厚壁SA-765 Gr3低溫鋼容器埋弧焊焊接技術(shù)的研究

王雪驕

(二重集團(tuán)(德陽)重型裝備股份有限公司核電石化事業(yè)部，四川618000)

厚壁SA-765 Gr3低溫鋼容器埋弧焊焊接技術(shù)的研究

王雪驕

(二重集團(tuán)(德陽)重型裝備股份有限公司核電石化事業(yè)部，四川618000)

通過一系列試驗(yàn)研究，制定出一套采用國產(chǎn)焊材應(yīng)用到厚壁低溫鋼容器焊接制造的埋弧焊技術(shù)，極大地提高了生產(chǎn)效率。經(jīng)產(chǎn)品應(yīng)用驗(yàn)證，整個(gè)焊接接頭性能滿足低溫使用要求。

SA-765 Gr3鋼；埋弧焊；焊接工藝

低溫用鋼主要用于低溫下工作的容器、管道和結(jié)構(gòu)，如液化石油氣儲(chǔ)罐、冷凍設(shè)備及石油化工低溫設(shè)備等。低溫鋼的主要性能要求是保證在使用溫度下具有足夠的韌性及抵抗脆性破壞的能力。ASME規(guī)范所推薦的鎳系低溫鋼因其優(yōu)越的使用性能，得到世界各國的廣泛使用。我國正在建造的大型低溫儲(chǔ)罐大都使用美國ASME規(guī)范的鎳系低溫鋼材料。SA-765 Gr3低溫鋼是-70～-120℃低溫容器和部件的主要用鋼，具有良好的低溫韌性，是目前石油化工、海洋石油工程等行業(yè)廣泛應(yīng)用的制造低溫設(shè)備的鋼種。

低溫鋼焊接的重點(diǎn)是保證焊縫及熱影響區(qū)獲得足夠的低溫沖擊韌性，稍有不慎，焊縫就不能滿足低溫韌性。對(duì)于SA-765 Gr3鋼，國內(nèi)承制的低溫鋼容器普遍厚度在100 mm以下，埋弧焊(SAW)通常在中薄板上使用。

我公司承接了壁厚為245 mm的SA-765 Gr3(簡稱3.5Ni鋼)低溫鋼容器的制造工作，全部采用焊條電弧焊，生產(chǎn)效率太低，制造周期不能滿足，因此需對(duì)厚壁低溫鋼的埋弧焊接技術(shù)進(jìn)行研究，以滿足產(chǎn)品的制造要求。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

低溫鋼容器采用鍛焊式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)壓力44.293 MPa，工作溫度-100℃，主體材料是SA-765 Gr3，內(nèi)徑1506 mm，筒體壁厚245 mm，封頭最小壁厚135 mm。

2 主要技術(shù)性能指標(biāo)

根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)條件的要求，SA-765 Gr3鋼熔敷金屬化學(xué)成分要求見表1，焊接接頭力學(xué)性能要求見表2。

表1 焊縫熔敷金屬化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The requirements of chemical composition of deposited metal of welding seam (mass fraction, %)

表2 焊接接頭力學(xué)性能要求Table 2 The requirements of mechanical property of welding joint

圖1 坡口尺寸對(duì)比圖Figure 1 The comparison diagram of dimension of grooves

3 焊接試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

(1)試板材料：SA-765 Gr3鍛件。

(2)焊接材料：為實(shí)現(xiàn)厚壁低溫鋼容器焊材與焊接技術(shù)的國產(chǎn)化，經(jīng)綜合考慮后選用國內(nèi)哈焊所的SA-765 Gr3低溫鋼SAW焊材。考慮到焊接熱輸入量的問題，采用直徑為3.2 mm的焊絲。

3.2 試驗(yàn)過程

3.2.1 焊材工藝性試驗(yàn)

為保證焊接質(zhì)量，在初步確定廠家后，根據(jù)廠家推薦的同種焊絲兩種不同焊劑匹配組合進(jìn)行相關(guān)的焊材工藝性篩選試驗(yàn)。為更好地反映出焊材的工藝性能，接近產(chǎn)品制造實(shí)際情況，試板選用厚度為230 mm的SA-765 Gr3鍛件，坡口與產(chǎn)品制造時(shí)一致。結(jié)合SA-765 Gr3鋼焊接特性和埋弧焊焊接工藝特點(diǎn)，鑒于焊接的厚度尺寸很大，為了更有利于焊接過程中對(duì)焊道的觀察，便于出現(xiàn)問題后及時(shí)進(jìn)行處理，應(yīng)確保前面焊接的焊縫質(zhì)量一次性合格。在相同厚度的情況下，坡口寬度較常規(guī)容器坡口上口寬度增加2 mm～4 mm。詳細(xì)坡口尺寸見圖1。

在模擬的深坡口中通過不同規(guī)范參數(shù)下焊接過程穩(wěn)定性、焊劑脫渣情況、焊縫成型情況的比較，最終選用H06Mn35DR+SJ208DR組合進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

3.2.2 焊接評(píng)定試驗(yàn)

(1)焊前準(zhǔn)備：保存焊劑時(shí)應(yīng)避開高溫潮濕的地方，焊劑使用前應(yīng)在300～350℃烘干1 h～2 h。坡口內(nèi)的油污、鐵銹等會(huì)導(dǎo)致焊接缺陷，焊前應(yīng)徹底清除坡口內(nèi)油污、鐵銹及雜質(zhì)。

(2)SA-765 Gr3鋼含碳量低，其他合金元素的含量也較少，故其淬硬傾向和冷裂傾向比較小，一般可不預(yù)熱或用較低的預(yù)熱溫度來進(jìn)行焊接[1]。在試驗(yàn)時(shí)采用更嚴(yán)格的條件即可不預(yù)熱進(jìn)行焊接。

(3)采用小的焊接線能量：為避免焊縫及熱影響區(qū)形成粗大組織而使其沖擊韌性嚴(yán)重降低，焊接時(shí)必須采用較小的焊接線能量。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[2]。埋弧焊熔敷金屬焊接線能量應(yīng)控制在14.0 kJ/cm～18.5 kJ/cm。

(4)層間溫度是低溫鋼埋弧焊熔敷金屬低溫沖擊韌性的重要影響因素，埋弧焊層間溫度應(yīng)≤150℃。

(5)選擇適當(dāng)?shù)暮附铀俣龋簩?duì)于含鎳低溫鋼進(jìn)行埋弧自動(dòng)焊時(shí)，切不可提高焊接速度來獲得較低的焊接線能量。這是因?yàn)楫?dāng)焊接速度較高時(shí)，由于熔池形成典型的雨滴狀，且焊道成形變成窄而深的截面形狀，此時(shí)就易產(chǎn)生焊道中心的熱裂紋。所以，這類鋼焊接時(shí)，焊接速度特別要選擇適當(dāng)，不可過小，也不可過大。

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

(7)焊接時(shí)焊劑的堆積高度對(duì)焊道外觀及X射線合格率等有些影響，堆積高度大約為25 mm～35 mm，以蓋住弧光為宜。

(8)焊接過程中焊絲的干伸長應(yīng)控制在28 mm～32 mm。

根據(jù)上述焊接要求并結(jié)合焊材廠家推薦的焊接規(guī)范進(jìn)行焊接參數(shù)的調(diào)試，摸索出焊接規(guī)范參數(shù)，見表3。

表3 焊接規(guī)范參數(shù)Table 3 The parameters of welding specification

3.2.3 焊后熱處理

雖然根據(jù)相關(guān)資料，SA-765 Gr3鋼焊接后焊接接頭在焊后熱處理?xiàng)l件下，隨著保溫溫度的升高，焊縫沖擊韌性有所改善，但620℃熱處理后，焊縫沖擊韌性下降明顯[3]。由于產(chǎn)品筒體厚度尺寸大，故焊后熱處理保溫溫度按照600℃執(zhí)行。

3.2.4 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)條件的要求進(jìn)行理化性能檢測。

(1)熔敷金屬化學(xué)成分分析結(jié)果見表4。

(2)焊接接頭全斷面宏觀金相檢查，均未發(fā)現(xiàn)有咬邊、未熔合和線性缺陷，滿足產(chǎn)品不允許有裂紋和其他面缺陷以及有>2 mm的單個(gè)氣孔的要求。

(3)力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表5。

(4)夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表6。

(5)硬度試驗(yàn)

硬度應(yīng)在焊縫橫剖面上測量，該橫剖面經(jīng)磨光和蝕刻呈現(xiàn)出焊縫金屬、熔合線和熱影響區(qū)(HAZ)。硬度測點(diǎn)應(yīng)距內(nèi)外表面1.5 mm，熱影響區(qū)的測點(diǎn)應(yīng)位于盡量接近焊縫熔合線(大約0.2 mm)處。硬度檢測詳細(xì)位置見圖2。硬度試驗(yàn)結(jié)果見表7。

(6)試驗(yàn)結(jié)果分析

化學(xué)成分：從熔敷金屬化學(xué)成分檢測結(jié)果看，各元素均在規(guī)定值范圍內(nèi)，且雜質(zhì)元素S、P含量低。

拉伸性能：焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果全部符合技術(shù)要求，且強(qiáng)度值適中。

彎曲性能：通過側(cè)彎試驗(yàn)，母材、熱影響區(qū)、焊縫皆無任何缺陷，受拉表面光滑完整，變形均勻一致，韌塑性良好。

表4 焊縫熔敷金屬化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 The analyzed results of chemical composition of deposited metal of welding seam (mass fraction, %)

表5 力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果Table 5 The tested results of mechanical property

表6 焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 6 The results of impact test of welding joint

圖2 硬度檢測點(diǎn)的位置Figure 2 The location of check points for hardness test

表7 焊接接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果Table 7 The tested results of hardness test of welding joint

沖擊韌性：從沖擊結(jié)果看，-100℃焊縫和熱影響區(qū)沖擊值完全能滿足技術(shù)要求，且有一定的儲(chǔ)備量。雖然個(gè)別值相對(duì)較低，但通過對(duì)其沖擊試樣進(jìn)行斷口分析發(fā)現(xiàn)，存在氣孔、夾渣等無損檢測非超標(biāo)缺陷。

硬度檢測：從硬度檢測結(jié)果來看，測量值均滿足技術(shù)要求，說明在整個(gè)焊接接頭上未出現(xiàn)硬化區(qū)。

3.2.5 小結(jié)

由焊接試驗(yàn)可知，哈焊所生產(chǎn)的低溫鋼埋弧焊焊材(焊絲H06Mn35DR+焊劑SJ208DR)焊接工藝良好，焊接接頭具有高強(qiáng)度和良好的塑性和韌性，沖擊能力也較好，各區(qū)硬度滿足技術(shù)要求。表明所選用的焊接材料、制定的焊接工藝規(guī)范參數(shù)和焊后熱處理規(guī)范是合理、可靠的。

4 產(chǎn)品應(yīng)用

4.1 焊接工藝要點(diǎn)

由于SA-765 Gr3鋼與一般鋼材所不同的地方在于容易被磁化(雖然其容易程度不及9Ni鋼)，在焊接時(shí)，這些殘磁會(huì)產(chǎn)生電弧磁偏吹，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使焊接操作不能正常進(jìn)行。因此，重點(diǎn)是要防止母材帶磁。故在現(xiàn)場操作時(shí)盡量避免磁力起重機(jī)以及不要靠近高壓電線，或使用消磁機(jī)對(duì)母材進(jìn)行消磁。

坡口采用機(jī)加工的方式按圖1尺寸制備。在坡口加工完成后，應(yīng)按要求進(jìn)行檢查。如發(fā)現(xiàn)有影響焊接質(zhì)量的缺陷(如裂紋、分層等)應(yīng)予以清除，合格后方可進(jìn)行裝配。坡口兩側(cè)各50 mm范圍內(nèi)打磨出金屬光澤，同時(shí)必須將坡口兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)及坡口表面上的油、銹、水等對(duì)焊接有害的雜質(zhì)清除干凈。

在產(chǎn)品制造時(shí)，嚴(yán)格按照焊接試驗(yàn)的工藝措施及焊接規(guī)范要求進(jìn)行焊接，但產(chǎn)品筒體厚度尺寸大(248 mm)，結(jié)合施焊環(huán)境，要求在焊接前焊縫兩側(cè)1T范圍預(yù)熱50～80℃，防止產(chǎn)生焊接冷裂紋。嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度，層間溫度不可過高。采用較小的焊接熱輸人量，焊接過程中應(yīng)及時(shí)清渣，觀察焊道成型，出現(xiàn)不良焊道應(yīng)及時(shí)處理，保證焊接質(zhì)量。

4.2 應(yīng)用結(jié)果

通過上述工藝措施和嚴(yán)格的過程控制，順利完成了產(chǎn)品的焊接工作。產(chǎn)品經(jīng)PWHT及水壓試驗(yàn)合格后按時(shí)交付用戶。

焊接接頭按技術(shù)要求進(jìn)行100%磁粉檢測、超聲檢測、射線檢測，檢測合格。SA-765 Gr3焊縫硬度為155～209HBW；SA-765 Gr3鋼焊接接頭抗拉強(qiáng)度為509 MPa～532 MPa；側(cè)彎2件，合格；-100℃夏比V型缺口沖擊韌性為128 J～134 J；焊接接頭全斷面宏觀金相觀察，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見缺陷。均滿足產(chǎn)品技術(shù)要求，強(qiáng)度適中，低溫韌性有較好的儲(chǔ)備。

5 結(jié)論

(1)選用的哈焊所低溫鋼埋弧焊焊材焊接工藝良好，焊縫接頭性能完全滿足指標(biāo)要求，且有較好的低溫韌性儲(chǔ)備。

(2)采用埋弧焊焊接厚壁SA-765 Gr3低溫鋼時(shí)盡量選擇小規(guī)格的焊絲，結(jié)合生產(chǎn)效率，建議選擇?3.0 mm焊絲。

(3)焊接前需對(duì)焊縫兩側(cè)1T范圍進(jìn)行預(yù)熱50～80℃，防止產(chǎn)生焊接冷裂紋。

(4)焊縫坡口應(yīng)較常規(guī)埋弧焊焊接坡口寬一些。

(5)焊接層間溫度應(yīng)控制在130℃以下。嚴(yán)格控制焊接熱輸入量，熔敷金屬焊接線能量應(yīng)控制在18.0 kJ/cm以下。不可用提高焊接速度的方法來減小焊接熱輸入。

(6)收弧時(shí)應(yīng)填滿弧坑，避免產(chǎn)生弧坑裂紋，不允許存在任何深度的咬邊缺陷。焊接過程中應(yīng)及時(shí)清渣，觀察焊道成型，出現(xiàn)不良焊道應(yīng)及時(shí)處理，保證焊接質(zhì)量。

(7)采用擬定的焊接工藝規(guī)范和焊后熱處理規(guī)范是可行的。

[1] 李道清，高小紅，任世宏，等. SA-765 Gr3 低溫鋼的焊接[J]. 電焊機(jī)，2012，42(10)：52-57.

[2] 董安霞. SA-765 Gr3 鋼低溫設(shè)備焊接工藝[J]. 中國鍋爐壓力容器安全，2001，17(4)：20-23．

[3] 張凱，湯傳健，王天先，等. 低溫容器用SA-765 Gr3 鋼的焊接[J]. 電焊機(jī)，2010，40(3)：86-90．

編輯 杜青泉

Research on Submerged Arc Welding Technology of SA-765 Gr3 Thick-Wall Low Temperature Steel Vessel

Wang Xuejiao

By a series of experiment and study, the submerged arc welding technology which is used for thick-wall low temperature steel vessel by adopting the domestic welding material has been prepared, so as to greatly increase the production efficiency. By means of application and verification, the property of whole welded joint can meet the operating requirement at low temperature.

SA-765 Gr3 steel; submerged arc welding; welding process

2016—10—08

王雪驕(1978—)，高級(jí)工程師，從事壓力容器焊接制造技術(shù)的研究與開發(fā)工作。

TG445

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