材表面质量，在卷板、校圆时，应将滚轴表面清理干净，不得用铁锤锤击复层表面，要防止焊接飞溅污损伤复层表面，不得在复层表面随意引弧。
5）、 焊缝及热影响区表面不得有裂紋、未焊透、未熔合及咬边、弧坑、夹渣。
3、焊接缺陷返修， 同一部位返修不得超过两次，严格按照返修焊接工艺卡进行返修。
4、复层防污染措施
1）、在制造过程中，禁止不锈钢复合板复层与碳钢接触；
2）、焊接时严禁在复层侧进行引弧；
3）、在复层侧对接焊缝及接管焊缝附近涂刷白垩粉（石灰粉），防止飞溅污染复层。
四、容器热处理制度
容器热处理制度以焊接工艺评定热处理制度为依据进行，但工艺评定试件热处理保温时间不得小于容器热处理保温时间的80%。
五、结论
加氢反应器焊接工艺和热处理工艺要点是以焊接试验为基础选择合适的焊接材料控制碳迁移，以工艺评定为依据确定坡口种类、接头形式、焊接层数工艺的同时，还要根据珠光体钢和奥氏体钢的特点控制焊缝中的氢含量，减小熔合比，采取必要的焊前预热措施，选择合理的焊后热处理工艺以防止出现氢腐蚀、氢脆、氢诱发裂纹以及晶间腐蚀现象。
附：参考文献
1、张其枢，堵耀庭。《不锈钢焊接》。北京：化学工业出版社，2000:434～447。
2、中国机械工程学会.焊接手册(第二卷)。北京：机械工业出版社，2001:807～808