從封頭壓裂談13MnNiMoR復(fù)合板的制造工藝

趙紅濤 賈巧娟

（陜西榆林中煤能源化工有限公司，陜西 榆林718500）

1 問題的提出

某壓力容器制造廠在壓制洗滌塔球形封頭的過程中，發(fā)生了沿拼接焊縫開裂，開裂長度為600mm左右。

封頭材料為13MnNiMoR+316L復(fù)合板，厚度為50+3mm，封頭成型后內(nèi)徑為3600mm，由于受到復(fù)合板幅面限制，該封頭由三塊板拼焊而成，即整個封頭有兩條拼接焊縫，采用先拼接后整體壓制的制造工藝。

該廠采用的加工工藝為：封頭在正火溫度下壓制，封頭壓制完畢后按照原基板即13MnNiMoR的要求進(jìn)行正火+回火熱處理。熱處理后用碳弧氣刨的方法將原焊縫全部剔除，然后采用手工電弧焊拼接焊縫。

事故發(fā)生后，該廠采用了整改措施：采用碳弧氣刨的方法將整條開裂的焊縫刨除，打磨去除焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)各10mm范圍，將加工坡口進(jìn)行100%MT檢測，并對距焊縫兩側(cè)邊緣各100mm范圍進(jìn)行超聲波檢測，兩種檢測方法均應(yīng)達(dá)到I級合格。采用手工焊的方式，焊前預(yù)熱焊后消氫熱處理。焊接完成后將焊縫余高打磨至與母材平齊。采用超聲波檢測焊縫質(zhì)量，合格后按照原規(guī)定的壓制溫度進(jìn)行壓制。冷卻后再進(jìn)行正火+回火熱處理以恢復(fù)板材的力學(xué)性能。

2 13MnNiMoR的材料性能

13MnNiMoR是中低溫壓力容器用鋼板，具有較高的強(qiáng)度指標(biāo)、良好的抗沖擊韌性、良好的焊接性能及機(jī)加工性能。13MnNiMoR鋼多用于厚壁大型壓力容器，焊接接頭均應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力處理。

13MnNiMoR的化學(xué)成分如下：

表1

該鋼是在C-Mn鋼的基礎(chǔ)上，添加Mo、Cr、Ni、Nb等溶于鐵素體的元素。Mn、Si、Cr、Ni主要起固溶強(qiáng)化作用，增加了機(jī)械強(qiáng)度；Mo、Cr、Nb提高了鋼在中溫下的強(qiáng)度，同時Nb起到細(xì)化晶粒的作用；而Ni的加入改善了該鋼的低溫韌性。

根據(jù)國際焊接協(xié)會碳當(dāng)量計算公式Ce=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15得出13MnNiMoR的碳當(dāng)量為0.573%，表明該鋼具有較大的冷脆傾向。該鋼在焊接時需要采取焊前預(yù)熱、焊后消氫等工藝措施。

13MnNiMoR的力學(xué)性能和工藝性能：

表2

13MnNiMoR的高溫力學(xué)性能（表3）。

從上面兩個表看出，13MnNiMoR具有較好的力學(xué)性能和較高的熱強(qiáng)性，尤其是其具有較高的應(yīng)力值，適合用于高壓容器、殼體壁厚較大且使用溫度不超過400℃的場合。

表3

3 原因分析

該廠在封頭制造過程中存在下列問題：

3.1 13MnNiMoR+316L復(fù)合板僅將基層進(jìn)行了拼焊，未將316L覆層進(jìn)行拼焊，且壓制前在覆層處嵌入不銹

兩種材料的線膨脹系數(shù)不同，316L的線膨脹系數(shù)約為碳鋼的1.3倍（400℃時），且316L是在封頭內(nèi)部，封頭壓制過程中內(nèi)層被壓縮，外層被拉長，又因封頭是在正火狀態(tài)下壓制造，覆層316L的壓縮量更大，勢必會造成基層內(nèi)應(yīng)力的增加。該廠未焊接覆層，反而在覆層處嵌入不銹鋼扁鋼，更加大了基層的應(yīng)力值，造成基層焊縫的開裂也就不足為奇了。

3.2 封頭平板拼接后進(jìn)行超聲波探傷，未進(jìn)行100%射線探傷。

GB150明確規(guī)定：設(shè)計壓力大于或等于1.6MPa的III類容器的A類和B類焊縫進(jìn)行100%射線或超聲檢測。因為超聲檢測的質(zhì)量主要取決于檢測人員的水平，所以在工程中一般不采用超聲，而采用射線檢測。本設(shè)備圖紙中規(guī)定100%射線檢測。該廠的做法也為封頭開裂埋下了伏筆。

3.3 對于有覆層的封頭，該廠一貫采用只焊基層，不焊覆層的做法，在封頭壓制成型后，再將基層的焊縫刨去，按照工藝評定參數(shù)重新對封頭的基層和覆層進(jìn)行焊接。

此做法一是增加了工作量，二是反復(fù)的高溫加熱造成合金燒損，致使材料性能惡化，尤其對于高合金鋼和高強(qiáng)度材料。

3.4 未按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行熱處理。

GB150規(guī)定：任意厚度的13MnNiMoR需進(jìn)行焊后熱處理，而該廠只對拼接焊縫進(jìn)行了消氫處理，以至造成焊縫內(nèi)部應(yīng)力過高，也為焊縫開裂創(chuàng)造了條件。

事故發(fā)生后，該廠被要求對封頭進(jìn)行更換或切去封頭小部分及開裂焊縫200mm處，重新對切除部分下料壓制完成后拼焊。該廠未予理睬，而是將開裂焊縫兩側(cè)各10mm范圍內(nèi)打磨去除后重新焊接。首先，考慮板材厚度，焊縫的熱影響區(qū)不可能只有10mm，這將造成焊縫熱影響區(qū)重疊，反復(fù)焊接對合金造成燒損，進(jìn)而影響材料性能。其次，兩焊件之間的間隙達(dá)20mm，很難保證焊縫的機(jī)械性能。

4 結(jié)論

13MnNiMoR+316L復(fù)合板的焊接是一個難題，除了要解決線膨脹系數(shù)不同的問題，還要防止基層13MnNiMoR焊接時產(chǎn)生裂紋。

在鍋爐壓力容器制造中采用13MnNiMoR+316L復(fù)合板的，要注意以下幾方面的問題：

4.1 焊材的選擇

依據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和生產(chǎn)廠家長期使用的成功經(jīng)驗分別對基層和覆層分別選用合適焊材。為保證焊接質(zhì)量，防止合金稀釋，應(yīng)在基層和覆層之間增加過渡層，過渡層焊材應(yīng)保證熔敷金屬的主要元素合金含量不低于覆層母材標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值。同時，由于保證機(jī)械強(qiáng)度的是復(fù)合板基層，需要在選擇焊材時充分考慮焊縫的強(qiáng)度，尤其是焊接熱處理后的機(jī)械強(qiáng)度與基材相匹配。

4.2 計算覆層的伸長量，尤其是在熱加工狀態(tài)下，加工坡口時去除部分覆層，以保證加工過程中兩側(cè)的覆層不發(fā)生擠壓。

4.3 焊前預(yù)熱、焊后熱處理

焊前將焊接坡口兩側(cè)各不小于100mm的范圍內(nèi)預(yù)熱150℃~200℃；焊接過程中層間溫度保持在200℃~250℃，每條焊縫焊接完成后立即進(jìn)行350℃~400℃x2.5h消氫熱處理；全部焊接結(jié)束后進(jìn)行630℃10℃保溫不少于2.5h（具體保溫時間根據(jù)材料厚度確定）的消除應(yīng)力熱處理，封頭的焊后熱處理應(yīng)在焊接完成后、封頭壓制前完成。

4.4 根據(jù)板材厚度選用合適的焊接坡口

4.5 按照工藝評定合格的參數(shù)進(jìn)行焊接操作并保證焊接過程平穩(wěn)

4.6 覆層焊接完成后，進(jìn)行酸洗鈍化處理，以保證覆層耐腐蝕

4.7 焊接完成后進(jìn)行100%射線檢測

4.8 封頭壓制成型后，應(yīng)重新進(jìn)行回火處理

其他材料的復(fù)合板在加工過程中，對以上事項也應(yīng)予以充分考慮。

［1］周群英.13MnNiMoNbR鋼板在鍋爐壓力容器制造中的應(yīng)用[J].發(fā)電設(shè)備，2001，2.

［2］王淑華,等.13MnNiMoNbR高強(qiáng)鋼的焊接[J].焊接技術(shù),2008,3.

［3］龔正春.熱處理對13MnNiMoNbR鋼板性能的影響[J].壓力容器,2002,1.

［4］王晉生,等.高強(qiáng)鋼13MnNiMoNbR材料性能分析與應(yīng)用[J].大型鑄鍛件,2005,2.