國產(chǎn)CF鋼制3 000 m3丙烯球罐建造技術(shù)

霍中雪

(合肥通用機械研究院)

國產(chǎn)CF鋼制3000m3丙烯球罐建造技術(shù)

霍中雪**

(合肥通用機械研究院)

從焊接工藝評定、焊接過程控制、現(xiàn)場施焊和焊后處理幾個方面介紹了采用國產(chǎn)CF鋼作為球殼板材料和國產(chǎn)GER-N27M作為焊材建造3 000 m3丙烯球罐的相關(guān)技術(shù)。

CF鋼 球罐 焊接 國產(chǎn)化

近年來石油化工行業(yè)迅速發(fā)展，儲備化工原料的球罐設(shè)備日趨大型化和高參數(shù)化，尤其對乙烯及丙烯等化工原料的儲存工況提出更加嚴苛的要求。CF鋼(即低焊接裂紋敏感性高強度鋼)在性能上具有明顯的優(yōu)勢，其強度高、韌性好，加工成形和焊接性能優(yōu)良，能滿足大型乙烯、丙烯球罐低溫、高壓的設(shè)計要求。以往CF鋼制球罐用鋼板和焊材主要依賴進口，致使制造成本較高。目前，國內(nèi)某些鋼廠生產(chǎn)的CF鋼板的性能已達到進口CF鋼板的水平，同時國內(nèi)也研制出與CF鋼相匹配的焊材，從而縮減了此類球罐的制造成本。

1 工程概況

某化工園區(qū)建造了4臺丙烯球罐，球罐本體采用07MnNiMoDR鋼板(舞陽鋼鐵公司研制生產(chǎn)的CF鋼)。該球罐技術(shù)參數(shù)為：

結(jié)構(gòu)形式 三帶十支柱

公稱容積 3 000m3

內(nèi)徑 18 000mm

壁厚 48mm

設(shè)計壓力 2.160MPa

最高工作壓力 1.623MPa

設(shè)計溫度 -48～50℃

最高工作溫度 45℃

該球罐容積大，采用三帶十支柱結(jié)構(gòu)形式，球殼板數(shù)量少、焊縫總長度短、材料利用率高，但單片球殼板面積較大。另外，07MnNiMoDR鋼板強度高、硬度大，壓制成形時反彈量大，球殼板較厚，焊接質(zhì)量難以控制。因此，該類球罐制造、組裝難度較大。

2 建造材料

2.1鋼板

07MnNiMoDR鋼板為調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨，通過低碳、微合金化獲得強度高、低溫沖擊韌性好的低碳貝氏體組織。該鋼板淬硬傾向較小，焊接性能良好，產(chǎn)生冷裂紋的傾向較小。

鋼板復(fù)驗時進行力學性能試驗，抗拉強度為640MPa，沖擊試驗在橫向1/2板厚處取樣，-50℃低溫沖擊功分別為177、163、159J，表明該鋼板強度高，低溫沖擊韌性好。

2.2焊材

本球罐的焊接材料采用新研制的GER-N27M高韌性超低氫型焊條，該焊條脫渣性和工藝性能良好，宜采用短弧操作，可進行全位置焊接。按GB/T 3965-1995中色譜法測定[H]=2.54mL/100g，擴散氫含量較低，可減少氫致延遲裂紋的產(chǎn)生。焊條熔敷金屬的力學性能見表1，熔敷金屬沖擊吸收功有較大的富裕量，其具有良好的抗裂性和低溫沖擊韌性，冷彎試驗(d=3a，a=25，α=180°)合格，達到了進口焊條LB-65L的水平。

表1 GER-N27M焊條熔敷金屬

注：熱處理溫度575±15℃，保溫時間6.75h，400℃以上時，升降溫速度不大于100℃/h。

3 焊接工藝評定

通過對07MnNiMoDR鋼板和GER-N27M焊條進行一系列焊接性試驗，掌握了該鋼板和焊條的焊接特點。07MnNiMoDR鋼板75℃以上預(yù)熱不會產(chǎn)生冷裂紋，但有一定再熱裂紋傾向，考慮到現(xiàn)場施工條件的復(fù)雜性，推薦預(yù)熱溫度100～120℃。該鋼對焊接熱輸入較為敏感，隨著焊接熱輸入的增大，焊接接頭晶粒粗化，低溫沖擊韌性降低，但若控制焊接熱輸入不超過30kJ/cm，焊接接頭-50℃的低溫沖擊韌性仍可滿足技術(shù)要求。按照NB/T 47014-2011對焊接接頭進行立焊、橫焊、平焊+仰焊的焊接工藝評定，確定了現(xiàn)場施焊的熱輸入范圍和要求，評定合格的焊接工藝參數(shù)見表2、3。

表2 不同規(guī)格焊條采用的焊接電流

表3 各種位置下的焊接線能量 kJ/cm

4 焊接過程控制

07MnNiMoDR鋼制球罐組焊時，可能會出現(xiàn)一些焊接性問題：

a. 焊接接頭冷卻速度快，熱影響區(qū)出現(xiàn)馬氏體淬硬組織，降低塑性韌性，產(chǎn)生硬化裂紋，抗應(yīng)力腐蝕性能下降；

b. 焊接接頭高溫停留時間長，熱影響區(qū)中過熱區(qū)變寬，晶粒粗大、脆化，降低焊接接頭低溫沖擊韌性，甚至會造成冷脆；

c. 焊縫中的氫含量控制不當，加上焊接變形和焊接應(yīng)力，可能導致產(chǎn)生冷裂紋。

4.1坡口

球罐焊縫坡口采用不對稱的X形(圖1)，球罐外部焊接環(huán)境比內(nèi)部好，外部焊接工作量比內(nèi)部大。坡口角度采用負偏差，可減少焊接工作量，節(jié)省焊接材料，同時也降低了產(chǎn)生焊接裂紋、缺陷的幾率。經(jīng)計算，坡口角度采用最大負偏差與采用最大正偏差相比，可節(jié)省焊接材料達16.7%。火焰切割的坡口表面應(yīng)打磨出金屬光澤，徹底清除坡口處熔渣與氧化皮，坡口表面進行100%磁粉檢測，I級合格，并涂上可焊性防銹涂料。

圖1 焊縫坡口形式與尺寸

4.2焊接工藝選擇

焊接時采用直流電源，嚴格控制焊接線能量不超過30kJ/cm，不同規(guī)格焊條所采用的焊接電流和不同位置下所采用的焊接線能量在表2、3中已經(jīng)提到。焊條管理、焊前預(yù)熱、后熱和層間溫度需嚴格控制：

a. 為控制氫的來源，焊條使用前經(jīng)350～400℃烘干1～2h，置于100～150℃恒溫箱內(nèi)，隨用隨取。焊工應(yīng)使用焊條保溫筒，保溫筒內(nèi)焊條須在4 h內(nèi)用完，否則應(yīng)重新烘干，烘干次數(shù)不宜超過兩次。

b. 焊前預(yù)熱應(yīng)均勻，預(yù)熱溫度為100～120℃，預(yù)熱寬度為焊縫中心兩側(cè)各3倍板厚，且不少于150mm。按GB/T 18591-2001的規(guī)定對稱測量距坡口邊緣不超過50mm處的預(yù)熱溫度，每條焊縫測點不少于3點。

c. 施焊時采用窄焊道、薄層多層焊，每一焊道寬度不大于焊芯直徑的4倍，每一層焊道的厚度不超過3.5mm，焊接層間溫度不低于焊前預(yù)熱溫度，且最高溫度不大于180℃。

d. 球殼板與凸緣、厚壁管、支柱的連接焊縫焊后應(yīng)立即進行熱處理，及時消除焊縫中的擴散氫，后熱規(guī)范為200～250℃保溫1h。

4.3焊縫清根與返修

X形坡口對接焊縫外側(cè)焊接完成后，背面清焊根。采用碳弧氣刨清焊根時，焊縫實際溫度應(yīng)不低于預(yù)熱溫度，若低于預(yù)熱溫度，則清焊根時應(yīng)先預(yù)熱。清完焊根后，采用砂輪磨除滲碳層、修整刨槽，使其呈U形，槽底半徑應(yīng)大于5mm，長度方向?qū)捳恢隆Ｇ搴父?，?jīng)滲透檢測確認無裂紋、未融合、未焊透及夾渣等缺陷后方可施焊。

當發(fā)現(xiàn)不允許存在的缺陷時，查清缺陷產(chǎn)生的原因，采用砂輪打磨或碳弧氣刨將缺陷消除。采用碳弧氣刨時，需用砂輪打磨清除滲碳層，經(jīng)滲透檢測確認缺陷清除干凈后，提出返修方案，制定返修工藝。焊縫同一部位的返修次數(shù)不宜超過兩次，若超過兩次，應(yīng)經(jīng)制造單位技術(shù)總負責人批準，修補次數(shù)、部位和修補情況應(yīng)計入球罐質(zhì)量證明書。

4.4零部件制造

凸緣、厚壁管與極中板及上支柱與赤道板在組焊時需采用一些防變形措施，如預(yù)留一定的反變形量和加胎具固定。焊接完成后，用弦長不小于1 000mm的樣板檢測，要求極中板周邊100mm范圍內(nèi)、開孔中心一倍開孔直徑范圍外的曲率允差e≤3.0mm；赤道板與上支柱焊接的焊縫200mm范圍內(nèi)的曲率允差e≤2.5mm。若焊接變形導致曲率超標，則需要校形處理，為防止產(chǎn)生裂紋，應(yīng)避開焊縫部位，僅在焊縫周圍進行校形。

5 現(xiàn)場施焊

本球罐板厚48mm，厚度大，焊接拘束應(yīng)力大。組焊時為減小焊接變形和焊接應(yīng)力，需要安排合理的焊接順序。采用以赤道帶為基準的張線單片散裝成形法，組裝順序為赤道帶→下極帶→上極帶。球罐組裝時注意調(diào)整錯邊量、棱角和對口間隙，組裝完畢后對其幾何尺寸進行檢測，確保符合技術(shù)要求和相關(guān)標準。

要求對稱施焊，各焊工的焊接速度應(yīng)力求一致。施焊的順序為先焊縱縫后焊環(huán)縫，外部焊縫焊完后，內(nèi)部清焊根，并經(jīng)滲透檢測合格后，再焊內(nèi)部焊縫，極板的縱焊縫從中間向兩邊焊。

焊道始端采用后退起弧法，焊道終端應(yīng)將弧坑填滿。換焊條重新起弧時，應(yīng)在上一根焊條的弧坑尚未冷卻時盡快起弧。每一焊道應(yīng)一次連續(xù)焊完，如因故中斷焊接，需進行后熱消氫熱處理，將原焊道的弧坑打磨掉，經(jīng)滲透檢測確認無裂紋后，再按原工藝規(guī)范施焊。多層焊各層間的接頭應(yīng)錯開50mm以上，每一層焊道焊完后，清除焊渣、將焊瘤打磨至與焊層齊平，方可進行下一層焊道的焊接。

焊接完畢后，打磨消除焊縫表面焊波，球罐內(nèi)外表面焊縫余高應(yīng)為0，且不低于母材，對接焊縫打磨至與母材圓滑過渡；角焊縫與母材呈凹面圓滑過渡。對接焊縫形成的棱角(包括錯邊量)不得大于7mm。球罐焊后兩極間的內(nèi)直徑、赤道截面的最大內(nèi)直徑和最小內(nèi)直徑三者相互之差應(yīng)小于球罐內(nèi)徑的7/1000，且不大于70mm。

6 焊后處理

6.1焊接接頭無損檢測

球罐焊接結(jié)束36h，并且焊縫表面形狀尺寸與外觀檢查合格后，對所有A類焊接接頭進行100%RT檢測和100%UT檢測復(fù)驗。熱處理和水壓試驗后，對所有A類焊接接頭和接管與極板之間焊接接頭進行100%UT檢測。RT檢測按JB/T 4730.2-2005標準，技術(shù)等級應(yīng)不低于AB級，Ⅱ級合格；UT檢測按JB/T 4730-2005標準，技術(shù)等級應(yīng)不低于B級，Ⅰ級合格。

此外，所有坡口、工夾具的焊痕處均需進行100%MT檢測；熱處理前后和水壓試驗后，所有焊接接頭表面均需進行100%MT檢測，按JB/T 4730.4-2005標準，I 級合格。上段支柱與赤道板焊縫表面和焊接位置周邊150mm范圍內(nèi)進行焊前100% MT檢測、焊后100% UT檢測和100% MT檢測，結(jié)果均符合JB/T 4730-2005規(guī)定的I級要求。

6.2焊后整體熱處理

為消除球罐組焊后的殘余應(yīng)力，改善焊接接頭性能，消除焊縫中有害氣體，防止焊縫產(chǎn)生裂紋，焊接完畢經(jīng)無損檢測合格后，對球罐進行整體焊后熱處理。提高熱處理溫度，可使殘余應(yīng)力得到更充分釋放，但是這將涉及再熱裂紋問題。根據(jù)裂紋敏感性試驗，該鋼再熱裂紋敏感溫度為620℃[1]，制定熱處理工藝時要避開該溫度。

焊后熱處理規(guī)范為：熱處理溫度為575±15℃，恒溫時間2h，當溫度處于400℃以上時，升溫速度控制在50～80℃/h，降溫時降溫速度宜控制在30～50℃/h；當溫度達到400℃以下時方可自然冷卻。

6.3硬度檢測

球殼板壓制過程變形復(fù)雜，硬度增大；焊接冷卻過程產(chǎn)生淬硬組織，焊接接頭硬度增大，為防止硬化裂紋的產(chǎn)生，需對球罐的表面硬度進行監(jiān)控。球罐熱處理后對球殼板所有焊接接頭(焊縫金屬、熱影響區(qū)和母材的外表面)進行硬度檢測，測得硬度值HB不大于220，符合技術(shù)要求。

6.4水壓試驗和氣密性試驗

球罐安裝完畢且全部檢查合格后，按GB 50094-2010的有關(guān)規(guī)定進行水壓試驗。水壓試驗采用潔凈水，水溫不低于15℃，壓力為2.7MPa。水壓試驗后，所有焊接接頭無滲漏和異常的現(xiàn)象，表明水壓試驗合格。

水壓試驗全部檢查合格后，按GB 50094-2010的有關(guān)規(guī)定進行氣密性試驗。氣密性試驗使用的壓縮氣體為干燥、清潔的空氣或氮氣，氣體溫度不得低于5℃，氣密性試驗壓力為2.16MPa。氣密性試驗后，經(jīng)肥皂液檢查所有法蘭密封面無氣體泄漏，表明氣密性試驗合格。

7 結(jié)束語

07MnNiMoDR鋼板和GER-N27M焊條具有較好的低溫沖擊韌性和抗裂性，焊接性能良好。根據(jù)該鋼種的焊接性能，確定合理的焊接工藝和焊后整體熱處理工藝，控制焊后無損檢測、水壓試驗和氣密性試驗，保證了球罐產(chǎn)品的最終質(zhì)量。建造的4臺丙烯球罐采用的CF鋼板、焊條均實現(xiàn)了國產(chǎn)化，節(jié)省了制造成本。

[1] 于改革,彭小敏,汪輝.07MnNiMoDR鋼制2500m3低溫球罐建造監(jiān)理[J].焊接技術(shù), 2014, 43(1): 61～65.

**霍中雪，女，1985年3月生，助理工程師。安徽省合肥市，230088。

TQ053.2

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0254-6094(2015)02-0282-04

2014-09-18，

2014-11-11)