高厚度15MNNBR鋼的焊接

余建華

(浙江江能建設(shè)有限公司,浙江 杭州 310020)

0 引 言

云南楚雄多底河水電站位于云南省楚雄州大姚縣境內(nèi),壓力管道主管直徑D=1.2～1.0 m,鋼管壁厚8～52 mm,設(shè)計額定水頭977 m,由洞內(nèi)埋管、洞內(nèi)明管、露天明鋼管、外包混凝土鋼管組成.鋼管材料根據(jù)不同水頭段分別采用16MnR鋼和15MnNbR鋼,其中▽1 547.33 m～▽1 138.2 m高水頭段采用15MnNbR鋼板,鋼板厚度為28～52 mm.15MnNbR鋼是一種強度高于16MnR鋼,且具有高韌度的正火壓力容器鋼.作為近幾年來國內(nèi)研制開發(fā)的壓力容器用鋼,其力學性能、抗硫化氫應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)良,使用性能可靠.但此種材質(zhì)高厚度板用于大批量制作水電站壓力鋼管,其焊接工藝正處于探索階段.主要難點是：其焊接工藝嚴格要求焊接前必須有恰當?shù)摹邦A(yù)熱”、焊后還須“后熱”保溫,尤其是焊接過程中要有層間溫度控制等要求,否則就極易產(chǎn)生裂紋等缺陷.

1 材料特性

1.1 鋼材特性

15MnNbR鋼屬于低焊接裂縫敏感性鋼,屈服強度為370MPa,抗拉強度為 520～650 MPa[1].在研究確定此類鋼板的焊接工藝之前,必須對其力學性能和化學成分進行分析,以便下一步在焊接材料選擇、焊接參數(shù)的確定以及焊接工藝的評定等等方面得到參考.15MnNbR鋼的力學性能及化學成分見表1 、表2.

1.2 配套焊接材料的選擇

通過對15MnNbR鋼的力學性能及化學成分等特性分析,為了保證焊接過程中不產(chǎn)生裂紋等,經(jīng)過對J507焊條和H10 Mn2埋弧焊絲兩種熔敷金屬化學成分分析比較,見表3,根據(jù)各自擴散氫含量的比較,上述焊接材料與母材鋼板相匹配.

表1 15MnNbR鋼力學性能指標表

表2 15MnNbR鋼材化學成分表 %

表3 J507焊條和H10Mn2埋弧焊絲的化學成分比照表

經(jīng)過對比,手工焊焊接材料選擇J 507低氫焊條,而自動埋弧焊焊接材料選擇和SJ101焊劑.兩種焊接方法采用直流反接,可進行全位置焊接.

2 鋼板焊接參數(shù)的確定

15MnNbR鋼碳當量較高,可焊性較低,焊接時需要預(yù)熱才能防止焊接裂紋.焊接過程中必需嚴格控制焊接預(yù)熱、后熱溫度、層道間溫度及熱能量輸入等工藝參數(shù).通過對這種鋼板的產(chǎn)品質(zhì)量證明書中化學成分的統(tǒng)計及復檢驗算,其冷裂紋敏感系數(shù)Pcm值0.18%～0.28%.為確定鋼材焊接工藝參數(shù),對預(yù)熱溫度進行了計算,計算時采用鋼材生產(chǎn)廠——河南舞陽鋼鐵有限公司及國內(nèi)廣泛使用的日本焊接協(xié)會(JIS)標準規(guī)定的公式.為使計算結(jié)果有更大的覆蓋性,參數(shù)計算數(shù)據(jù)選用參數(shù)中的最大值.

2.1 計算所用公式碳當量

CE(JIS)(%)=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14;

冷裂紋敏感系數(shù)：Pcm(%)=C+Si/30+Mn/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B+Cu/20;

冷裂紋敏感性值：Pc(%)=Pcm+〔H〕/60+δ/600,式中〔H〕為熔敷金屬中擴散氫含量(取4 mL/100 g),δ為被焊金屬的板厚(取28～34 mm);

預(yù)熱溫度：T0=1 440 Pc-392(℃);

熱裂紋敏感系數(shù)：HCS=C×(S+P+Si/25+Ni/100)(/3Mn+Cr+Mo+V)×1 000;以上公式中預(yù)熱溫度T0及冷裂紋敏感性值Pc適用于δ=20～50 mm的鋼板[2].

2.2 相關(guān)參數(shù)的計算結(jié)果

15MnNbR鋼碳當量CE(JIS)極值為0.52%,理論計算按化學成分表中最大值計算,采用的鋼板CE實際值約為0.48%左右,沒有超過0.5%.

冷裂紋敏感系數(shù) Pcm極值為0.2%,通過對極值的驗算,得出冷裂紋敏感性值為Pc=0.353%.

當板厚為28 mm時,預(yù)熱溫度計算值 To=86.9℃.

熱裂紋敏感系數(shù)HCSmax=1.137＜2,熱裂紋敏感性較低,熱裂傾向可不考慮[3].

2.3 溫度參數(shù)的確定

(1)預(yù)熱溫度 廠家推薦的預(yù)熱溫度為≥50℃(當板厚在 25～30 mm時),計算的預(yù)熱溫度為86.9℃,因為計算時(H)熔敷金屬中擴散氫含量取值較大,而配套使用的J507焊條(四川大西洋焊條股份公司)的熔敷金屬中擴散氫含量(H)值未超過4 mL/100g.綜合以上資料及計算,考慮到鋼管制作地在云南楚雄南華縣開發(fā)區(qū),當?shù)匕滋祜L力較大,早晚溫差較大,為確保焊接質(zhì)量,將焊前預(yù)熱溫度確定為100～120℃.

(2)層間溫度 焊縫層間溫度不低于預(yù)熱溫度,同時不高于230℃,保持在120℃～200℃之間.

(3)焊后熱處理溫度及時間 焊后用石棉布包裹,使焊縫在250～300℃條件下保溫1 h后緩冷.

(4)在前期鋼管制作過程中 預(yù)熱采用氧氣、乙炔火焰加熱,但發(fā)現(xiàn)焊接后生產(chǎn)裂紋等缺陷較多.后改為10 kW履帶式陶瓷電加熱帶加熱,配紅外線測溫儀測溫,預(yù)熱均勻,有效避免了裂紋等焊接缺陷.

3 焊接工藝評定

3.1 坡口的加工

手工焊的坡口形式為不對稱X形,而自動埋弧焊的坡口形式為雙面U型坡口,坡口加工方法為先用半自動熱切割,再用砂輪機打磨去除氧化層,露出金屬光澤(以厚度30 mm為例,見圖1).厚度在28 mm以下可以采用單面V型坡口.

圖1 U型坡口示意圖

3.2 焊接材料

手工焊的焊接材料選用J507型焊條,而自動埋弧焊的焊接材料選用H10Mn2埋弧焊絲和SJ101焊劑.焊條和焊劑使用前經(jīng)350～400℃烘焙1h,烘干后放入100～150℃保溫箱內(nèi)隨用隨取.

3.3 焊接設(shè)備

手工焊焊接采用ZX7-400/500型逆變焊條電弧焊,直流反接.自動埋弧焊采用ZD5-1250型埋弧焊機.

3.4 焊接前準備工作

(1)焊前將焊縫兩側(cè)50～100 mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹等污物清除干凈,每層焊道間和清根后的坡口也應(yīng)及時清理.

(2)焊接前用10 kW履帶式陶瓷電加熱帶將焊縫加熱到100～120℃.

(3)焊縫層間溫度不低于預(yù)熱溫度,不高于230℃.

(4)按GB/T18591-2001規(guī)定,溫度在加熱面的背面上測定.測點位于母材任意方向上的相應(yīng)位置至少距離坡口75 mm,預(yù)熱與后熱范圍為焊縫兩側(cè)＞100 mm范圍內(nèi).自動溫控設(shè)備設(shè)置溫度最高點和最低點,并設(shè)專人用手持紅外測溫儀巡檢溫度,以監(jiān)測自動溫控設(shè)備工作是否正常,確保焊接全過程的溫度參數(shù)正確.

3.5 焊接方法及焊接順序

3.5.1 焊接順序

焊縫由縱向分兩段錯縫焊接,將焊縫分成兩段,每層焊道先焊接上段1/2后,再焊完下段,最后將上段剩余1/2焊完,在側(cè)焊完成后對背縫進行清根處理,將先焊側(cè)第1層焊道清除.清根后檢查焊道夾渣、氣孔、末溶合等缺陷,清除熔渣,用角磨機修磨刨槽,除去滲碳層,進行后續(xù)焊接,見圖2.

圖2 焊接順序示意圖

3.5.2 焊接操作注意事項

焊縫起弧及熄弧處均設(shè)引弧熄弧板,焊接時采用短弧連續(xù)焊;焊條擺動范圍＜5倍焊條直徑,焊接的引弧與熄弧在焊道內(nèi)完成;多層焊層道間接頭均錯開30 mm以上.焊完除去熔渣后,檢查每層焊道熔合線上是否與母體良好過渡.如有夾溝、焊瘤,均打磨平整后再繼續(xù)焊接.

3.5.3 碳弧氣刨操作注意事項

清根采用 Φ 10～12 mm的碳棒,電流 I=400～500 A直流反接,氣體壓力0.5 MPa.碳棒伸出長度70～100 mm,當燒損20～30 mm后進行調(diào)整,清根時保持一定的電弧長度.清根后焊道底部留有5 mm直徑以上圓弧過度,坡口的成形滿足焊接質(zhì)量要求.

3.5.4 焊縫層、道數(shù)設(shè)計

每層焊道厚度≤5 mm,寬度不超過5倍焊條直徑,大坡口焊縫4層(5道),清根焊縫3層,層道數(shù)的理論安排只作為參照,可根據(jù)實際情況進行增加與調(diào)整(以實際現(xiàn)場鋼板厚度30 mm為例),見圖3.

3.5.5 焊后后熱

焊后用石棉布包裹使焊縫在250～300℃條件下保溫1 h后緩冷.

3.5.6 焊接工藝參數(shù)及電特性

焊接工藝采用參數(shù)見表4.

圖3 焊縫層與道數(shù)設(shè)計示意圖

表4 焊接工藝采用參數(shù)比較

4 焊縫檢驗

(1)焊縫外觀全部滿足DL5017-2007的規(guī)定,并填寫《焊縫外觀檢測表》.

(2)為防止有延遲裂紋傾向產(chǎn)生,無損探傷全部在焊接完成24 h以后進行.

(3)為保證高水頭電站壓力鋼管焊縫質(zhì)量,無損探傷檢驗按照發(fā)包方與承包方簽訂的技術(shù)協(xié)議要求,在DL/T5017-2007規(guī)范基礎(chǔ)上提高了檢驗標準.所有焊縫都進行100%超聲波無損探傷,同時對15MnNbR管道的縱縫進行50%射線無損探傷,對15MnNbR管道的環(huán)縫進行20%射線無損探傷,對所有T型縫進行100%射線無損探傷.

(4)經(jīng)探傷檢驗超出規(guī)范的焊縫缺陷,由探傷人員負責簽發(fā)焊縫返修通知單,并由質(zhì)管部門根據(jù)缺陷部位和缺陷性質(zhì)制定合理的返修措施,返修結(jié)果填入《焊縫缺陷返修記錄》.

(5)返修部位用碳弧氣刨出槽后用砂輪機打磨.除去滲碳層后進行修復焊接,并符合焊前預(yù)熱、焊后保溫和焊接規(guī)范.

(6)同一部位返修次數(shù)不超過2次.若超過2次,找出原因,制定可靠的技術(shù)措施,并經(jīng)廠技術(shù)負責人審核,監(jiān)理工程師批準后才實施返修.

6 熱卷工藝

根據(jù)《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》(DL/T5017-2007)要求,鋼管瓦片允許冷卷的最小徑厚比為：15MnNbR鋼屈服強度在350～450N/mm2之間,要求 D≥40 δ[4],而本工程 15MnNbR 材質(zhì)的壓力鋼管直徑為Ф 1 000～1 200 mm,厚度為28～34 mm.按規(guī)范要求,15MnNbR鋼板實際卷制時采用了熱卷工藝,鋼板下料及坡口處理完畢后用電加熱爐加溫至200～300℃,再利用W11S-60×3 200萬能式三輥卷板機進行熱卷,保證了鋼板的性能.

7 結(jié) 語

本焊接工藝在工程實踐中取得了良好的結(jié)果,根據(jù)本工藝編寫的焊接規(guī)程已經(jīng)用于指導多底河水電站高水頭、高厚度的15MnNbR鋼壓力鋼管的焊接施工,廠內(nèi)焊縫一次合格率達到95.7%,安裝全位置焊縫一次合格率為97%,通過第三方進行的焊縫超聲波、射線檢驗,以及配合滲透及磁粉等綜合檢驗,證明本焊接工藝具有可操作性強、質(zhì)量可靠的特點,對高水頭、高厚度的水電站15MnNbR壓力鋼管焊接施工具有借鑒和指導意義.

[1]李 紅,王曉虎,秦曉鐘,等.GB713-2008鍋爐與壓力容器用鋼板[S].北京：中國標準出版社,2008.

[2]《鋼鐵熱處理》編寫組.鋼鐵熱處理原理及應(yīng)用[M].上海：上海科學技術(shù)出版社,1979.

[3]曾 樂.現(xiàn)代焊接技術(shù)手冊[M].上海：上?？茖W技術(shù)出版社,1993.

[4]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T5017-2007水利水電工程壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范[S].北京：中國電力出版社,2007.