15MnNiNbDR鋼制乙烯球罐組焊技術(shù)

王傳標(biāo)

(合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 230088)

15MnNiNbDR鋼制乙烯球罐組焊技術(shù)

王傳標(biāo)

(合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 230088)

采用-50℃的15MnNiNbDR國產(chǎn)鋼用于2 000 m3乙烯球罐的制造，通過分析該鋼的焊接性，焊接工藝評定研究以及實(shí)際生產(chǎn)的應(yīng)用等，總結(jié)了該鋼的焊接工藝以及現(xiàn)場焊接施工的關(guān)鍵點(diǎn)。實(shí)踐表明：該焊接工藝符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠用于指導(dǎo)乙烯球罐的焊接生產(chǎn)，確保了乙烯球罐的產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)對以后該鋼種用于球罐焊接有一定的參考價(jià)值。

15MnNiNbDR鋼；焊接性；焊接工藝

0 前言

隨著石油化工行業(yè)的發(fā)展，盛裝低溫介質(zhì)的壓力容器也日益增多，在球罐大型化、低溫化的趨勢下，我國建設(shè)大型球罐的球片和鋼板主要依靠進(jìn)口，為實(shí)現(xiàn)大型球罐國產(chǎn)化，合肥通用機(jī)械研究院與武漢鋼鐵集團(tuán)公司合作開發(fā)了-50℃15MnNiNbDR (WHD3)鋼板，該鋼板于2008年在天津石化乙烯項(xiàng)目中第一次大規(guī)模應(yīng)用。球罐主要參數(shù)：公稱體積2 000 m3，內(nèi)徑15 700 mm，設(shè)計(jì)壓力1.95 MPa，設(shè)計(jì)溫度-45℃，殼體材質(zhì)15MnNiNbDR，壁厚47 mm，十支柱四帶混合式結(jié)構(gòu)，單臺球罐共54塊球殼板。由于該鋼種還處在應(yīng)用初期，其工藝和關(guān)鍵控制點(diǎn)尚未成熟，本研究從鋼材的焊接性、焊材匹配、合理的焊接工藝措施等方面進(jìn)行了相應(yīng)的探討和研究，并介紹了焊接過程中的質(zhì)量控制。

1 球殼板材料焊接性分析和焊材的選用

1.1 球殼板材料焊接性分析

殼體材質(zhì)15MnNiNbDR鋼板的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。根據(jù)國際焊接學(xué)會(huì)碳當(dāng)量(單位：%)計(jì)算公式

以及冷裂紋敏感指數(shù)(單位：%)公式

表115 MnNiNbDR的化學(xué)成分 %

表215 MnNiNbDR鋼板的力學(xué)性能

可得CE＝0.42%，Pcm＝0.33%。由15MnNiNbDR鋼板的CE和Pcm結(jié)合表1、表2可知：15MnNiNbDR含碳量低，碳當(dāng)量和冷裂紋敏感指數(shù)都不高，淬硬傾向小，產(chǎn)生冷裂紋的傾向小，且強(qiáng)度高，韌性好，焊接性優(yōu)良。但是由于該鋼種合金成分的組成有一定的再熱裂紋傾向。因此焊接工藝的重點(diǎn)是防止再熱裂紋，在采取一定的預(yù)熱和后熱措施保證不產(chǎn)生冷裂紋的情況下，盡量采取較低的焊接線能量施焊，嚴(yán)格控制層間溫度，以保證有充足的塑性和韌性。

1.2 焊接材料的選擇

15MnNiNbDR鋼具有較高的強(qiáng)度和韌性，這就要求與其配套的焊接材料在保證焊接接頭具有高強(qiáng)度的同時(shí)，沖擊韌性也要有較大的儲備。在建造2 000 m3乙烯球罐中，還要求焊接材料具有良好的焊接性和較低的焊接裂紋敏感性。參照其機(jī)械性能(見表2)，選擇φ 4.0 mm的PP.J557RH焊條進(jìn)行焊接試驗(yàn)，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表3所示。

表3 PP.J557RH焊材的化學(xué)成分和力學(xué)性能

2 焊接工藝評定

2.1 斜Y型坡口焊接冷裂紋試驗(yàn)

斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)按GB4675.1-84《斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》進(jìn)行，主要用于評價(jià)厚板多層焊根部焊道的冷裂紋敏感性。

對于板厚47 mm的15MnNiNbDR鋼板，采用直徑φ 4mm的PP.J557RH焊條，按《斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》的要求焊接試板。共制作了6塊試板，其焊接工藝參數(shù)為：焊接電流170 A，電弧電壓24 V，焊接速度150 mm／min，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果

由于Y型鐵試驗(yàn)拘束度較大，一般認(rèn)為，當(dāng)裂紋率小于20%時(shí)，實(shí)際結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生冷裂紋[1]。由斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果可見：在6個(gè)小鐵研試樣中，室溫時(shí)，有一個(gè)試樣的根部裂紋率達(dá)到20.53%，有出現(xiàn)冷裂紋的傾向；在預(yù)熱75℃以上時(shí)，未出現(xiàn)斷面和根部裂紋，故在用PP.J557RH焊接47 mm厚的5MnNiNbDR鋼板時(shí)，預(yù)熱溫度應(yīng)在75℃以上。結(jié)合施工技術(shù)條件，在天津石化的2 000 m3乙烯球罐制造工程中，預(yù)熱溫度控制在125℃以上，能夠有效避免實(shí)際焊縫出現(xiàn)冷裂紋。

2.2 焊接工藝參數(shù)

按照J(rèn)B4708-2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》和GB12337-1998《鋼制球形儲罐》，并結(jié)合15MnNiNbDR鋼焊接性分析和斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)，對厚47 mm的15MnNiNbDR鋼進(jìn)行焊接工藝評定，評定后的工藝參數(shù)為：預(yù)熱溫度大于等于125℃，層間溫度125℃～180℃，后熱溫度200℃～250℃，保溫時(shí)間1 h，其焊接規(guī)范參數(shù)如表5所示。

表5 焊接規(guī)范參數(shù)

3 現(xiàn)場焊接和控制要點(diǎn)

3.1 對焊工的要求

球罐焊縫為全位置焊接，焊接難度較大，對焊工的技能熟練程度要求高，因此參加該工程球罐焊接的焊工必須通過國質(zhì)檢[2002]109號《鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試管理規(guī)則》規(guī)定的考試，焊工資格經(jīng)業(yè)主組織焊工培訓(xùn)且考核合格后，方能參加球罐的焊接工作。

3.2 嚴(yán)格控制焊接線能量為了使15MnNiNbDR焊接接頭具有良好的低溫韌性，應(yīng)盡量使鋼材原有的熱處理效果不受到較大的損傷，必須嚴(yán)格控制線能量。焊接線能量增大，冷裂紋傾向減小，但線能量過大，熱影響區(qū)易產(chǎn)生過熱組織，裂紋傾向也會(huì)增大；焊接線能量過小，熱影響區(qū)易產(chǎn)生馬氏體組織，冷裂紋傾向增大，因此現(xiàn)場焊接時(shí)，平焊、立焊和仰焊要求焊接線能量在12～35 kJ／cm，橫焊要求焊接線能量在12～

30 kJ／cm。

3.3 加強(qiáng)對焊接裂紋的控制

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，球形儲罐焊縫表面裂紋發(fā)生概率為78%。裂紋長度小于等于10 mm、深度3 mm左右的小裂紋大多發(fā)生在夾具定位焊以及補(bǔ)焊部位，因此在焊接夾具定位焊和補(bǔ)焊時(shí)，夾具定位焊必須將球殼板表面油漆徹底清除，引弧點(diǎn)和熄弧點(diǎn)應(yīng)在夾具焊道上，以免損傷母材，同時(shí)應(yīng)采用與球殼焊縫相同的焊接材料和焊接工藝。

3.4 采用多層焊道和回火焊道

采用多層多道焊可提高焊接速度，從而降低焊接線能量。多層焊時(shí)，后層對前一層有消氫和改善熱影響區(qū)組織的作用，前層焊道對后層焊道有預(yù)熱作用，這樣除了蓋面焊道和底層焊道的熱影響區(qū)具有較高的冷卻速度外，中間各層焊縫施焊時(shí)，熱影響區(qū)的冷卻速度均較低。因此只要控制好蓋面焊道和底層焊道不出現(xiàn)裂紋，中間焊接時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)裂紋，為防止底層出現(xiàn)裂紋，要控制好預(yù)熱，同時(shí)增加底層焊的厚度。為防止蓋面焊道出現(xiàn)裂紋以及產(chǎn)生淬硬組織，則需要在蓋面焊道上加焊一道回火焊道。

4 焊后無損檢測和焊后熱處理

焊接結(jié)束36 h后，對球罐對接接頭進(jìn)行100% X射線檢測，為避免焊后應(yīng)力集中，將全部對接焊縫內(nèi)外表面均打磨至與母材齊平(不低于母材)，角焊縫需打磨圓滑過渡，檢測底片采用細(xì)晶粒度T2膠片，按JB／T4730.2-2005《承壓設(shè)備無損檢測》要求，Ⅱ級合格。現(xiàn)場合格率99%以上，沒有出現(xiàn)裂紋片。

為了消除焊接應(yīng)力，進(jìn)一步改善焊接接頭性能，焊后進(jìn)行了高溫回火處理，焊后整體熱處理溫度為585℃±15℃，恒溫時(shí)間2 h。當(dāng)溫度處于400℃以上，升溫時(shí)速度控制在50℃～80℃／h，降溫時(shí)速度控制在30℃～50℃／h，且升降溫期間任意兩熱電偶的溫差不得大于130℃；當(dāng)溫度處于400℃以下降溫時(shí)，自然冷卻。

5 產(chǎn)品試板力學(xué)性能試驗(yàn)

按JB4708-2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》和技術(shù)規(guī)范要求，每臺球罐需要焊制3塊產(chǎn)品試板，包括橫焊、立焊和仰焊各一塊。根據(jù)技術(shù)要求，對焊接工藝試板進(jìn)行585℃±15℃焊后熱處理，保溫時(shí)間2 h。

按照J(rèn)B4744-2000《鋼制壓力容器產(chǎn)品焊接試板的力學(xué)性能檢驗(yàn)》進(jìn)行力學(xué)性能檢測，其拉伸、彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 焊接產(chǎn)品試板的力學(xué)性能檢測結(jié)果

低溫沖擊按照GB／T229-1994《金屬夏比沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。從表6可以看出，-50℃下V型沖擊功均值，橫焊的焊縫和熱影響區(qū)分別為78 J、158 J，立焊的焊縫和側(cè)熱影響區(qū)處為70 J、146 J，平仰的焊縫和側(cè)熱影響區(qū)處為82 J、165 J，均滿足技術(shù)條件要求。

6 結(jié)論

(1)15MnNiNbDR鋼具有良好的焊接性，預(yù)熱溫度達(dá)到125℃，嚴(yán)格控制層間溫度，不會(huì)產(chǎn)生冷裂紋。

(2)焊接線能量和焊后熱處理對材料的性能尤其是低溫沖擊韌性有一定的影響，因此在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)對工藝措施的控制。

(3)熱處理后的產(chǎn)品試板力學(xué)性能和焊后的磁粉檢驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，說明此工藝的可行性，為以后此類低溫球罐的熱處理提供了借鑒。

[1] 蘇 立，苑宏智.1 000 m3球形氧氣儲罐現(xiàn)場組焊技術(shù)[J].包鋼科技，2008，38(3)：67-69.

Welding technology of 15MnNiNbDR steel alloy th ethylene spherical tank

WANG Chuan-biao
(Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230088，China)

-50℃15MnNiNbDR steel alloy was applied the 2 000 m3ethylene spherical tank.Through the analysis of weldability，welding procedure qualification，as well as the application of actual production.The welding process and the key point of welding were summed up.The practice shows that the welding process in line with relevant technical standards can be used to guide welding of the spherical tank and ensure product quality.While the article has some referential significance to the steel alloy with the spherical tank welding.

15MnNiNbDR steel alloy；weldability；welding process

TG406

B

1001-2303(2010)02-0081-03

2009-12-15

王傳標(biāo)(1981—)，男，安徽太和人，在讀碩士，主要從事壓力容器的焊接、制造、安裝等相關(guān)研究。