甲醇裝置用16MnDR低溫鋼的焊接

丁全有，楊菀娜，任世宏，張凱翔，張建曉

(蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730050）

0 前言

隨著石化工業(yè)的發(fā)展，新工藝、新設(shè)備不斷出現(xiàn)，對壓力容器的用材、設(shè)計、制造、檢驗、運輸和安裝都提出了新要求。石油化工設(shè)備用鋼要求在各種使用條件下具有一定強度的同時，更要保證足夠的塑性和低溫韌性。16MnDR鋼在主要強化元素Mn、Si的基礎(chǔ)上，通過添加微合金元素Nb和Ti，采用高潔凈度鋼的冶煉方法，通過控軋控冷卻和熱處理后得到的一種高韌性鋼種，其最低溫度達(dá)-46℃，在壓力容器、化工設(shè)備、車輛等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

甲醇洗滌塔進(jìn)料/塔底換熱器主殼體材料為16MnDR鋼板，其化學(xué)成分和力學(xué)性能要求見表1、表2，設(shè)計壓力 2.04 MPa，設(shè)計溫度-29 ℃，介質(zhì)為甲醇、碳酸氫，規(guī)格φ1400 mm×36 mm，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

表1 16MnDR化學(xué)成分 %

表2 16MnDR力學(xué)性能

圖1 甲醇洗滌塔進(jìn)料/塔底換熱器結(jié)構(gòu)簡圖

1 16MnDR低溫鋼的焊接特點

對不含鎳的低溫鋼16MnDR而言，由于其含碳量低，其他合金元素含量也較少，故其淬硬傾向和冷裂傾向都小，因而具有良好的焊接性能，一般可不預(yù)熱或用較低的預(yù)熱溫度來進(jìn)行焊接，當(dāng)板厚較厚或低溫環(huán)境下焊接時，才需要一定的預(yù)熱溫度。所以這一類鋼焊接時，只要選擇相匹配的焊材和合適的工藝，同時采用合適的焊接規(guī)范，使焊縫有較大的焊縫成形系數(shù)，即避免形成窄而深的焊道成形截面，可以保證焊縫及熱影響區(qū)的低溫韌性。

2 16MnDR低溫鋼的焊接要點

（1）采用小的焊接熱輸入量。

為避免焊縫及熱影響區(qū)形成粗大組織而降低其沖擊韌性，焊接時必須采用較小的焊接熱輸入量，具體要求是：焊接電流不宜過大；焊條電弧焊時，焊條盡量不擺動；采用窄焊道、多道多層焊和快速多道焊以減小焊道過熱，并通過多層焊的重復(fù)加熱作用細(xì)化晶粒。多層焊時嚴(yán)格控制層間溫度。

（2）選擇適當(dāng)?shù)暮附铀俣取?/p>

進(jìn)行埋弧自動焊時，采用合理的焊接速度。當(dāng)焊接速度較高時，熔池易形成典型的雨滴狀，且焊道成形變成窄而深的截面形狀，此時就易產(chǎn)生焊道中心的熱裂紋。

（3）避免咬邊缺陷。

表3 焊接材料及焊接工藝規(guī)范參數(shù)

低溫鋼焊接時注意避免弧坑、未焊透和咬邊等缺陷，這些缺陷在低溫條件下應(yīng)力作用時都會造成較大的應(yīng)力集中而引起脆性破壞。所以對于低溫壓力容器而言，不允許有任何尺寸的咬邊缺陷存在。

3 焊接工藝評定的制定

結(jié)合16MnDR低溫鋼的焊接特點和反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點，依據(jù)NB/T 47014-2011及換熱器技術(shù)條件，進(jìn)行了16MnDR低溫鋼的焊條電弧焊、埋弧焊的工藝評定。

經(jīng)多次焊接試驗后，在厚度δ=38 mm的16MnDR低溫鋼上分別進(jìn)行了焊條電弧焊、埋弧焊的工藝評定，焊接材料和工藝規(guī)范參數(shù)見表3。焊后經(jīng)消除應(yīng)力處理后對焊接試板進(jìn)行了化學(xué)成分、力學(xué)性能的檢測。試驗結(jié)果分別見表4、表5，結(jié)果為合格。

表4 焊縫金屬化學(xué)成分 %

表4、表5結(jié)果表明，焊縫金屬化學(xué)成分、焊接接頭力學(xué)性能均滿足NB/T 47014-2011及換熱器產(chǎn)品技術(shù)條件要求，證明所選用焊接材料、制定的焊接及熱作工藝正確合理。

表5 焊接接頭力學(xué)性能

4 產(chǎn)品焊接

在工藝試驗和工藝評定的基礎(chǔ)上，制定了嚴(yán)格的包含多項質(zhì)量檢查點的16MnDR低溫鋼焊接作業(yè)指導(dǎo)書，指導(dǎo)控制了換熱器的焊接全過程。事實證明，焊縫成形美觀，無損檢測合格率高，各項技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計和工藝控制要求。

5 結(jié)論

正確選用焊接材料、嚴(yán)格控制焊接熱輸入量以及制定合理的焊接工藝是16MnDR低溫鋼焊接的關(guān)鍵。通過對16MnDR低溫鋼的焊接工藝試驗、焊接工藝評定及產(chǎn)品的施焊，各項技術(shù)指標(biāo)均滿足要求，證明所選用的焊接方法、焊接材料及焊接工藝正確合理，達(dá)到了產(chǎn)品設(shè)計的各項技術(shù)指標(biāo)。